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    無線充電為何不適合功率競賽

    作者:時間:2022-05-20來源:貿澤電子收藏

    【導讀】科技的發展讓我們離“束縛”越來越遠。對于各類電子產品來說,充電器是非常重要的配件。當我們向移動和便攜式設備充電時,當前比較普遍的方法是用有線充電器進行供電,但是瘋狂纏繞的充電線讓處于萬物便捷時代的我們覺得失去了自由。

    本文引用地址:http://www.rethinkthailand.com/article/202205/434282.htm


    在這種情況下,技術正在走向市場。


    技術不用通過連接器作為媒介,不需要常規意義上的充電器和電源線,只需放在充電座上就可以充電。與有線充電相比,不僅在安全性、靈活性、通用性等方面具備多重優勢,還可以減少頻繁的充電對設備充電接口的損耗。


    無線充電最早可以追溯到1893年。特斯拉當時通過兩個線圈點亮了一盞燈,用的正是無線充電技術。其實,如今無線充電的基本原理還是這樣,即發射線圈通過感應交流電流產生交變的磁場,使接收線圈中產生電流,實現無線電能傳輸。


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    圖1:特斯拉無線電能傳輸試驗原理圖

    (圖源:高工鋰電網)


    目前常見的無線充電技術主要有電磁感應式、電磁共振式、電場耦合式。當前手機無線充電大部分采用電磁感應式無線電能傳輸技術,發射線圈安裝在在充電座上,接收線圈安裝在手機背面,當手機靠近充電座的發射線圈時,磁場會讓接收線圈產生感應電流。在整個過程中能量由電能轉化成磁場場能再通過感應線圈感應生電,最終完成充電的過程。


    作為未來重要的消費電子潮流,無線充電近年來呈現出技術成果加快轉換、產品規?;慨a穩步上升的趨勢。這點尤其體現在手機等智能電子設備領域。伴隨著智能手機產業的快速發展,手機無線充電的“軍備競賽”正開展地如火如荼,各個手機廠商都卯足了勁推出功率越來越大的新品。


    早在2014年,蘋果便推出無線充電的AppleWatch;2015年,三星推出了支持無線充電服務的手機,并相繼推出多款搭載無線充電手機服務的手機與無線充電器。不過,受限于無線充電器充電功率較低、充電時易發熱等問題,無線充電在初期推廣并不順利。


    自2020年以來,無線充電技術迅速發展,各大手機廠商均推出了自身的無線充電方案。2020年10月,蘋果將AppleWatch的充電方式嫁接到iPhone上面,推出了支持15W功率的Magsafe磁吸無線充電。該方案通過磁鐵的吸引力,使無線充電器與接收線圈能夠準確定位、配對,提升充電效率。


    與蘋果、三星相比,在高功率快充方面的新技術嘗鮮中,國產手機廠商們跑得更快。華為、OPPO、小米等部分品牌智能手機早已實現50W無線充電,并且更高功率的無線充電產品還在繼續推出。2020年7月,OPPO發布了65W AirVOOC無線閃充;同年10月,小米展示了80W的無線快充解決方案,甚至120W的無線充電技術都已準備就緒。


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    (圖源:小米)


    可以看到,芯片和終端廠商們正在將無線充電往更高功率、更快充電速度上推進。除了在手機端快速滲透外,無線充電也在加速向筆記本、智能手表、手環、掃地機器人、耳機以及汽車領域拓展。


    無線充電技術在一定程度上打破了時間和空間的限制,萬物互聯的時代需要無線充電技術的加持??梢灶A見無線充電技術在未來將會有非常廣闊的應用前景。


    無線充電“功率競賽”落幕


    就在各大廠商準備在無線充電功率方面大干一場的關鍵時刻,工信部正式出手,開始嚴格管控無線充電功率,擬規定所有生產、進口在國內銷售、使用的移動和便攜式無線充電設備額定傳輸功率不超過50W。


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    圖3:

    工信部《無線充電(電力傳輸)設備無線電管理暫行規定(征求意見稿)》


    據了解,該意見稿目的在于規范無線充電(電力傳輸)設備有序使用無線電頻譜資源,避免對各類依法開展的無線電業務產生有害干擾,維護空中電波秩序。


    簡而言之,就是在目前無線設備越來越多的環境下,通過設定無線充電功率限制來避免設備間互相干擾。


    如果上述征求意見稿最終獲得通過,50W以上的無線快充產品都將成為“絕唱”,這意味著無線充電的“功率競賽”就此落幕。


    那么,對于以手機為代表的消費電子設備充電而言,50W的無線充電技術能否滿足消費者需求呢?


    其實,50W已是一個不低的無線充電功率水平。在2020年小米發布的50W無線秒充技術中,已經實現40分鐘即可將4500mAh大電池充至100%,充電速度超過了部分有線充電。畢竟蘋果手機目前的有線充電器功率才達到20W,磁吸無線充電還只有15W。對于消費者而言,50W的無線充電功率足以滿足對于手機快充的需求。


    然而,在“功率競賽”告一段落之后,無線充電技術接下來要關注哪些技術點呢?


