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无线供电解决方案

作者:东华时间:2008-05-12来源:电子产品世界

英国一家公司Splash power推出一款利用电磁感应原理的手持式设备充电器。主机Splash Pad是一个经久耐用、鼠标垫大小充电座,另一个部件是安置在PDA或手机内的Splash Module。图5是它的原理图。当设备放置在Splash Pad上时,Splash Module有效地从充电器吸收能量,为设备中的电池充电。Splash Module可按产生的电功率要求、空间大小和形状定制,直接整合在设备中,或作为一个附件使用。它的优点是:
 
图5 Splashpower系统示意图

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/82433.htm

.高效率接收器,符合设备充电协议。

.实时、合理的检测器,防止充电器误用。

.自动处于低功率状态,符合欧洲EnergyStar准则。

.可缩放的磁芯体拓扑,支持目前的和未来的产品市场。

电磁感应还被用来为MEMS器件。MEMS器件,尤其是内置执行器的微型器件对电源有特殊要求,这里就显示出它的优越性,没有物理限制,高电压和高功率可能性。实验采用类似于铁氧体变压器结构形式,初级线圈绕在磁芯上,次级级圈则制作在硅片上,由于次级线圈是分离的,磁芯一臂留有空隙,以便芯片放置在其中。变压器的具体参数列于表1。

上面已提及,变压器的耦合系数是个重要参数,其效率直接与它有关。就目前这种结构而言,效率肯定要打折扣。为了提高优值,初级线圈的绕制方法十分关键。图6列举了三种绕制方法,初级绕在磁芯的主臂上,初级绕在磁芯副臂的一侧,初级分别绕制在磁芯空隙的两侧。图6下面示出了三种绕制方法的实测耦合系数,可以看出,第三种绕制方法有较高的效率。实际使用2mm空隙,效率可达80%。芯片上的寄生电容限制了变压器工作频率在几个MHz,产生的电压可达223.4Vpp,功率达4.5Wrms。
 
图6 三种绕制方法及其相应的耦合系数

非辐射性谐振磁耦合方案

麻省理工学院(MIT)以Marin Solijacic为首的研究团队首次演示了灯泡的技术,他们从6英尺的距离成功地点亮了一个60W灯泡。这个实验立即引起了人们的极大关注并进行了广泛的报道。演示装置包括直径为3英尺的匹配铜线圈,以及与电源相连的工作频率在兆赫范围的传输线圈。接收线圈在非辐射性磁场内部发生谐振,并以相同的频率振荡,然后有效地利用磁感应来点亮灯泡。他们还发现,既使两个谐振线圈间有障碍物存在时,也能让灯泡继续发光。

这项称为Witricity的无线供电技术,关键在于非辐射性磁耦合的使用,两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合。普通的磁耦合被用于短距离范围,它要求被供电或充电的设备非常靠近感应线圈,因为磁场能量会随距离的增加而迅速衰减,因而在传统的磁感应中,距离只能通过增强磁场强度来增加。与此不同,Witricity使用匹配的谐振天线,可使磁耦合在几英尺的距离内发生,而不需要增强磁场强度。电磁波无线功率传输虽然有较长的传输距离,但传输的功率只有几微瓦到几毫瓦。该团队在成功地点亮灯泡后,准备通过设计一个装置来演示以无线方式对笔记本电脑进行供电(图7)。电能通过导线1输送至10MHz谐振线圈天线2,“能量尾巴”3到达6.5英尺外的接收线圈,接收线圈4以相同频率谐振,接收的电能经耦合匹配,整流后供笔记本电脑使用。来传输电能5驻留在谐振场中,不像辐射电磁波将很多电能浪费在辐射空间中。
 
图7 Witricity无线供电装置示意图

MIT研究人员认为,他们发现的是一种全新的无线供电方法,非辐射电磁能谐振隧道效应。例如在微波波段,一个号角波导产生一个衰减(Evanescent)电磁波,倘若接收波导支持相应效率的电磁波模式,即衰减场传播波模式,能量就从一个媒体以隧道方式传输至另一个媒体。换句话说,衰减波耦合是隧道效应在电磁场中的具体体现。在本质上,这个过程与量子隧道效应相同,只是电磁波替代了量子力学中的波函数。这个方法也称为共振感应耦合,以区别于普通电磁感应耦合,它使用单层线圈,两端放置一个平板电容器,共同组成谐振回路,减少能量的浪费。

当然,也有研究人员认为,MIT的实验可用电磁波近距离(在波长的范围内)辐射原理来解释,此前已有类似的技术,比如无源RFID标签。谐振耦合虽能增加传输距离,但因增加了一个电容器,从而也增加了体积。此外,谐振回路有一个重要参数品质因子,高品质因子表明谐振时能量损耗少,另一方面,高品质因子意味着谐振带宽窄,会带来系统设计的难度。除了上述因素,还要考虑:

.安全性:人们佩带的金属质项圈、项链等也是一个环形线圈,在某些场合若形成谐振回路会影响系统工作,也存在一些不安全因素。

.串扰:串扰是同一个场所内各种电磁波间不希望有的耦合。这个问题是现实存在的,应予以关注和解决。

.效率:线圈之间的耦合有极强的方向性。平行时耦合强,垂直时几乎没有耦合,被供电设备的放置会对效率有很大影响。

结语

本文简要地介绍了无线供电的几种常用方案以及相关的一些产品。在所涉及的方案中,MIT研究人员进行的实验以及他们所论述的原理引起了人们极大的关注。人们期待无线供电技术有新的突破,就目前情况而论,该项技术还处于探索阶段,虽然已有一些初级产品,在实用化、普及化之前,还有大量的工作要做,存在的问题也有待解决。(东华)

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