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关键字：无线充电

简介：

首先，让我们来想想为什么无线充电开始流行起来。我们认为主要的驱动因素是方便，特别是针对经常使用，需要频繁充电的移动产品。无线充电使充电过程像将物体放在桌子上一样简单。目前该技术还是在不断普及的过程，但是我们希望在几年内，许多公共场所、办公室、汽车和住宅都安装了充电设备，这样就不用带电池充电器了。目前苹果、Intel等公司，都在寻求该领域的技术突破，并期望在Iphone或者笔记本电脑上使用该技术。

今天我们就一起来看看无线充电的当前现状。

让我们一起来看看目前大家都在用无线充电技术都在做什么？先看看WPC标准，我们可以在该网址：https://www.wirelesspowerconsortium.com/products/search/ 看到各个公司最新设计的符合QI标准的无线充电产品。我们一起来看看几个最新产品：

带无线充电的面板：

后装车载无线充电器：

前装车载充电器：

无线充电时钟收音机：

无线充电移动电源：

不久前，三星Galaxy S8发布，其亮点之一便是无线充电。

再看看最新AirFuel Alliance标准的设计方案，我们可以在以下链接中找到最新设计：

http://www.airfuel.org/certified-products/certified-products

iPhone 5/5s背壳：

AirFuel Alliance无线充电移动电源：

从有线到无线，看似只是省掉一条线，但是在工业、医疗、消费类应用中有了非常大的价值：

• 去掉连接器，防水密封更好；

• 避免灰尘和腐蚀问题；

• 灵活的工业设计；

基本原理介绍：

    无线充电包括发射端和接收端，其实就是“电生磁”“磁生电”的过程。对应理论也就是“电流磁效应”和“电磁感应”。

    1819年，丹麦科学家奥斯特实验测试到，一段导线上如果通过电流，四周将会形成磁场，可以让指南针偏转。后人则进一步发现，将导线围成环状，甚至绕成线圈，产生的磁场将会更强、更集中，这称为“电流磁效应”。

    1831 年法拉第发现，让一块磁铁或其他的磁场来源靠近一段没有电流的线圈，线圈上就会产生“感应电流”，称为“电磁感应”。

    这就是“变化电流产生磁场”和“变化的磁场产生电流”。而我们的发端端都是直流供电，不能满足电流变化的要求。因此我们需要采用不同的开关电路拓扑来实现这些电流&磁场的变换。主要拓扑如下：

半桥变换拓扑：

全桥拓扑：

多线圈全桥拓扑：

在实际应用中，电路结构如下图所示：有多个单元电路组合实现：

    两种物理理论同时运用，就可以进行无线充电了。目前无线充电设备，在发射TX部分都包含一个线圈，线圈会因为开关拓扑上面的电流变换产生磁场。

接受设备里面同样也有一个线圈。当他靠近发射TX部分时，交变的磁场会在线圈上面产生电流。电流通过电源管理电路，完成对电池的充电或直接对设备进行供电。

如果只是采用普通的电磁耦合技术，充电距离非常受限，采用QI标准基本只能做到7mm左右。主要影响参数有：线圈之间的距离和线圈大小的比例。

Z：线圈之间的距离；

D2/D:两线圈的直径比；

Q值：线圈的品质因数；

    因此我们可以看出，最高效率点在：同样大小的发射和接收线圈，较近的距离时出现。所以无线充电更确切的叫法应该是：非接触式充电。

最早利用电磁耦合原理的无线充电产品是电动牙刷——电动牙刷由于经常接触到水，所以采用无线充电方式，可使得充电接触点不暴露在外，增强了产品的防水性，也可以整体水洗。

在充电插座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，利用电磁感应的原理来传送电力，感应电压经过整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。

