无线充电技术应用攻略.docx
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无线充电技术应用攻略
无线充电技术应用攻略
（一）：
用原理制作实物
2012年04月17日15:
24 作者：
Jupiter
一、无线充电的概念简介
我们都知道，无线能源似乎是一个听起来很棒的新奇概念，但是我们很难想象会很快将它实现商业化。
无线充电是什么？
无线充电是指利用电磁波感应原理进行充电的设备，原理类似于变压器。
在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。
无线充电技术，源于无线电力输送技术，利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振，实现电能高效传输的技术。
据engadget报道，美国宾州的一家公司，目前靠着这个Powercast技术，已经和超过百家的主要电子产品公司，签下内容尚未公开的合作案，包括一些耗电量“相对较低”的电子产品，诸如手机、MP3随身听，还有汽车零件、温度感应器、助听器，甚至是医疗仪器等的制造业者。
基本上整个系统包含了两件东西，一个是插在插座上的发信器，另一个电子产品上，跟硬币大小差不多的接收器（技术核心），只要在一定的范围内（目前是在90厘米的距离内），电源能够瞬间自发信器传到对应的接受器。
该项技术之所以会得到这么多家厂商的青睐，原因是在他独特的无线电波接收装置，能够根据不同的负载、电场强度来作调整，同时还能维持稳定的直流电压，这也表示在空中乱喷的电磁波功率，能够被减到最低。
（据说这种设备已经获得了FCC的认可）
最神奇的是，这接收器的制造成本，竟然只要5块钱美金；目前预计将在2008年底，也许会更快，就会出现在部份的电子产品上头了。
另外各位常常在外奔波的笔电使用者，也不用心急，等到各位的笔电/UMPC耗电量降到了个位数（目前的极限），你将来在外头上网，应该是不需要带充电器了，不过以后网络费可能要跟电费绑在一起了。
二、无线充电系统设计原理与实物制作
到了2011年初，无线充电技术经过数年的推广与演进后开始受到各界瞩目。
无线充电是指具有电池的装置透过无线感应的方式取得电力而进行充电，其方便性可以让消费者愿意支付额外的费用购买无线充电相关产品；因为有商机才会有厂商愿意投入相关产品开发，目前可以知道非常多知名品牌厂商已经将无线充电这个功能列入新一代的产品的规格之一。
由于这产技术相当新颖且各厂商有自己对技术的表述，所以无线充电、感应式电力、非接触充电、无接点充电都是泛指相同的技术，距离1mm到数公尺都是一样是无线，供电端与受电端交互作用就称感应，所以无线充电是广义的名词没有一定的规格。
原理简单，实作困难
无线充电的方法在实验阶段有开发出很多方法，但目前唯一有机会量产商品化为线圈感应式。
线圈感应式的原理很简单，是百年前就被发现物理现象，但过去长久以来这样的线圈感应只运用在绕线式的变压器中。
早期就有人发现将绕线式的变压器的将“E”型铁心绕线后对向紧贴后接上市电就可以感应传电，但距离略为分开后感应效果就消失，这是因为在市电60Hz下，电磁波传递会随着距离增加能量快速衰退。
在现今的应用中，由于装置本身需要有外壳包装，发射端加上接收端的外壳厚度至少从3mm起算，早期电动牙刷产品开发时就发现当距离拉开后需要将线圈上的操作频率提高才能让电力能传送的更远；在电磁波中有一个特性，就是频率越高的电磁波可以传送比较长的距离后能量衰减较低。
后来RFID应用开始发展，主要就规划的三个频段LF低频（125~135KHz）、HF高频（13.56MHz）、UHF超高频（860~960MHz）可以使用，而这些频段也造就了目前无线电力系统在设计之初频率采用的参考点。
早在10年前电动牙刷的无线充电就已经上市，当时的传送功率小、充电时间长，在现在的智能手持装置的耗电状况来看，当时的充电能量不敷使用所以10年来还无法实用化。
