为移动电话、无绳电器等设备充电时,通常需要使用电缆,无线充电则不然。 通过无线充电器,只需将设备放在靠近无线电源发送器或专用充电站附近,即可为任何电池供电设备内的电池充电。 因此,设备外壳可设计成完全密封甚至防水的状态。 除了其与生俱来的便利性以外,无线充电还可大大提高可靠性,因为设备一侧的充电插头很容易遭受机械损伤,或被人不小心插入错误的适配器中。 无线充电所依据的原理就是通常用于马达和变压器中的著名的法拉第电磁感应定律。

无线电池充电应用

  • 智能手机、便携式媒体播放器、数码相机、平板电脑和可穿戴设备: 消费者正在寻求易于使用的解决方案,更加自由的充电地点,并且希望缩短充电时间。 这些应用通常需要 2 W 至 15 W 的电力。 多标准互通性是首选。 无线充电可与 NFC(近场通信)和蓝牙共存,为创意解决方案提供了可能。 例如,配对的手机在协商好“主机端”和“客户端”关系后,便可以使用“背对背”靠着的姿势为彼此充电。
     
  • 附件: 耳机、无线音箱、鼠标、键盘和许多其他应用皆可受益于无线电力传输。 面对器件尺寸不断缩小的趋势,一方面要保证充电缆线能够插入这些器件微小的接头中,一方面又要保证充电强度,是一个巨大挑战。 例如,蓝牙耳机必须能够防汗,才能在健身房中“生存”。 只有无线充电才有可能做到这一点。
     
  • 公共接入充电终端: 在公共域部署充电垫(发送器)需要保证系统的安全性。 但是,除了作为独立的充电解决方案以外,智能充电系统还可以有更多的用途。 智能充电系统可以实现快速网络连接,如有需要,人们还能用它们来创建收费型充电站。 许多咖啡馆、机场服务亭和酒店都支持这些服务。 家具制造商也在开发不显眼的无线电源发送器,安装在茶几和边桌内。
     
  • 计算机系统: 笔记本电脑、笔记本、超级本和平板电脑都是潜在的无线充电对象,充当主机或者客户端皆可。 无线充电拥有无限的应用潜力。
     
  • 汽车舱内应用: 无线充电器是为手机和钥匙链充电的理想选择。只要将手机、钥匙链放在仪表板或汽车中控台上,就能为它们充电,而无需像有线充电那样必须将电线插入点烟器插座才能充电。 此外,由于蓝牙和 Wi-Fi 需要进行身份验证才能将手机连接到车内电子设备,NFC 与无线充电结合后,用户不仅可以为手机充电,还能自动将其连接到汽车的 Wi-Fi 和蓝牙网络,无需经历任何特定的安装过程。
     
  • 电动汽车: 电动汽车 (EV) 的智能充电功能也即将面世,但此类应用需要更高电力。 相关标准正在制定中。
     
  • 其他: 对无线充电器来说,凡是内部有电池的东西都意味着商机。 这些东西包括游戏和电视遥控器、无绳电动工具、无绳吸尘器、皂液器、助听器,甚至心脏起搏器。 无线充电器也能够为超级电容器(超级电容)或者任何传统靠低电压电源线供电的装置充电。
     

无线电力传输的无线充电标准

过去几年里竞相诞生了三大无线充电标准,包括 Qi、PMA 和 Airfuel™,下文会对这三个标准进行详细的说明。 这三个标准基本上都是根据法拉第感应电压’定律,利用感应线圈实现无线电力传输,但是它们工作时使用的频率不同,所用控制方案也不同。 因此,每个无线充电标准都有自己独特的技术优势和不同水平的产业支持,具有不同的市场份额。

在中国的传统文化中,Qi(发音为“气”),意为“自然能源”、“生命力”或“能量流”。 它也是无线充电联盟 (WPC) 创建的行业标准名称。 Qi 目前支持 5 mm 距离内高达 5 W 的无线电力传输,但是电力传输量正迅速向 15 W 扩展,此后,更大距离的无线电力传输量将达到 120 瓦。

创建任何行业标准背后的主要目的都是想要实现互通。 例如,带有 Qi 标识的任何接收器可以放置在任何有 Qi 标识的发射垫上。 这些接收器甚至可以放置在支持不同标准的发射垫上,只要无线接收器芯片支持多标准互通。 不久以后,人们长途旅行时就不必携带专用充电器了。

Qi 标准的工作频率范围大致在 100-200 千赫,而 PMA(电源事务联盟)标准提供高达 5 W 的电力需要的频率近这个数字的两倍。 PMA 和 Qi 标准其实很相似,都是基于“磁感应”(“MI”)原则。 但它们的无线电源接收器和发送器之间的通信方法相当不同。

