小功率无线电源及相关方案浅析

　　0 引言

　　随着科学技术的发展，各种便携式电子产品越来越多，现代的无线技术使它们变得越来越轻便，越来越容易联网，似乎把数字时代迅速地发展到了无线时代，然而电源线妨碍了我们进入这个无线时代。

　　在现实生活中，每个电子产品都有一个与之匹配的充电器，每年全球设计、生产、使用、制造、运输乃至回收数以十亿计算的电源适配器引发了一系列的问题，既增加产品的成本，又浪费资源、不利于环保，给使用者带来了相当大的困惑。具有统一标准的无线电源技术能够方便地解决这一系列的问题。

　　1 无线电源技术现状

　　无线电源技术是一种利用无线电技术传输电力能量的新技术，电能可以无接触地传输给负载。早在20 世纪70 年代美国就有相当多的人在研究这个问题了，但国内研究的人极少。2008 年12 月17 日，由Convenient Power Limited、Fulton Innovation LLC、Logitech SA、国家半导体、奥林巴斯、飞利浦、三洋、桑菲电子和德州仪器等公司成立了全球首个推动无线充电技术标准化的无线电源联盟（Wireless PowerConsortium，简称WPC），之后三星和诺基亚也加入到这个联盟。2009 年1 月，全球无线电源联盟首次会议在香港科学园召开，并启动了提高电子产品充电便利性的最新全球计划。2010 年7 月23 日，该联盟制定了Qi 标准，确定了低功率（不超过5W）技术规范，定义了界面规范、测试程序以及最低性能，2010 年8 月14 日认证了第一批产品。2010 年8 月31 日，WPC 将Qi 标准正式引入中国，并开始了在国内的推广，之后WPC 陆续在香港和欧美多个城市，举办了标准发布活动。目前Qi 标准已被WPC的126 家行业领先成员公司支持并采用，其中有30%是中国公司，包括海尔、华为和桑菲通信等。

　　2 无线电源技术原理

　　无线电源技术是一种利用无线电传输电力能量的技术，它要求传输效率尽可能高，传输功率尽可能大，这样才能满足对电力的需求。其研究应用领域涉及广泛，传输功率相差较大，小到用于生物移植的几十毫瓦、小型设备几十瓦功率，大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率以及磁悬浮列车应用的上兆瓦功率。目前存在三种解决技术：电磁感应技术、无线电波技术和电磁共振技术。

　　2.1 电磁感应技术

　　此技术类似电力系统中常用的变压器技术。在变压器的原边通入交变电流，副边由于电磁感应原理会产生感应电动势，若副边电路连通，即可出现感应电流，其方向遵从楞次定律，大小可由麦克斯韦电磁理论解出。相对于无线电源而言，变压器的原边相当于电源发射线圈，副边相当于电源接收线圈，这样就可以实现电能从发射线圈到接收线圈的无线传输。这种非接触式无线电力传输方式制造成本较低、结构简单、技术可靠、传输功率可从几瓦到几百瓦。

　　但是传送距离小于1cm，被充电产品必须置于充电器附近，充电器必须具备对被充电产品进行辨识的能力，否则会向附近任意金属传输能量，导致其发热并产生危险。

　　2.2 电磁共振技术

　　这种技术基于电磁共振耦合原理，需要的发射和接收两个共振系统可分别由感应线圈制成。通过调整发射频率使发射端以某一高频率振动，其产生的不是弥漫于各处的普通电磁波，在两个线圈间形成一种能量通道。接收端的固有频率与发射端频率相同，因而发生了共振。随着每一次共振，接收端感应器中会有更多的电压产生。经过多次共振，感应器表面就会集聚足够的能量，这样接收端在此非辐射磁场中接收能量，从而完成了磁能到电能的转换，实现了电能的无线传输。这种非接触式无线电力传输方式传输功率可达几千瓦、传送距离可达3~4 米，但是必须对所需频率进行保护，在几米范围内进行传输需要几MHz 到几百MHz 的频率。

　　2.3 无线电波技术

　　这种技术是利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，系统由电磁波发生器、发射天线、接收天线、高频电磁波整流器、变电设备和有线电网组成。

　　电磁波发生器是微波源或激光器，把电源传送的电能转变为大功率、高频的电磁波，馈送给发射天线；发射天线将电磁波发送出去；接收天线收集电磁波的能量并输入高频电磁波整流器，产生的高压直流电经逆变后送入有线电网。这种非接触式无线电力传输方式传送距离可达10m，但是传输功率小（最高100mW）、功效低，发射器无线电波发送的大量功率以无线电波的方式被浪费掉。