但这几年来发展出新的技术可用较高的“共振”接收效率运作方式，由于这个技术较新所以各界的说法很多，但都是有一个很重要的特性，就是接收线圈上都会有配置电容来构成一个具有频率特性的接收天线，在特定的频率下可以得到较大的功率移转。
这部份就跟早期的电磁感应不同，当距离拉开后依然就可以得到良好的电力传送效果。
共振的原理非常简单，就跟钢琴调音师一样放不同水量的玻璃杯，在精准的调音下可以将某个玻璃杯透过共振将其振碎；但其它的文章都没有提到，若是没有经过专业钢琴调音师训练的一般人，可能永远也调不出可以让玻璃杯振碎的频率！
这就是原理简单、实作困难。
展示简单，上市困难
电子零件出厂时就像是未调过音的钢琴，钢琴透过专业的调音师精准调校后可以发出高品质的声音；当大量生产后为了成本考量可能就无法在每一个产品都经由专业人员调校再出货，如果每一个产品都要专业人员来修正那就会有困难，因为专业人员有限。
这就跟目前可以看到很多无线充电产品在很久前就发表了，在发表会上产品都可以完美演出，但过了很久的等待后还没见产品上市？
就跟刚提到的例子一样，无线充电的产品为了达到很好的共振效果必需经过精准的调校，在这样的状况下量产会变的非常困难。
所以无线充电系统的设计首先必需要能针对共振这部份能自我调整，这样才能解决量产难题。
2008年INTEL即发表了可以离一公尺距离的两个线圈传送电力用以点亮60瓦特灯泡，发表当时也宣告了无线电力时代已经到来；但三年过去了相关产品还是没有上市，仔细想一下可以相距一公尺传送电力，这么强大的电磁能量就算对人体没影响、对周遭的电气制品会有非常大的杀伤力。
无线电力系统的原理与烹调电磁炉相同，透过电磁波来传送能量只不过目标不同，电磁炉使用频率约50KHz能量发出后给锅具加热用已烹饪，过去网络上就有流传过一段影片就是将手机放在运作中的电磁炉表面上，在短时间内手机即烧毁，这样的原理一样电磁波会穿过手机外壳直接对内部的金属构造加热终至烧毁。
前文题到过，为了加长传送距离必需提高传送频率，电磁炉的频率较低在离开数公分后就衰减到安全界限以下，INTEL发表的相距一公尺传送电力必需将频率提高到约13MHz才能传送，在这个状况下线圈之间若是存在金属物体将会被加热而发生危险，表演中工作人员可以站在两个线圈中间不会有危险，是因为人体内的金属成份很少所以温度上升有限。
当电磁波频率加到1GHz以上就会直接对水分子加热；这个原理就变成微波炉了，水分子被电磁波搅动后发出热量。
所以微波炉与电磁炉不一样，必需在屏蔽体内操作避免为害到人体。
这部份又与市面上的无线通讯产品不同，因为能量差距甚大；无线电力系统需要传送电力而发送到受电装置所以需高功率传送，无线通讯产品收到低功率讯号后再透过内部的电池将讯号放大处理。
所以不管是在13MHz会对金属加热或是1GHz以上直接伤害人体，无线电力在设计时必需解决安全的问题才能上市，这就是展示简单、上市困难。
三大效能指针：
效率、安全、功率
电动牙刷早在10年前就堆出无线充电了，当时由于功率需求低所以不需要考虑效率与安全。
早期的系统转换效率只有20%-30%，且没有安全机制并不会辩识目标连续供电，这样的系统就与微型电磁炉一样。
由于功率很小，接收需求只有0.1W上下，只有20%的转换效率下即有80%的能量于传送中转成热量散逸，这样推算发射器提供0.5W的能量到接收器为0.1W的能量，0.4W产生的热量有限对系统的温度上升不明显，且系统最大输出能力也不大即0.5W，所以在发射器上放置金属异物也不会产生危险；但今日的装置需求远高于0.1W，以热销的智能型手机来看接收需要5V-1A即5W的充电能量，若用电动牙刷的系统进行设计问题就会很大了，接收端5W的需求在只有20%的转换效率下有20W的能量转换成热能散逸，这样的能量会产生庞大的热能会导致系统温度大幅上升，在这样的推算下，系统最大输出能力会在25W，若为无安全设计下于发射器上放置金属异物可能会导致火灾意外，所以在功率需求提高后衍生的问题需要全新的设计来完成无线充电，所以10年前即出现的无线充电到今还改良之中。