    01 提升充電效率/轉化效率


    我們先來了解一下無線充電系統的內部結構和工作原理。無線充電系統由發射端和接收端組成。以電磁感應方式為例,發射端與電源連接,電源被發射電路轉變為高頻電流,高頻交流電使發射線圈產生波動磁場,變化的磁場在接收線圈上感

    應出交流電,然后接收電路再把電流轉化為直流電給設備電池進行充電,這樣一來就實現了無線充電。


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    圖4:無線充電供電示意圖

    ( 圖源:行行查研究中心)


    簡單來說,就是采用電磁感應原理,實現“電生磁”-“磁生電”的相互轉化。從產業鏈來看,無線充電產業鏈主要包括方案設計、無線充電芯片、磁性材料、傳輸線圈、模塊制造等幾個環節,行業入局者眾多。


    其中,TDK是無線充電線圈領域的知名廠商,其面向智能手機及其他移動設備的無線充電線圈采用纖薄、靈活的金屬磁片,實現了行業最薄的厚度。這些TDK無線電力傳輸線圈裝置不僅超薄、超輕,同時也高度耐沖擊。


    貿澤電子在售的TDK無線充電小型Rx(接收)線圈單元WR202010-18M8-SM接收器具有10.68μH電感和2.96Ω的最大直流電阻。


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    圖5:無線充電小型Rx線圈單元WR202010-18M8數據表

    (圖源:TDK)


    據了解,該線圈設計上盡可能降低了電阻值上升的趨勢,并實現了滿足WPC Qi標準要求的電力傳輸效率。TDK設備具有超薄外形及0.5-0.6A的輸出電流,可依據每項設計要求進行定制設計,并且無鹵素,適用于智能手機、手持式移動終端、DSC、可穿戴設備等產品的無線充電應用中。無線接收線圈作為無線充電功能的重要硬件支持,其銷量必定會隨著無線充電功能的普及而不斷攀升。


    從無線充電技術的市場應用現狀來看,現階段無線充電的效率大多處于60%-80%之間,而有線充電效率可達95%,兩種充電方式存在較大差距。因此,除了充電功率之外,充電效率和轉換效率也是制約無線充電速度的關鍵。


    在電磁感應模型中,電能轉換為磁場能,再由磁場能變為電能的過程必然存在一定的能量損耗,并且由于比有線充電多了感應線圈這個“中間商”之后,能量轉化率也出現大幅的降低。因此,提高無線充電效率和轉換效率成為接下來行業要發力的方向之一。


    提高效率可以從兩點出發,一是增大輸出,另一個是減少損耗:


    增大輸出方面,可以從材料選擇來著手。選擇好的磁性材料一方面可以增加磁通量,另一方面可以實現磁屏蔽。目前常用的磁性材料有鐵氧體、納米晶等,對磁通特性要求較高。無線充電的發射端與接收端上都覆蓋無線充電線圈,線圈在工作時都會有損耗,因而使用好的材質可以降低線圈損耗,大大提升無線充電效率。


    減少損耗方面,可以從優化線路與元器件選擇來著手。線路上精簡優化好,并且元器件選擇好的材質,就可以減少輸出損耗。此外,發射和接收線圈的耦合設計以及制造工藝都影響充電效率,電子線圈高端產品的技術門檻較高,能提供高端產品的生產商數量有限。


    在提升無線充電效率方面,Texas Instruments的產品表現出色。貿澤電子在售的Texas InstrumentsBQ51051BRHLR產品是一款高效、符合Qi標準的無線電源接收器,適用于便攜式應用的集成鋰離子/鋰聚合物電池充電控制器。


    BQ51051BRHLR在單個封裝中集成了低阻抗同步整流器、低壓降穩壓器(LDO)、數字控制器、充電器控制器以及精確的電壓和電流環路。整個功率級(整流器和 LDO)使用低電阻N-MOSFET以確保高效率和低功耗,峰值AC-DC充電效率能達到93%。


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    圖6:Texas Instruments BQ51051BRHLR無線電源接收器功能框圖

    (圖源:Mouser)


    據了解,BQ51051B器件提供高效的AC-DC電源轉換,以及高效、安全地對鋰離子和鋰聚合物電池充電所需的各種控制算法。該器件與BQ500212A發送器側控制器一起為直接電池充電器解決方案提供完整的無線電源傳輸系統。


    通過使用近場感應電能傳輸,嵌入在便攜式設備中的接收線圈可以接收發射線圈傳輸的電能,然后對來自接收器線圈的交流信號進行整流和調理,以直接向電池供電。從接收器到發射器建立全局反饋,以穩定功率傳輸過程。


    TI 公司的無線充電產品組合改變了傳統的連接性,可提供各種無線電源發射器和接收器器件,適用于直接和間接充電應用以及標準兼容和非兼容系統,其豐富的無線充電解決方案極大的滿足了人們對于持續連接的需求。


