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采用多模设计无线充电兼顾效率与便利性

发布时间:2019-12-01 17:29:37

采用多模设计 无线充电兼顾效率与便利性

兼容不同无线充电技术优势的多模方案将成未来主流。针对当前无线充电技术尚无统一标准,且各标准阵营在技术上各有优缺点,业界已兴起采用多模方案以解决不同标准间的兼容问题,并让无线充电产品可提供兼具充电效率与空间自由度的使用体验。

无线充电技术的解决方案,包含磁感应(MI)和磁共振(MR)两种技术,不论消费市场的走向为何,无线充电已成为必然趋势。接下来的几年内,无线充电主要将由厂商推动,并开始渗透市场;随后,生态系统健全的计算机市场将会跟进,并带来无线充电技术的成长,自此开始,无线充电将发展为支持及计算机的解决方案。当前已有许多针对无线电源采用率及潜在总体有效市场(TAM)之报告与研究,但要提供准确的市场信息并不容易,因为在这些预测中,采用率和技术的选择是关键参数。磁感应技术主要有两种标准:无线充电联盟(WPC)和电力事业联盟(PMA),这两种标准皆已相当成熟,且消费市场已有多种使用中的产品。

无线电力联盟(A4WP)是磁共振的第一个标准,值得注意的是,英特尔(Intel)的磁共振无线充电技术是为自有的超轻薄笔记本电脑和生态系统设计;其他如在工业及军事领域已建立其地位的PowerbyProxi和WiTricity也开始进入消费市场。

要解答标准和解决方案对无线充电技术未来方向的影响,首先须了解MI和MR技术上的不同,完全理解并熟悉应用/系统的需求后,就可选择特定应用的解决方案。

解决电池容量瓶颈 无线充电应用抬头

移动解决方案率先于消费市场采用无线充电技术。因为有长程演进计划(LTE)技术,通讯速度和带宽至少在未来几年内不会遇到瓶颈。方便性是消费市场中推动移动解决方案的关键要素之一,不同的移动解决方案,如、平板计算机、多媒体播放器和移动电视等,需要不同的变压器和连接器接口,因此要为移动装置充电,须要携带很多连接器和变压器,若有通用的无线变压器加上完整基础设施和生态系统,就可满足此需求,在汽车、咖啡店、图书馆、餐厅、火车、飞机、办公室、会议厅等地点都能随时无线充电,可带来众所期盼的方便性。

每2年移动解决方案的外观、性能和各种功能便会升级,而这些升级迫使电源需求、连接器和接口产生变化,因此需要新的变压器。这些变化和升级也因淘汰和弃置现有变压器而造成浪费,若能免去各种变压器和连接器并采用标准无线充电,将能协助减少电子废弃物,并提升移动设备的“绿色资历”。

另一个重要因素是移动解决方案的技术升级,如采用1,080p和3D等显示技术。移动解决方案将增加采用高解析的显示技术,该显示技术受到高效能图形控制器和多核心中央处理器(CPU)的支持;此外,整合日益增加的各种移动解决方案技术,包括3D全球卫星定位系统(GPS)解决方案、高效能影音技术、近距离无线通信(NFC)技术、可携式电视及高效能游戏,这些功能将会提高装置电池电源的需求。

移动解决方案的电源通常是锂离子(Li-ion)聚合物电池,其能源密度达到饱和已经数年。锂电池在技术升级和向不同金属转移所提升的效能和寿命,已无法满足增加的电源需求,同时电池必须维持在小尺寸,以符合移动解决方案的应用需求。因为单位体积的电池容量已达极限,解决方案将须要达到更高的电池容量,或提高充电频率。

在移动解决方案尺寸缩小的同时,较高容量的电池将影响解决方案整体尺寸和成本;另外须要注意的是,较高容量的电池需要更快速的充电效率,而在维持电池生命周期和所需寿命条件时会产生化学变化,因此,提高充电效率似乎是更显而易见的解决方案。

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络匹配。在MR和MI技术中,匹配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(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()。

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。

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