新设计的系统需为了达到目标功率，必需先解决效率与安全的问题。
高转换效率仰赖先进规格零件与材料
现今无线充电系统都采用共振的方式进行设计，在架构上都大至相同有下列这些构造：
发射器内有
1.直流电源输入
2.频率产生装置
3.切换电力的开关
4.发射的线圈与电容谐振组合
接收器内有
A.接收的线圈与电容谐振组合
B.整流器
C.滤波与稳压器
D.直流电源输出
在样的架构下从发射器的1.直流电源输入到接收器D.直流电源输出应过的每一个环节都是效率损耗的要点，在电源电路中电流通过的每一个有阻抗特性的零件都会在上面损耗部份能量，这几年材料的进步也让无线充电的实用化大增，其中有几样先进零件是无线充电系统中与传输效率相关的，为了达到高转换效率需要将这些零件与材料作组合运用。
a.频率产生装置：
目前有数家公司将此部份开发成IC销售，其为发射电路板上的关键零件。
b.切换电力的开关：
大多为MOSFET所构成，低导通阻抗与高切换速度是选用的要点。
c.发射／接收的线圈与电容谐振组合：
此部份为过去从未出现过的技术，由于无规则可循所以只能透过不断的尝试，另外未了阻绝多于的能量散到其它地方，于线圈的未感应侧都会家上磁性材料，这类的材料特性也是全新的应用。
d.整流器：
由于在线圈上的操作都是高频率、高电压的能量讯号需要能有效的换成直流电才能给受电装置使用，目前大多采用超低VF的萧特基二极管所构成。
e.滤波与稳压器：
这部份难度在接收装置空间有限，设计上要小型化的困难处，通常高转换效率的电路配置大体积被动零件。
设计最艰难的部份在于安全
先前提到无线充电系统与电磁炉一样会发射电磁波能量，这有两大问题：
其一为当发射器上没有放目标充电装置时一样在发射能量，长时间下会造成能源的浪费，不符合现在产品节能的趋势。
另外一个问题较严重，为当发射器上放的是金属异物，电磁波对其加热；这个状况轻则烧毁装置，重则发生火灾危其人员生命财产。
所以无线充电系统若要上市销售，必需要有一个重要的功能即为“受电端目标物辨识”，当正确的目标物放置在发射器上才开始送电，若不是的话则不送电。
用来侦测近距离装置的方法有很多，但在无线充电系统上有一个问题就是无法采用昂贵的零件来完成这个功能，记住目前设计的只是一个充电器，若成本太高的话市场会无法接受这个功能。
而目前有两个实用的方法来完成这个功能：
1.磁力激活：
在受电端上装一个磁铁，当发射端感应到磁力后开始发送能量，这个方法简单有效，因为没有人会无意中放一个磁铁在发射器上让它烧毁。
2.感应线圈上的资料传送：
这是目前认为最安全的方法，与RFID的原理相同，利用两个线圈内的电力传送中，包含资料码一起传送；这个方法最安全也是最难完成的，因为感应线圈上有高能量的电力传输、另外还包含了系统的噪声与负载电流变化的干扰，如何有效的传送资料码是一大难题。
可变功率系统需建立在数据传输机制上
一个理想的系统为在无线充电发射器上放置不同的接收器，接收器可为不同的装置从小电力的耳机到大功率的笔记型计算机，都应该要能对应不同的目标物；但每个接收装置的电力需求都不一样，这时发射器必需要能自动调节功率输出。
但这样的功能要建立在发射器与接收器要能够传送资料码来进行沟通，所以如何运用感应电力的线圈进行资料码传送是研发的要点。
关于这个技术数年前已经有多家公司投入开发，其每家公司的方法有差异在实作上的稳定性也需要再经过验证。
无线充电共通标是理想却难以实现
目前有业者在推行无线充电标准，理想化的标准是可以跨品牌使用。
这个是一个很理想化的目标，所谓的标准就针对两个部份需要规范才能运作；第一就是要有共通的共振频率，电力传输是需要透过预设好的共振频率来传送，发射器提供的电磁波能量之频率需要是接收器的共振频率才能得到好的转换效率。
