技术原理影响MI/MR应用领域 - 采用多模设计无线充电兼顾效率与便利性

　　技术原理影响MI/MR应用领域

　　任何一种须使用电力的应用都可能采用无线充电方案，然而要如何选择采用MI或MR无线充电技术，则须要先检视二者的基本原理。

　　MI 和MR在技术架构上有很多相似之处，例如两者皆使用磁场做为电力传输的桥梁，同时电流都会在共振电路感应，产生传输电源的磁场。磁力参数对电磁场如何形成有深远的影响；磁通量可藉由直接使用电磁防护和/或变更磁芯的实际形状加以控制。磁通量的密度和容量则可藉由改善电磁场防护的穿透性加以提升（图1）。

　　

　　图1　无线充电磁场

　　成本和厚度是选择适当电磁防护的关键因素。电流场接收和传输线圈的排列，和两者间的距离，将决定电力传输的效率；传输和接收线圈的距离越大，电力传输的效率越低。其他对能量传输效率有重大影响的因素，还包括共振频率、传输及接收线圈尺寸比例、耦合系数、线圈阻抗、集肤效应、交流（AC）及直流（DC）组件和线圈的寄生。

　　当x、y和z分离且传输及接收线圈的比例角增加时，将对能量的损失和效率产生很大影响。在WPC规格中，对接收器（Rx）线圈在传输器（Tx）上的位置有特定需求，以维持其效率，并达到两线圈间最高耦合系数。但在MR技术方面，摆放位置具有自由度，并可在磁场中放置单一或多个装置，可让用户更为便利；然而，当耦合装置间的间隔距离增加时，对传输效率亦将会产生影响。

　　依照不同需求，包含成本和尺寸的考虑，所有的无线充电技术皆能使用单一或多个线圈解决方案。依据WPC和PMA规格的MI技术，传输电力的频率范围很广。电力传输的共振频率会依负载阻抗选择，因为此变量与MR解决方案相比，Q系数相对较低，仅能在指定的频率和负载阻抗，达到最佳效率。

　　对MR技术而言，因为电力只能由特定共振频率传输，因此Q系数较大，且需要接收器和传输器间极相近的共振阻抗网络匹配。在MR和MI技术中，匹配网络参数的变量须要严格控制，因为会直接影响电力传输。

　　在WPC 1.1标准中，可于100k-205kHz的范围中选择共振频率。在PMA的情况类似，其频率范围为277k-357kHz。然而，近期频率范围已有变更，现在取决于输入供电电压。这些解决方案中，典型的Q系数范围为30-50（图2）。

　　

　　图2　Q系数百分比

　　在A4WP规格的解决方案中，因为频率固定，传输器和接收器间的共振频率和阻抗网络需要更为精准匹配。典型的MR解决方案与MI解决方案相较，需要较高的Q系数（50-100）。

　　电源管理影响无线充电效能

　　高效能电源管理架构的发展，对MR和MI解决方案成功的建置有重大影响。对传输器而言，为了在共振电路感应电流，须进行DC到AC的转换，在MI技术中，会在此转换使用半桥或全桥变频器；而在MR技术中，是透过功率放大器（PA）感应电流。

　　功率放大器的架构和分类会因各应用的频率、静态电流、效率、尺寸、成本和整合需求而有不同，转换时须谨慎考虑如何降低闸极驱动器损失、切换、导电、偏压、内接二极管损失，以及外部组件等效串联电阻（ESR）和等效串联电感的寄生（ESL）。这些是开发高效能整合解决方案所遭遇的部分重大挑战。

　　根据输入电压需求和设计架构流程，制程选择对整合型解决方案优化有重大的影响。系统中有多个控制循环，而完整控制循环的稳定性对高效能解决方案的整体效果有非常大的影响。在MI和MR技术中，可藉由有效的电源管理达到相近的效能和效率。

　　整合蓝牙通讯机制 无线充电管理更精准

　　为成功传输电力，传输器须辨识正确的耦合接收器。在WPC和PMA解决方案中，传输器会定时发出检测信号以搜寻接收器；找到接收器后，即开始进行电力传输。这些解决方案以固定的频率调变进行通讯。其他通讯方法包括振幅、功率、电流和脉冲宽度调变（PWM）。如果传输端和接收端间相符的网络可容忍较大频率变化，则可选择使用这些选项。

　　因为在A4WP磁共振解决方案中，发射及接收端间的网络紧密匹配，所以无法使用频率调变；然而，若负载固定，则可使用振幅调变；如果接收器效能不会被影响，则可使用功率和电流调变。在移动应用中，负载依功能需求有所不同，如果根据上述调变方式开发解决方案可能有困难，且不符尺寸及成本效益。

　　A4WP选择蓝牙（Bluetooth） 或ZigBee做为通讯的标准方法，这些方法非常便利，因为已经存在于移动解决方案中，透过辨识多个接收器，让传输器进行电力传输亦非常便利。然而，要达到这些目的，也可选择其他类似的方法。此外，通讯也可用于通知电力传输的状态，如异物检测（FOD）、耦合状态，甚至校准引导信息（AGI）。磁场中金属异物可能因材料导电性导致温度上升，这是一个非关技术的潜在问题。

　　除了上述原因之外，如负载反射效果、电流感应和调变及解调时机，以及它们在封闭循环系统的影响，是协助维持系统稳定性并确保成功通讯的关键。

　　其他挑战包括符合法规，如加州环保协会（CEA）和美国联邦通讯委员会（FCC）第15和18条的规定，也可能影响系统的整体效率。

　　MI/MR特性大不同 应用需求为选用依据

　　合理的结论是，最适合特定应用的潜在解决方案，将取决于所需要的功能和效能。比方说当无线充电系统需要可在X、Y、Z方向自由放置，或对多个装置同时充电，则磁共振可能会是较佳的解决方案；但如果系统有高效能效率需求，且必须符合严格的标准，则WPC规格的解决方案可能是理想选择。

　　然而，毫无疑问地，能够完美辨识耦合磁感应或磁共振装置，并有效传输电力的多模式解决方案，将是此类应用的理想解决方案。