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1.手機無線充電系統(tǒng)原理

(相關資料圖)

手機無線充電系統(tǒng)應用電磁感應理論，在空間形成變化的電磁場將發(fā)射端的電能傳送到手機電池，即通過電磁感應使線圈中的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電流來充電，不是通過相應的物理連接，如下圖所示。換言之，手機無線充電設備就是讓充電和被充電設備之間充滿磁場，以此來利用磁場的變化產(chǎn)生電能。雖然手機充電器和手機之間并沒有實際性的直接接觸，但是通過磁場耦合在線圈中會形成電流和電壓，也就是說系統(tǒng)是通過一對距離相對較近的耦合線圈來實現(xiàn)電和磁的能量轉(zhuǎn)化。

根據(jù)法拉第電磁感應定律，閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線的運動時，導體中就會產(chǎn)生電流，這種電流稱為感應電流，生成的電動勢即為感應電動勢。當閉合線圈的面積不變，改變磁場強度時，磁通量也會改變，主要強調(diào)變化二字，也就是頻率。高頻交流電的頻率越高，系統(tǒng)傳輸?shù)哪芰恳矔S之提高，具體可通過提高原邊線圈的電流變化率，使得原邊和副邊線圈的電磁感應強度增強，耦合度增加，提高了傳輸效率，同時也降低了系統(tǒng)損耗，但是頻率如果過高，又會增強系統(tǒng)的電磁輻射，使得在設計電磁屏蔽的時候難度會更大。所以有必要對系統(tǒng)發(fā)射端結(jié)構(gòu)和接收端結(jié)構(gòu)進行補償。

這種耦合式的手機無線充電原理和傳統(tǒng)的變壓器原理類似，不同之處在于耦合程度不一樣，傳統(tǒng)的變壓器耦合是緊耦合，因為傳統(tǒng)變壓器原邊和副邊線圈在同一個磁芯上，因此位置相對于來說比較固定，系統(tǒng)的靈活性較差。但是手機無線充電系統(tǒng)體積和變壓器不一樣，體積必須要小，才能更好的應用在手機中，讓手機看起來更加美觀。另外手機和變壓器不一樣之處在于手機位置會比較靈活，所以松耦合更加適合手機充電系統(tǒng)，和傳統(tǒng)變壓器相比，不滿足變壓器原副邊線圈中電壓和電流的匝數(shù)比。因此會產(chǎn)生另外一個問題，即在空氣磁阻上浪費很大的能量，也使得目前手機無線充電系統(tǒng)的效率不及有線充電，所以手機無線充電系統(tǒng)的設計就會比傳統(tǒng)的變壓器更加復雜。

2.無線電能傳輸方式

2.1電磁感應方式

電磁感應技術也稱磁感應耦合(Magnetic Inductive Coupled Wireless Power Transfer，MICPT)技術，是最早進入產(chǎn)品化的技術，也是目前發(fā)展較為成熟的無線充電技術。其系統(tǒng)框架如下圖所示。首先，將220V交流電整流，后經(jīng)過一級或多級降壓，獲得目標直流電壓；然后，經(jīng)過高頻逆變器將直流轉(zhuǎn)換為高頻交流電送至原邊發(fā)射線圈處；然后，原邊發(fā)射線圈與副邊接收線圈之間經(jīng)過感應耦合磁場將電能傳輸至副邊接收線圈；然后，副邊接收線圈將感應電動勢經(jīng)過整流穩(wěn)壓濾波電路，整理為直流電；最后，經(jīng)由電源管理電路給負載供電。

目前，MICPT技術是實際投產(chǎn)于無線充電中應用最廣泛的技術。不僅應用在電動牙刷、手機、平板電腦等數(shù)瓦、數(shù)十瓦級的小功率電子設備的充電中，還應用于工業(yè)機器人、電動汽車、軌道交通等數(shù)百瓦、數(shù)千瓦級的大功率用電設備的充電中。但是電磁感應式在實際應用中需要原副邊線圈對正，即原邊發(fā)射線圈與副邊接收線圈在三維空間中要做到平面平行且基于中心點分布；否則，充電效率將大幅降低。而且，兩線圈垂直距離不能過大，其有效充電距離僅有數(shù)毫米至數(shù)厘米之間。

2.2電磁輻射方式

電磁輻射技術又稱微波輻射(Microwave Wireless Power Transfer，MWPT)技術，其實現(xiàn)途徑是通過空間電磁波的定向輻射來實現(xiàn)電能的傳輸。電磁輻射式的主要工作原理如下圖所示。功率放大器將輸入的直流功率放大為射頻功率，然后送至原邊發(fā)射天線處，由原邊發(fā)射天線通過遠場電磁波的輻射將能量發(fā)送至副邊接收天線；然后，由副邊接收天線將電磁場攜帶的能量接收，再由整流穩(wěn)壓濾波電路，將能量整理為直流電為負載供電。

由上述MWPT技術工作原理可以看出，電磁輻射技術適用于遠距離，甚至超遠距離的電能傳輸，且傳輸功率大，電磁波在自由空間內(nèi)的損耗小等優(yōu)點。但是，將直流功率放大為射頻功率，功耗大，且設備費用高，維護成本高。而且，眾所周知，射頻信號對于人體傷害大，對電子設備內(nèi)的其他組件干擾高，其僅適用于航天、衛(wèi)星、軍事等特殊領域的充電中。所以，電磁輻射技術并不適用于民用手機等電子設備的充電領域。

