無線充電設計的五大要素

在設計無線充電系統(tǒng)時，影響設計的關鍵考慮因素通常是用戶體驗、效率、功率大小、標準 、元件選擇/可用性和成本。一個設計良好的系統(tǒng)可以提供諸多好處，從改進的功能（比如智能手機不再需要插電）到支持新的技術（比如放在放射性環(huán)境中的傳感集中器，在這種情況下無法通過有線充電，而且人機交互也是不安全的）等等。使用磁場耦合技術的無線充電系統(tǒng)從19世紀00年代晚期就已經(jīng)出現(xiàn)了，但直到最近元件、芯片和系統(tǒng)架構的最新進展才使得工程師能在他們的設備中真正實現(xiàn)實用的無線充電系統(tǒng)來改善用戶體驗。下面讓我們討論一下有關無線充電設計的前五個要素。

1:用戶體驗

用戶如何與設備交互是每個優(yōu)秀的工程師在項目啟動時要問的最基本問題之一?？蛻粜枰焖俪潆妴?？需要對準方面的靈活性嗎？是不是要求發(fā)熱量低？需要長距離充電嗎？需要大功率嗎？每個發(fā)射器需要多個接收器？需要很小的外形尺寸嗎？

所有這些選項都是可以滿足的，但通常需要進行折衷考慮。例如，大功率和低發(fā)熱量并不總是能夠同時滿足。距離和效率基本上是背道而馳的。因此在為某種設備設計無線充電系統(tǒng)時理解用戶需要什么以及如何對這些需求排定優(yōu)先級是很重要的第一步。

2:效率

在用于衡量無線充電系統(tǒng)性能的指標中，效率永遠是第一位的。天生高效的系統(tǒng)可以提供更遠的距離、更好的方向靈活性、更低的發(fā)熱量、更小的尺寸以及更小的電源漏電流。下面是無線充電系統(tǒng)中對效率有決定性影響的三個主要模塊：

圖1:無線充電系統(tǒng)的三大模塊

如果所有三個模塊都工作在最低的估算效率（即圖中所示的80%，70%和80%），那么總的系統(tǒng)效率約等于45%。對于一個5W的設備來說，需要用11W的發(fā)射功率才能提供全速充電，大約6W消散于設備本身（作為熱量散發(fā)掉）和周圍環(huán)境中，包括空氣、裝置和人體組織。在低功率情況下，這也許是安全和可接受的。但在較高功率時，比如電動汽車的充電，此時典型的充電功率至少要5kW，那么有6kW要損失在發(fā)射器、汽車和周圍環(huán)境中，因此會引起嚴重的發(fā)熱和安全問題。

當無線充電系統(tǒng)的所有三個模塊都工作在最高估算效率（即95%，90%和95%）時，總的系統(tǒng)效率大約為82%。在這種情況下，一個5W的設備只需發(fā)射器提供約6W的充電功率，只有1W因無效而損失掉。為了提高系統(tǒng)效率，設計師應專注于高效率元件，提高發(fā)射器與接收器之間的耦合程度。

3:功率電平

使用磁場耦合的無線充電系統(tǒng)可以給從毫瓦到千瓦級的設備充電。對于毫瓦級設備來說，能量收集或射頻無線功率也許是更具吸引力的充電方案。設備的功率要求將決定你的元件選擇、可以在設計上跟你合作的公司以及設備尺寸。

4:標準與法規(guī)

在電子設備的無線充電方面目前已有多種標準，包括無線電力聯(lián)盟（A4WP）、電力事件聯(lián)盟（PMA）和無線充電聯(lián)盟（WPC）。這些標準組織存在的目的就是提供發(fā)射器和接收器之間的互操作性平臺，同時為滿足法規(guī)要求的產品和元件創(chuàng)新提供指導。

如果你的設備要求互操作性（用戶需要在機場或當?shù)乜Х鹊瓿潆妴幔浚?，那么你的設計就應該圍繞某個標準展開。一般來說，A4WP針對“松散耦合”系統(tǒng)提供了技術上最先進的解決方案，WPC則擁有商用化程度最高的開發(fā)工具和組件，但它是“緊密耦合”系統(tǒng)（至少現(xiàn)在是這樣）。PMA正在與A4WP合并，為它的共享標準提供“緊密耦合”技術。

如果你的設備不要求互操作性，用戶的設備總是使用同一種發(fā)射器，那么你就能靈活地開發(fā)私有、封閉的解決方案。當然，這種情況下利用標準組織推薦的現(xiàn)成組件和技術仍然具有重要意義，至少在開發(fā)方便性和資源可用性方面給你提供了一個很好的起點，不過你不必非要滿足全部的標準規(guī)范。如果你的設備滿足自己的要求，并且在法規(guī)范圍之內，你的設計就是成功的。

5:元件選擇

由于效率為王，而元件又決定了效率，那么在選擇元件時了解你自己的想法就非常重要了。在無線充電領域中，開發(fā)高效率、前沿技術的元件公司有許多。舉例來說，宜普（EPC）公司開發(fā)的增強型氮化鎵（eGaN）晶體管具有高效率的開關性能，可以用來實現(xiàn)高性能的功率放大器。在天線方面，NuCurrent公司開發(fā)的天線結構可以實現(xiàn)高效率、高度靈活的小型天線。與此同時，像IDT、博通、TI和其他一些IC公司正在開發(fā)可以支持多種標準、各種功率電平和小型尺寸的IC.因此可選的余地很大，如果你是無線充電設計的新手，最好的方法是與元件供應商或設計咨詢公司一起合作，因為他們理解無線充電的前景，可以幫助你快速跟蹤設計需求，并把你介紹給戰(zhàn)略開發(fā)合作伙伴。