电磁感应方式的特点是传输距离短、使用位置相对固定，但是能量效率较高、技术简单，很适合作为无线充电技术使用。

     为了增加无线充电的距离与充电效率，科学家正在设法利用“磁共振”原理进行无线充电。在电路中加入一些电容和电感等元件，形成“共振电路”。两个振动频率相同的谐振电路靠近，其中一个通电振荡时，另一个电路会自动振荡起来，实现功率传输。该技术将实现更长的传输距离，更高的传输效率。磁共振方式将电能以电磁波“射频”或者非辐射性谐振“磁共振”等形式传输，具有较高的效率和更好的应用灵活性，是目前重点开发的无线充电技术。

    关于无线充电除了功率传输外，功率传输还涉及到发射端与接收端的通信，实现更好的无线充电管理。目前通常的做法是利用磁场载波技术进行通信，QI协议采用接收端到发射端的单向通信方式。

通信协议

通信协议包括模拟和数字声脉冲 (pinging)；身份识别和配置以及功率传输。接收端RX放置在发射端TX上面时出现的典型启动顺序如下：

1、来自发射端TX的模拟 ping 检测到对象的存在。

2、来自发射端TX的数字 ping 为模拟 ping 的加长版，并让接收端RX有时间回复一个信号强度包。如果该信息强度包有效，则发射端TX会让线圈保持通电并进行下一步骤。

3、身份识别和配置阶段期间，接收端RX会发送一些数据包，对其进行身份识别，并向发射端TX提供配置和设置信息。

4、在功率传输阶段，接收端RX向发射端TX发送控制误差包，以增加或者减少电力。正常运行期间，每隔约 250ms 便发送这些包，而在大信号变化期间会每隔 32ms 发送一次。另外，在正常运行期间，电力发送器会每隔 5 秒钟便发送一次电力包。

5、为了终止功率传输，接收端RX会发送一条“终止充电”消息，或者 1.25 秒

时长内都不进行通信。两种事件中的任何一个都会让发射端TX进入低功耗状态。

无线充电标准：

目前主流的无线充电标准有两种：QI标准，AirFuel Alliance 标准（PMA与A4WP合并）。

QI标准：å

                                                                                                                               å

å

    Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟（Wireless Power Consortium，简称WPC）推出的“无线充电”标准，具备便捷性和通用性两大特征。

首先，不同品牌的产品，只要有一个Qi的标识，都可以用Qi无线充电器充电。其次，它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈，在不久的将来，手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电，为无线充电的大规模应用提供可能。 

Qi采用了目前最为主流的电磁感应技术。目前Qi在中国的应用产品主要是手机，这是第一个阶段，以后将发展运用到不同类别或更高功率的数码产品中。截至目前，联盟成员数量已增加到221家，包括飞利浦、HTC、诺基亚、三星、索尼爱立信、百思买等知名企业都已是联盟的成员。

AirFuel Alliance标准：

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原厂方案：

目前无线充电技术供应商主要有两家：IDT 与TI。两家都是基于WPC标准的方案较多。目前发射端TX均是采用单一标准设计，而接收端RX两家公司均开发了双模接收端。所以终端设备如果采用双模接收端RX方案后，兼容性非常好，可以适应于两种发射端。

IDT: https://www.idt.com/products/power-management/wireless-power

TI:

http://www.ti.com/lsds/ti/power-management/wireless-power-receiver-tranitter-solutions-products.page

总结：无线充电对于用户将是体验感和产品工业设计上面的惊喜；对于无线充电产品相关从业人员更是期待已久。技术的成熟，必将推动产业的发展。以目前主流的WPC来看，从WPC成立到现在，芯片集成度越来越高，已经可以做到单芯片SOC方案；功率越来越大，现在可以做到15W的输出功率。除了电磁耦合技术的快速发展，磁共振方案也开始成熟。 市场目前无线充电也已经非常多，手机，手表，智能硬件等等。。现在比较受限于充电端的不普遍，带来的高成本。传闻IPHONE 8将使用无线充电技术，强势的品牌，必然能带动整个产业的发展。当苹果的充电端普及后，（如果协议兼容）就会带动其他无线充电终端产品的快速发展。

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