第二就是标准的资料传送码或其它识别激活方式，发射器需要对应到正确的接收器才能开始送电。
一个共通的标准的确是市场所期待的，目前在推动无线充电标准化的团体已经运作多时，但在市面上的产品还算少见，这部份可以深入了解后可以发现一些问题，一部份是其标准尚未完整以致研发人员照规格书开发确无法顺利将产品完成；另一个问题是该标准并不是免费的，当产品上市前需要先支付相关专利的权利金，所以共通标准是未来的趋势，但目前实际应用还未成熟。
三大关键组件牵动三个产业链
就无线充电产品看有三大关键组件，其中有控制电路板、感应线圈、磁性材料。
目前无线充电尚在起步阶段，市场预期接下来的二到三年会开始高度成长，而四年后将会变成品牌商品的标准备规格之一。
这个市场的成长会牵动的产业链不只在电子产业，感应线圈需要精密治具生产这牵动的是机械工业，线圈上需要运用高效能电磁波屏蔽能力的磁性材料这牵动的是化学工业。
所以一个产品的成长可以牵动三个产业链，因为这个产品并不是过去已经存在的产品，而是全新的类别全新的应用，相关的材料都要重新开发生产，对经营面来看这也是可以开发的新领域。
三、无线充电待解疑问
无线充电技术其实在19世纪就有了，但是到了21世纪还没有广泛应用到日常生活中，因为在目前技术发展阶段，对于无线充电技术，还有许多待解疑问需要解决。
会不会生活在电磁辐射的海洋中？
现在人们谈辐射色变，在经历了311日本大地震的辐射恐慌之后，对于辐射这一目前还没有完全研究透彻到底会有什么影响的看不到摸不到的事物，大家还是持拒绝的态度。
以前人们打电话能用固话坚决不用手机，估计现在对于无线充电也会持这样一种态度，未知世界的东西能少用就尽量少用。
无线充电由于电感线圈的存在，必然会产生磁力线辐射，但是在电流的辐射方面，目前无线充电器基本上将交流电整流后转换为直流电，且功率极小，业内人士也一直在强调理论上对人的健康不构成威胁。
但是辐射的问题，依然是大家最为关注的方面。
会不会对其他用电设备产生干扰？
平时我们都有这样的经历，手机放在电脑或者电视旁边时候，如果有短信或者电话进来，电脑或者电视屏幕就会受到干扰。
如果再把用来充电的无线充电器放到房间里，是否也会对很多的家用电器产生干扰呢？
无线充电的成本高于直充？
任何一件商品，只有成本降到广大群众接受的水平，才具备普及开来的可能性。
毕竟无线充电技术虽然是早就有的技术，但是应用于充电还是一个新事物，无线充电包括电源管理模块、发射电路、接收转换电路和充电电路，而且还会涉及到很多的专利费用，成本一定高于目前广泛使用的有线充电和万能充电器。
市场才是硬道理，没有一个厂商会愿意为推广高科技而付出更多的资金代价。
使用起来有没有限制性？
就目前来说，无线充电器还无法达到无线网络那么大范围的覆盖率，虽然充电板和接收器是两个部分，但是彼此还是不能分开太远，不然充电效率会大幅下降甚至无法充电。
看来远没有我们想象的那么便捷。
充电效率能不能追上直充？
无线充电器充电的转化率比起有线充电器来说，要低了不少，目前最高只能达到85%，也算是一种能源浪费吧。
当然，这已经是很不错的效果了。
节约了电线浪费了电能，此中博弈还有待论证。
但是业内有一种展望，相信随着未来技术的进步，无线充电电能转换效率会追赶上直充电器。
面对诸多问题，需要彻底解决以后才可以走上规模化应用。
一、电场耦合式无线供电系统：
轻松实现无线充电！
村田制作所开发出了基于“电场耦合方式”的无线供电系统。
电场耦合方式的无线供电技术与“电磁感应方式”及“磁场共振方式”不同，通过对置送电侧电极与受电侧电极，利用两电极间产生的感应电场来供电，具有抗水平错位能力较强的特点。
村田制作所已试制完成了为平板终端、电子书终端等便携终端进行无线供电的供电台。
在本文中，村田制作所的新业务负责人和商品策划人员将对该公司的战略和技术详情进行介绍。