最近 PMA 与 A4WP 签订了一项协议,约定创建互通的标准 (Airfuel Alliance)。Airfuel 基于稍微不同的原理,这个原理被称为 “MR”,是磁共振的意思。 这个标准的早期版本允许传送的电力为 3.5 W 和 6.5 W,但最近这个数值已被提高到 50W。虽然 MR 的基本原理也是感应定律,但使用的却是耦合更为松散但调谐更紧密的接收和发射线圈,这些线圈 Q 值(质量因数)非常高,所以在大约 7 MHz 的频率上能够发动谐振转移。 因此,Airfuel 标准在发送器或接收器的实际安置方面,空间灵活度更大。

无线电池充电系统的主要组件

  1. 无线充电发送器由一个 5V 至 19 V 的直流输入干线供电,通常这个电源来自 USB 端口或 AC/DC 电源适配器。
     
  2. 一个使用两个或四个场效应晶体管 (FET) 的交换晶体管桥驱动线圈和串联电容器。 通过串联电容器在内部设置共振频率。
     
  3. 发送器使用一个线圈通过电磁感应传输电力。 有些发送器支持由独立桥驱动的多线圈阵列,这些桥会被自动选择,进而发送最高耦合功率至无线电源接收器中。
     
  4. 感应功率被耦合到无线功率接收器中,这个接收器通过一个类似的线圈来接收进入功率。
     
  5. 接收器通过二极管整流器来调整功率,这个整流器通常用 FET 制成,以提高效率。 接收器还使用陶瓷输出电容器对功率进行过滤,然后通过一个线性模组或交换调节器将过滤后的功率送到需要充电的电池内。
     
  6. 便携式设备内部的电池接收到功率,然后开始充电。 接收器可以命令发送器调节充电电流或电压,还可以在收到充电结束的指示后,完全终止功率传输。
     

无线电源充电系统框图

设定时主要需要考虑的问题

无线电力无疑是一个复杂的领域,而 瑞萨电子恰恰擅长于此。 将无线充电系统集成到设备中时,人们必须首先决定这个应用最适合使用哪个无线电力标准。 瑞萨电子有时会提供双模解决方案,以获取最大的互操作性和便利性。

选择什么线圈由标准决定。 所有主要的磁性元器件厂商都提供相同的标准线圈(按照规定)。 然后,工程师通常根据直流输入电压和输出的要求,选取对具体应用适用的线圈。 然而,适用的线圈形状和线圈类型通常就是接收器或发送器集成电路解决方案评估套件中实际使用的那些。

通常情况下,接收器内部只需要留出几毫米的空间来容纳线圈和关联的电子元件。 一定的屏蔽可能也是有必要的,可以防止设备内出现噪声和 EMI 感应。 燃料测量功能通常不集成在无线充电器中,所以可能需要单独支持这个功能。

集成器件另一个需要考虑的问题是,功率传输不能穿透金属外壳,因为金属能够有效地将发送器与接收器屏蔽开。 因此,系统设计者需要在接收机壳体上安装一个相对平坦的塑料界面,让无线充电线圈能够彼此相对。 此外,这个塑料壁的厚度不能超过数毫米,因为超过这个厚度也可能会影响功率传递。

最后,一​​些工程师意识到有必要精确地检测功率传输通道上是否存在金属异物,这是为了避免出现过热问题。 为了满足这个需求,瑞萨电子的所有解决方案都集成了强大的异物检测功能和控制电路,可令该解决方案与所有主要的安全规范兼容。

瑞萨电子是无线充电解决方案的业界领导者

通过与三大主要标准制定团体(即 WPC、PMA 和无线电源联盟)合作,瑞萨电子确立了自己在无线充电领域的领导地位。 这种合作让 瑞萨电子能够与其他领先的创新者密切合作,开发出可以攻克无线电力传输挑战的解决方案。

正是源于这种合作,瑞萨电子现在可以提供各种符合 WPC、PMA 和 WPC/PMA(双模)标准的无线电源接收器集成电路。 本公司的双模接收器能够利用 5V 的降压型直流-直流交换调节器或跟踪型 LDO(低压降稳压器)提供 5W 功率。

瑞萨电子还提供了几种符合 WPC 标准的发送器,输入要求从 19 V 到 12V 不等,可以使用 5 V 的适配器或 2A 的 USB 端口。 所有的无线充电产品都有强大的软件工具和设计指南作为支持,为意向设计过程提供协助。

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IDT Overview & Wireless Charging

IDT develops and sells a broad range of semiconductors that are used in a wide variety of industrial applications and consumer products. Established in Silicon Valley in 1980, IDT employs 1,500 people worldwide. The company's chips are used to enable today's mobile Internet. In fact, virtually every 3G and 4G phone call made around the world goes through IDT products. IDT's semiconductors play an essential role in today's advanced technology. Its market leading timing devices, for example, serve as the heartbeat of electronic systems. Another one of its products is helping scientists at CERN move, manage, and make sense of the vast amounts of data gathered from experiments at the Large Hadron Collider.

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