電場(chǎng)耦合式無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的圖文解析

　　隨著便攜式媒體播放器、智能手機(jī)和平板電腦等電池供電的消費(fèi)類電子設(shè)備的不斷普及，導(dǎo)致家里到處充斥著大量不同的充電器和成捆的電線。以無(wú)線方式給設(shè)備充電的概念即沒(méi)有任何直連線的連接已經(jīng)推出一段時(shí)間了，現(xiàn)在正迅速提起人們的興趣，使之更加靈活和更加有用。不過(guò)目前有哪些不同的技術(shù)、工程師需要應(yīng)付的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)又有哪些呢？

　　由于無(wú)需使用充電線纜，給消費(fèi)設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電有許多吸引人的地方。也許應(yīng)該說(shuō)得更明白點(diǎn)，無(wú)線充電的目的是通過(guò)不同于有線或連接器等的創(chuàng)新方式提供給設(shè)備電池充電的新途徑。

　　無(wú)線充電方式在諸如電動(dòng)牙刷等許多消費(fèi)設(shè)備中已經(jīng)非常流行，其中最主要的一種方法是基于麥克斯韋定律的感應(yīng)方法，即來(lái)自某個(gè)線圈的磁場(chǎng)變化會(huì)在另外一個(gè)與之耦合的線圈中產(chǎn)生電流。雖然使用磁場(chǎng)的感應(yīng)方法適合類似上述這樣的許多小設(shè)備，但在平板電腦和智能手機(jī)等更加現(xiàn)代的消費(fèi)電子設(shè)備中使用這種方法面臨著諸多工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　隨著饋送給電池的功率的增加，相對(duì)效率或擺放耦合線圈的靈活性要求也會(huì)提高。這種感應(yīng)方法的主要考慮因素是如何控制產(chǎn)生或“發(fā)送”能量并使用感應(yīng)磁場(chǎng)傳送給“接收”設(shè)備的信號(hào)所產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）。接收設(shè)備隨后將磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電能再給電池充電。Wi-Fi、藍(lán)牙、近場(chǎng)通信（NFC）、蜂窩系統(tǒng)和調(diào)頻廣播是眾多無(wú)線語(yǔ)音和數(shù)據(jù)連接方法中的一些例子，它們可能都會(huì)受到這種電磁場(chǎng)的干擾。

　　當(dāng)然，另外一個(gè)考慮因素是使功率傳輸效率盡可能高，即使在更高功率電平和更寬擺放誤差等挑戰(zhàn)約束條件下。在過(guò)去幾年中，業(yè)界對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)感應(yīng)充電技術(shù)提出了許多新的想法，但規(guī)避EMI影響的進(jìn)展不像期望的那樣順利，因?yàn)檫_(dá)到EMI兼容需要付出艱巨的努力。

　　最近這方面的挑戰(zhàn)得到了進(jìn)一步發(fā)展，這得感謝無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC）的不懈努力。WPC是美國(guó)消費(fèi)電子（CEA）組織的一項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃，目的是鼓勵(lì)進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)，使無(wú)線充電更加引人注目，從而得到更大消費(fèi)群體的青睞。

　　感應(yīng)方法的另外一個(gè)眾所周知的約束條件是需要精確地配對(duì)充電器和被充設(shè)備，這可以用電動(dòng)牙刷例子來(lái)很好地描述。充電器基板上有一個(gè)小塔，從放置待充電牙刷的基板上升出來(lái)。使用這種方法可以使兩個(gè)線圈完美匹配，以確保磁能的傳輸。任何稍微的不對(duì)齊都會(huì)完全丟失功率傳輸能力。在使用諸如智能手機(jī)或平板電腦等要求稍大功率電平的其它設(shè)備時(shí)，這種使用方法顯然很不方便。最后，存在如何解決電熱損失的問(wèn)題。充電器功率越高，熱量損失越大。這對(duì)溫度高度敏感的鋰離子電池來(lái)說(shuō)更是個(gè)問(wèn)題，很可能會(huì)在今天外形高度緊湊的消費(fèi)電子設(shè)計(jì)中產(chǎn)生元件應(yīng)力。

　　使用電容架構(gòu)是可以代替磁場(chǎng)無(wú)線充電的另外一種無(wú)線充電方法，這種方法的原理類似于電場(chǎng)的麥克斯韋定律。這種概念已經(jīng)被村田公司采納，并被廣泛引入新的設(shè)計(jì)。該公司的做法是使用準(zhǔn)靜電電場(chǎng)并通過(guò)電容傳輸能量，這種電容則是由屬于物理上分開(kāi)的器件的兩個(gè)電極組成。將這兩個(gè)器件彼此靠近就能形成一個(gè)電容陣列，并用來(lái)傳輸能量。圖1a顯示了這種方法的基本原理。

　　圖1a：無(wú)線功率傳輸中發(fā)送器－接收器對(duì)原理。

　　圖1b：圖1a所示發(fā)送器－接收器對(duì)的等效電路。

　　使用兩組電極或極板就可以通過(guò)靜電感應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。充電器或“發(fā)送器”和便攜式設(shè)備或“接收器”用來(lái)有效地在組成電容的合適尺寸金屬表面間實(shí)現(xiàn)縱向的準(zhǔn)靜電耦合。其中驅(qū)動(dòng)電極或主動(dòng)電極要比另外一個(gè)電極小，上面施加的電壓較高，另外一個(gè)電極則是被動(dòng)電極，尺寸較長(zhǎng)，上面的電壓較低。當(dāng)然正常情況下，電容傳輸?shù)哪芰渴呛苄〉?，這與電極面積小有很大的關(guān)系。因此，為了滿足給消費(fèi)設(shè)備充電所需的功率水平（例如從5W至25W），需要增加電極尺寸和耦合的電壓值，具體取決于實(shí)際的配置。