在众多企业对无线传输电力的无线供电技术展开研发的背景下，村田制作所将着眼点放在了被称为“电场耦合方式”的技术上。
以前村田制作所也开发过“电磁感应方式”的无线供电技术，但2008年前后决定改为推进电场耦合方式。
电场耦合方式的构造简单，只要是在供电台规定的充电区域内，无论将产品放在什么位置都可供电，可实现“位置自由（FreePositioning）”的供电。
另外，由于可将电极减薄，因此具有容易嵌入产品等其他方式所没有的特点。
村田制作所用了大约3年的时间提高了技术的完成度，并构筑了以基本专利为中心的专利网。
目前已试制完成为平板终端及电子书等便携终端进行无线供电的供电台。
村田制作所计划2011年秋季面向平板终端的无线供电装置量产输出功率为10W的送电模块及受电模块。
与此同时，为了扩大电场耦合方式的应用，还开始进行标准化工作。
本文将以技术方面的内容及特点为核心，详细介绍电场耦合方式。
在业内为少数派
无线供电方式因利用的原理不同而有数种方式（图1）。
在无线供电技术中研发历史较长的是电磁感应方式。
在电动牙刷及无线电话等领域已有采用的业绩。
电磁感应方式方面，目前已成立了开展标准化作业的业界团体“WirelessPowerConsortium（WPC）”，制定完成了面向5W以下设备的标准规格。
图1：
众多企业关注无线供电
图中按电力传输方式汇总了无线供电的开发动向。
在大量企业致力于电磁感应方式和磁场共振方式的情况下，村田制作所则着眼于电场耦合方式。
“磁场共振方式”是刚刚起步的技术。
其魅力在于可将电力传输到距离数m远的地方，因此众多企业及研究机构正在进行相关研发。
村田制作所致力开发的电场耦合方式在无线供电业界为少数派。
除村田制作所外，日本只有竹中工务店在研发。
2011年秋季量产
村田制作所以开辟电场耦合式供电装置业务为目标全面展开开发的时间是在2010年4月。
研究本身早在2008年前后就已开始，此后一直在确立相关技术。
2010年6月村田制作所正式宣布试制完成了输出功率为3W的送电模块及受电模块。
同年10月在“CEATECJAPAN2010”上参展，并在村田制作所的自行车机器人“村田顽童TypeECO”上配备了该技术。
与此同时还上市了输出功率为2W的评测套件。
之后，村田制作所决定对送电模块及受电模块实施量产（图2）。
模块面向平板终端充电用途，输出功率为10W。
另外，还预定2011年推出配备该送电模块及受电模块的供电装置（图3）。
图2：
将于2011年秋季量产10W产品
村田制作所将面向平板终端使用的充电座，量产输出功率为10W的送电模块及受电模块。
模块中最厚的部分是变压器。
图3：
供平板终端使用的产品不久即将亮相
村田制作所预定2011年内上市供平板终端使用的无线供电台。
系统整体效率约为70％，可应对最大40mm的水平错位。
照片中的是2010年村田制作所发表新闻资料时的试制品。
该装置通过在平板终端的背面装上内置有电极的外套来实现无线供电。
受电模块收放在外套的下部。
另外，在供电台上嵌入电极和送电模块，可将外套放在供电台上使用平板终端。
电力传输效率可确保达到70％。
通过电场传输电力
下面介绍一下村田制作所开发的电场耦合式无线供电技术的概要。
其基本构成如图4所示。
下面称为“振荡器”的部分为送电侧，称为“负荷”的部分为受电侧。
利用通过使两组非对称偶极子沿垂直方向耦合而产生的感应电场来传输电力。
图4：
电力传输需要使用两组电极
村田制作所的电场耦合方式利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力。
其基本原理为：
在图4中以淡蓝色标示的部分产生强感应电场，通过电场将电力从送电侧转移到受电侧。
村田制作所已获得了这种构造的专利（专利号：
PCT/FR2006/000614）。
村田制作所的方法的特点在于非对称偶极子，需要两组电极。