2.3電場耦合方式

電場耦合(Electrical-field Coupled Power Transfer，ECPT)技術，其主要實現(xiàn)途徑是通過兩組電容極板間的高頻電場耦合來實現(xiàn)電能的傳輸。電場耦合式的主要工作原理如下圖所示。高頻逆變器將輸入的直流電能轉(zhuǎn)換為高頻交流電，然后將高頻交流電送至原邊金屬板，然后，在高頻交流電的作用下原邊金屬板與副邊金屬板間形成交互電場，并在此交互電場的作用下產(chǎn)生位移電流，實現(xiàn)電能的傳輸。副邊金屬板將此能量撿起后，由整流穩(wěn)壓濾波電路將能量整理為直流電，經(jīng)由電源管理電路給負載供電。

由上述ECPT技術工作原理可以看出，其不需要形成閉合回路便可以實現(xiàn)無線充電過程，所以，其電磁輻射小，損耗低。但是兩組金屬板極板間的等效電容較小，且金屬板的體積較大。

2.4磁耦合諧振方式

磁耦合諧振(Magnetic Resonance Coupled Wireless Power Transfer，MRCPT)技術，相比于前文所述MICPT技術，該技術的起步較晚，其主要實現(xiàn)途徑為原副邊功率線圈在相同的諧振頻率產(chǎn)生強耦合磁場來實現(xiàn)電能的傳輸，磁耦合諧振式的主要工作原理如下所示。首先，將家庭用220V交流電整流，后經(jīng)過一級或多級降壓，獲得目標直流電壓。然后，經(jīng)過高頻逆變器將直流轉(zhuǎn)換為高頻交流電送至原邊諧振網(wǎng)絡，經(jīng)由諧振網(wǎng)絡將直流功率放大轉(zhuǎn)化為高頻能量，將高頻能量傳遞至原邊發(fā)射線圈，通過原邊發(fā)射線圈與副邊接收線圈在相同的諧振頻率下激發(fā)強耦合磁場將能量傳遞至副邊接收線圈。然后，副邊接收線圈接收的能量，通過副邊諧振網(wǎng)絡后，傳遞至整流穩(wěn)壓濾波電路，經(jīng)由整流穩(wěn)壓濾波電路整理為直流電，最后，通過電源管理電路給負載供電。

MRCPT不僅可以實現(xiàn)數(shù)瓦小功率至數(shù)千瓦大功率的電子設備供電，而且，其傳輸距離也可從數(shù)厘米至數(shù)米。該技術無論傳輸距離、傳輸功率還是傳輸效率均適中，因此，MRCPT技術是近年來研究的熱點，也被認為是未來無線充電供電技術主要的突破點和研究方向。

以上介紹了四種無線充電方式的原理，現(xiàn)在針對這四種技術各自的優(yōu)缺點進行整理總結(jié)和比較，具體如下表所示。

3.無線充電標準

目前全球一共有3個無線充電的標準組織，它們相互獨立發(fā)展且相互影響。大多數(shù)公司同時加入了這三個無線充的標準組織，由于不確定這三個組織誰能取得最終的勝利，因為它們各自的標準利弊不同，所以許多公司就全部參加。

但是如今WPC(無線充電聯(lián)盟)仍是最有影響力的標準，WPC組織目前已經(jīng)擁有兩百多會員，其中TI，Philips，Nokia，CP等在里面有很重要的作用。Qi是WPC的Logo，它是漢字“氣”的諧音。現(xiàn)在市場上已經(jīng)有符合WPC標準的小功率充電設備并且已經(jīng)被量產(chǎn)。

PMA(Power Matters Alliance)無線充電標準組織聯(lián)盟的主導者是Powermat。此充電標準和WPC有一些相似之處，工作頻率是兩者之間最大的不同之處。據(jù)說是Starbucks Coffee(星巴克咖啡)支持了此組織。WiFi現(xiàn)在能夠火起來也是因為Starbucks Coffee(星巴克咖啡)給顧客提供免費的WiFi可以上網(wǎng)。如今他們也想用同樣的方式來推動無線充電的發(fā)展。但是現(xiàn)在還沒看出特別明顯的效果。

最后一個是A4WP(Alliance for Wireless Power)無線充電標準組織。這三個組織的英文意思大致都是無線充電聯(lián)盟，差別在于所用的英文單詞不是完全相同。高通(Qualcomm)與三星(Samsung)是A4WP的主導和發(fā)起者。之后Intel也加入了進來。前面兩個無線充電標準WPC與PMA可以完成的無線充電距離在10 mm以內(nèi)，這個距離比較小，超過這個距離將導致充電效率下降很多，因為他們設計的是感應式無線充電。而A4WP這個標準主要做的無線充方式是共振式的，這種充電方式實現(xiàn)的充電距離比較遠。據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，A4WP設計的無線充電方式在給手機充電時可達到的距離為45mm。但A4WP需要的頻率比較高，最少要6.8MHz，采用2.4G的藍牙進行通信。

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