    02 增強易用性


    目前,手機無線充電廣泛采用的是電磁感應式技術。由于其研發門檻較低,技術趨于成熟,成本較低,因而被廠商廣泛使用。但電磁感應無線充電局限較多,包括充電時需要對齊線圈、不能遠距離無線充電、同時可充電設備的數量較少等。這幾大短板限制了電磁感應無線充電的發展,致使該項技術在大部分應用場景中優勢不明顯,使用體驗有待進一步加強。


    為了解決以上問題,電磁共振式無線充電技術出現了,其原理是發送端遇到共振頻率相同的接收端后,由共振效應進行電能傳輸。通過這項技術,即使沒有像電磁感應式充電一樣對齊線圈的位置,也依然能充電,并且充電距離可達10厘米左右。這樣的距離與電磁感應技術相比沒有本質區別,仍然不能實現遠距離無線充電。其缺點是充電效率較低,并且距離越遠,傳輸功率越大,損耗也就越大。


    為了實現真正的無線充電,無線射頻技術又應運而生。這種全新的隔空充電技術,通過發射裝置的天線輻射無線電波,再由接收裝置接收無線電波上承載的能量來完成“隔空”充電。這種充電方式覆蓋的范圍比前兩種技術遠得多。相比接觸式無線充電,隔空充電才能讓消費者真正感受到無線充電的魅力。


    無線射頻技術是目前無線充電技術研發的前沿,諸多企業都在研發使用不同的無線射頻類型完成“隔空充電”,其優點是充電距離遠,充電方式靈活,限制少,可以實現真正的“無線充電”。當然這種技術也有潛在的不足,比如對人體的潛在影響以及轉換效率相比前兩種方式較低。


    無線射頻技術被認為是下一代無線充電設備的核心技術,當真正成熟、低成本的電磁共振和射頻無線充電器出現后,無線充電才能真正實現大家想象中的那種遠高于插線充電的便利性。也許在消費電子領域,無線充電技術將從現有的電磁感應無線充電直接過渡到隔空充電,進而從有限的無線,發展到真正的無線。


    目前而言,隔空充電技術想要達到真正的實際應用,仍有諸多問題需要解決。綜合來看,不同的無線充電技術之間優劣各異,隨著市場需求以及技術演進的趨勢,每種技術都在尋求新的突破口。


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    圖7:無線充電技術模式對比

    (圖源:頭豹研究院)


    03 EMI(電磁干擾)控制


    所謂EMI(電磁干擾),是指任何能使設備或系統性能降級的電磁現象。


    由于無線電能傳輸系統在傳播過程中需要借助磁耦合機構將發射側的電能轉化成高頻磁場,因而容易產生EMI信號。這些EMI信號經過傳導和輻射,不僅會污染電磁環境,還會對通信設備和電子儀器造成干擾。


    同時,無線充電是輻射開放的磁場,開放磁場可能會對外部其它設備產生影響。所以在做芯片設計的時候,需要通過降低寄生參數、調整驅動的速度和時間以及添加磁性材料等方式來屏蔽電磁干擾,降低電磁干擾帶來的影響。


    如在無線充電的發射和接收端,可采用鐵氧體等低成本軟磁材料。通過對鐵氧體屏蔽結構的優化設計可有效降低耦合機構的磁場泄漏,達到控制EMI的目的。


    由此可見,無線充電芯片和線圈對EMI有著較高要求。貿澤電子在售的來自Vishay的Dale IWTX-4646BE-50無線充電發射器線圈能夠提供耐用的結構和高磁導率屏蔽,該線圈在19V輸入電壓下能提供超過70%的效率。


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    圖8:Vishay-Dale IWTX-4646BE-50無線充電線圈

    (圖源:Mouser)


    IWTX-4646BE-50線圈配備不受永久定位磁鐵影響的高飽和鐵粉,可與Vishay符合WPC的無線接收線圈配套使用。尺寸更大的鐵氧體線圈在強磁場下會飽和。IWTX-4646BE-50在4000高斯磁場下的磁飽和為50%,可替代此類線圈。


    綜合上述內容來看,“功率競賽”之外,提升充電效率、增強易用性、控制無線充電系統的電磁干擾等或將成為行業廠商接下來需要關注的重點方向。


    而在無線充電方面一直表現亮眼的小米,自2018年推出首款無線充電手機以來,一直致力于推動無線充電技術的發展。近日,小米推出了“小感量+磁吸”無線充電預研技術,磁吸無線充電功率可達50W,損耗降低50%,進一步實現了“革命性的無線充電體驗”。


    無線充電市場前景可觀


    近幾年隨著無線充電的不斷普及和推廣,消費者對于無線充電的認知度和接受度正在不斷提高,無線充電所應用的領域也將不斷擴展。


    據相關數據統計,全球無線充電市場規模從2016年的34億美元增長至2020年的90億美元,年均復合增速超過40%,2021年全球無線充電市場規模突破百億美元,市場前景廣闊。


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    圖9:(圖源:行行查研究中心)


    未來,隨著行業系統設計的改進、無線充電效率和易用性的提升,行業廠商將以更新、更好、更快且更具成本效益的無線充電解決方案,繼續推動無線充電技術向前發展,以及市場預滲透率的持續攀升。




    關鍵詞: 無線充電

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