村田制作所将其称为activeelectrode和passiveelectrode。
passiveelectrode主要起着接地作用。
系统通过组合这些电极来传输电力。
在系统的构成部件方面，与电磁感应方式和磁场共振方式等其他无线供电技术相比，电源部分相同。
受电模块配备降压电路及整流电路，向充电池及设备供应电力。
电场耦合方式与其他方式相差较大的地方是各部分的电压推移变化（图5）。
比如输入电压为5V的AC适配器，在向送电模块供应电力时，首先由放大器略微提高电压，然后通过升压电路一举提高至1.5kV左右。
以这一电压传输电力后，再利用降压电路及整流电路转换成实际使用的直流电压。
电源电路的开关频率为200k～400kHz，由此构成系统。
图中列出了电场耦合方式的各部分的电压推移变化。
最大特点是通过升压电路将电压提高至1.5kV来传输电力。
实现位置自由
电场耦合方式的特点大致有三：
①充电时可实现位置自由，②电极薄，③电极部的温度不会上升。
首先来看第一个特点，即位置自由。
虽然不能像磁场共振方式那样以数m的较长距离来传输电力，但水平方向的位置自由度较高。
比如，用户将便携终端随意放置在供电台位上即可充电。
这有助于提高用户便利性。
实际上，与电磁感应方式比较一下的话，这一不同就会清楚无疑（图6）。
当电极间的错位（dz/D）为1时，送电侧与受电侧的电极及线圈几乎不重叠，处于大幅错位状态。
从图中便可一目了然，电场耦合方式即使电极有相当于1的错位，传输效率也只下降了20％。
由此便可得知，电极间错位较少时，该方式的传输效率只会下降10％左右。
图6：
实现出色的位置自由度
图中比较了电场耦合方式与电磁感应方式对水平错位的效率变化。
而电磁感应方式则不同，送电线圈与受电线圈的中心必须完全吻合。
稍有错位的话，传输效率就会急剧下降。
因此，采用电磁感应方式的业界团体WPC制定的“Qi”规格为实现位置自由而不得不绞尽脑汁。
比如，排列大量送电线圈，并用马达驱动送电线圈。
而电场耦合方式只凭简单构造即可应对错位问题，因此不仅能够提供便利性，而且还可降低系统成本。
设计自由度高的电极
电场耦合方式的第二个特点是电极薄。
可以说，能够减薄到无论多么薄都没关系的程度。
因此容易嵌入机器，可支持多种机器。
比如在配备到薄型化要求极高的智能电话上时，只粘贴1.5cm见方、厚5μm左右的电极材料（比如铜箔）即可（图7）。
图7：
嵌入智能电话后盖的示例
由于可使用极薄的电极，因此容易嵌入智能电话等。
电极不一定非要是四方形，任何形状都可以。
另外，还可制成多种形状。
没有必要非制成四方形不可，也可以是三角形、圆形及细长的电极。
电极使用的材料也可随意，导电体的话最好，除铜箔外还可使用铝箔、透明电极、薄膜及镀金等材料。
因此可以说，在嵌入多种构成及大小的机器时，设计自由度较高。
第三点是电极部分的温度不会上升，这也是很重要的特点（图8）。
村田制作所在与客户讨论的过程中，经常谈及热对策的重要性。
由于温度不会上升，因此能够将电极部分接近容易受热劣化的电池组来配置。
图8：
电极部分的温度不会上升
由于电极部分不会发热，因此即使靠近电池组来配置，电池受热劣化的可能性也很低。
至于电极部分缘何不发热的原因如图5所示，这与提高电压有很大关系。
由于将电压提高到了1.5kV左右，电极部分流过的电流只有数mA左右，因此在原理上抑制了发热的致因。
当然，送电模块及受电模块由于配备有电源电路，电源电路的电力损失会变成热，因此仍会发生10～20℃左右的热量（图9）。
不过，这一点在设计阶段即可采取对策，比如将送电模块及受电模块远离电池组来配置。
（未完待续，特约撰稿人：
家木英治，村田制作所技术事业开发本部本部长，乡间真治，村田制作所技术事业开发本部
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