　　3 目前小功率无线电源技术解决方案

　　3.1 TI 公司无线电源技术解决方案

　　2011 年德州仪器（TI）推出业界首款符合Qi 标准的5V 无线电源解决方案，可保证与其他满足Qi标准器件的互操作性。该方案是由无线电源发送器（bq500210/bq500110，bq500210 的数字解调信号处理技术与bq500110 模拟解调电路系统相比，可大幅减少总体系统组件） 和无线电源接收器（bq51013/bq51011） 两部分组成。此器件不但提供AC/DC 电源转换，同时还集成符合Qi 通信协议标准所需的数字控制功能。bq5101x 接收器与bq500x10 发送器控制器相结合，可为无线电源解决方案实现完整的非接触式电源传输系统。嵌入在便携式设备中的接收器线圈采用近场感应电源传输，可通过相互耦合的电感器接受发送器发送的电源，可支持高达5W 的应用。bq5101x 接收器集成了一个低阻抗完全同步整流器、低压降稳压器、数字控制和精确电压与电流环路，整个功率级均采用低电阻NMOSFET 技术确保高效率与低功耗。TI 无线电源系统框架如图一所示。

　　3.2 IDT 公司无线电源技术解决方案

　　2012 年，IDT （Integrated Device Technology）公司推出全球首个真正的单芯片无线电源发送器和业界最高输出功率的单芯片接收器解决方案。与现有解决方案相比，IDT 的高集成多模式发送器可减少80%的板面积和50%的解决方案材料清单成本。更多功能的多模式接收器输出功率为通常使用解决方案的两倍，可将充电时间缩减一半。IDTP9030 和IDTP9020 提供了无线电源发送器和接收器解决方案，专为满足无线充电联盟的Qi 标准而设计，可保证与其他满足Qi 标准器件的互操作性。发送器和接收器均能够进行“多模式”操作，可支持Qi 标准和专用格式，以增加功能、改进安全和提高功率输出能力。内置的协议检测可实现Qi 与专用模式间的动态转换，从而实现平稳过渡和可靠的用户体验。这些器件可用于大量移动应用，以进行便利和轻松的电池充电。IDTP9030 是如今集成度最高的无线电源发送器。它将大量分立元件的特征和功能结合成一个简单、具有成本效益且高效的解决方案。集成最大程度地将应用面积和元件数量降至最低，让客户可以设计和部署更多紧凑的、具有成本效益和交通便利的无线充电站。IDTP9020 是一个高效率的单芯片无线电源接收器。在Qi 模式时，该器件为系统传递高达5W 的功率。当与IDTP9030 发送器在专用配置使用时，它可传递高达7.5W 的功率，让器件适用于强大的移动器件。IDTP9020 和IDTP9030 还拥有专利的多层次异物检测（FOD），利用精密的多参数算法以保证高水平的安全，同时避免FOD 误报。IDT 的解决方案拥有过温、过压和过流保护，可提供市场上最全面的保护功能，从而保证安全和可靠的操作。此外，当不能使用无线充电站时，接收器还可支持USB电缆充电，在移动设备中不再需要USB 适配器转换器。TI 无线电源系统框架如图二所示。

　　4 小功率无线电源技术发展前景

　　无线电源系统是采用无线充电技术充电的系统，与传统的相比有以下优点：（1）形成一个便携式消费电子产品充电的通用平台；（2）减少了生产和制造包装传统充电器的资源能量消耗以及运输这些传统充电器的交通运输的能量消耗；（3）减少了大量的废弃的、有毒的、不能生物分解的充电器形成的电子垃圾；（4）减少处理、清洁这些废弃的传统的充电器形成的电子垃圾的人力、资源和能量的消耗。

　　小功率无线电源传输的需求前景非常明朗，Qi标准已开始得到广泛采用，无线电源充电技术正在向着成为主流技术的方向前进，该技术将会无处不在。据无线充电联盟内部统计，未来几年中无线充电技术将在手提电话、PMP/MP3 播放器、数字照相机、笔记本电脑等产品领域得到快速应用。2013 年全球无线充电潜在市场容量接近140 亿美元，到2014 年无线电源充电解决方案市场将增长70 倍，接收器的出货量将达到2.4 亿台。支持无线充电功能的设备将由2012 年的500 万部增至2015 年的1亿部以上。根据研究公司Pike 的报告，到2020 年，整个无线充电行业的产值将比2012 年翻三番，达150 亿美元。

　　5 结束语

　　无线电源技术真正的商业化于我们的生活才刚刚开始，具有巨大的市场潜力。到目前为止，尽管很多知名的大公司已经成立了无线电源联盟，但是无线电源作为一种相当新的技术，它必将引起消费者对安全问题的担忧。一般而言，电磁辐射和安全性将成为最重要的问题。因此，该技术必须消除与最终用户安全性有关的所有疑问，围绕无线电源技术建立一个良好运转的生态系统，促使该技术成为主流。