　　圖2a顯示了采用電容傳輸能量的充電器方法例子框圖，其中使用的接收器和發(fā)送器模塊是村田公司最近開(kāi)發(fā)出的新產(chǎn)品。這種模塊化方法允許工程師集中精力開(kāi)發(fā)耦合區(qū)的電極設(shè)計(jì)，從而有助于快速開(kāi)發(fā)出無(wú)線充電功能。通過(guò)靜電方法傳輸?shù)哪芰看笮≈苯诱扔谒褂玫念l率。因此用更高的頻率驅(qū)動(dòng)電極對(duì)可以使設(shè)計(jì)處理更高的功率。然而，各個(gè)國(guó)家對(duì)所使用的頻率和電場(chǎng)強(qiáng)度都有限制規(guī)定。實(shí)際上這種配置可以形成一種非常有效的天線結(jié)構(gòu)，因此EMI因素通常會(huì)限制設(shè)計(jì)的靈活性。為了實(shí)現(xiàn)耦合電極之間的無(wú)線收發(fā)、同時(shí)盡量減小對(duì)外的輻射量，需要進(jìn)行正確地設(shè)計(jì)。因此需要進(jìn)一步理解和確定正確的電極尺寸、它們的設(shè)計(jì)、工作電壓、功率值、最佳工作頻率和總的尺寸約束條件。一般情況下，理想的頻率范圍在200kHz至1MHz之間，有效耦合區(qū)的電壓值在800V至1.52kV之間。

　　圖2a：電容傳輸充電器框圖。

　　圖2b表明，對(duì)于一個(gè)滿足EMI兼容要求的10W充電器來(lái)說(shuō)，發(fā)送至接收電容耦合過(guò)程中存在電壓步升和步降現(xiàn)象。采用模塊化架構(gòu)的設(shè)計(jì)概念允許裝置制造商將模塊用作黑盒子，從而方便發(fā)送器和接收器的集成。發(fā)送器設(shè)計(jì)覆蓋到電源的鏈路、無(wú)線能量傳輸?shù)目刂埔约案鶕?jù)位置靈活性目標(biāo)對(duì)任何外形的主動(dòng)耦合電極的控制。在接收器側(cè)，電池接口決定了設(shè)計(jì)如何從主動(dòng)耦合電極區(qū)域通過(guò)下變頻模塊正確地接收功率。由于便攜式設(shè)備中使用的電池種類非常廣泛，所以電路接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)代表著向非常方便的設(shè)計(jì)邁出了一大步，同時(shí)也要考慮到更具挑戰(zhàn)性的概念，比如更快的充電速度。主要得益于歐盟委員會(huì)持續(xù)施加的壓力，微型USB 5V充電接口正在成為歐洲所有移動(dòng)手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖2b：電壓步升和步降是10W充電器中發(fā)送至接收電容耦合過(guò)程的一部分。

　　與感應(yīng)方法相比，使用準(zhǔn)靜電傳輸?shù)年P(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一是，待充設(shè)備在充電基座（或充電托盤(pán)）上的位置要求不是那么嚴(yán)格。通過(guò)x-y（表面）方向的精心設(shè)計(jì)，當(dāng)接收器遠(yuǎn)離發(fā)送源時(shí)，仍能保持高效率且曲線相對(duì)平坦的能量傳輸，對(duì)任何設(shè)計(jì)（即使是有線充電器）來(lái)說(shuō)效率典型值為80%左右，因此具有非常高的位置容差性能，而z（高度）仍然是最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)參數(shù)。

　　另外，使用扁平方形或矩形的桌面托盤(pán)或接近垂直的接續(xù)架子允許以任何方向擺放充電設(shè)備，不一定需要很精確。此外，由于主要的主動(dòng)接收電極可以由簡(jiǎn)單的薄銅箔搭建（這種銅箔的厚度在幾個(gè)微米數(shù)量級(jí)，嵌入在塑料覆蓋材料中），因此將它集成進(jìn)消費(fèi)設(shè)備要比集成功率感應(yīng)器簡(jiǎn)單得多。

　　如前所述，靠近電池的熱量傳遞對(duì)感應(yīng)方法來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。然而，作為電容耦合配置中能量載體的電場(chǎng)不會(huì)有任何較大的電流。由于沒(méi)有這種直流流動(dòng)，因此耦合區(qū)不存在發(fā)熱問(wèn)題：所有阻性損耗集成在模塊或驅(qū)動(dòng)器電路中，耦合區(qū)一點(diǎn)都沒(méi)有。因此裝置制造商在將微型模塊集成進(jìn)裝置中時(shí)具有更大的設(shè)計(jì)靈活性，同時(shí)在耦合設(shè)計(jì)、功率電平和想要達(dá)到的定位容差方面具有很大的設(shè)計(jì)自由度。

　　考慮到上述所有這些挑戰(zhàn)因素，電容耦合式無(wú)線能量傳輸可以實(shí)現(xiàn)更高的功率傳輸、更大的定位靈活性，還能滿足EMC一致性要求，同時(shí)可以向制造商提供更大的設(shè)計(jì)靈活性?？偟膩?lái)說(shuō)，電容耦合式無(wú)線能量傳輸將極大地鼓舞制造商集成以無(wú)線方式給便攜式設(shè)備充電的功能。