在設計無(wú)線(xiàn)充電系統時(shí)，影響設計的關(guān)鍵考慮因素通常是用戶(hù)體驗、效率、功率大小、標準 、元件選擇/可用性和成本。一個(gè)設計良好的系統可以提供諸多好處，從改進(jìn)的功能（比如智能手機不再需要插電）到支持新的技術(shù)（比如放在放射性環(huán)境中的傳感集中器，在這種情況下無(wú)法通過(guò)有線(xiàn)充電，而且人機交互也是不安全的）等等。使用磁場(chǎng)耦合技術(shù)的無(wú)線(xiàn)充電系統從19世紀00年代晚期就已經(jīng)出現了，但直到最近元件、芯片和系統架構的最新進(jìn)展才使得工程師能在他們的設備中真正實(shí)現實(shí)用的無(wú)線(xiàn)充電系統來(lái)改善用戶(hù)體驗。下面讓我們討論一下有關(guān)無(wú)線(xiàn)充電設計的前五個(gè)要素。

 

 

用戶(hù)如何與設備交互是每個(gè)優(yōu)秀的工程師在項目啟動(dòng)時(shí)要問(wèn)的最基本問(wèn)題之一?？蛻?hù)需要快速充電嗎？需要對準方面的靈活性嗎？是不是要求發(fā)熱量低？需要長(cháng)距離充電嗎？需要大功率嗎？每個(gè)發(fā)射器需要多個(gè)接收器？需要很小的外形尺寸嗎？

 

所有這些選項都是可以滿(mǎn)足的，但通常需要進(jìn)行折衷考慮。例如，大功率和低發(fā)熱量并不總是能夠同時(shí)滿(mǎn)足。距離和效率基本上是背道而馳的。因此在為某種設備設計無(wú)線(xiàn)充電系統時(shí)理解用戶(hù)需要什么以及如何對這些需求排定優(yōu)先級是很重要的第一步。

 

 

在用于衡量無(wú)線(xiàn)充電系統性能的指標中，效率永遠是第一位的。天生高效的系統可以提供更遠的距離、更好的方向靈活性、更低的發(fā)熱量、更小的尺寸以及更小的電源漏電流。下面是無(wú)線(xiàn)充電系統中對效率有決定性影響的三個(gè)主要模塊：

圖1：無(wú)線(xiàn)充電系統的三大模塊

 

如果所有三個(gè)模塊都工作在最低的估算效率（即圖中所示的80%，70%和80%），那么總的系統效率約等于45%。對于一個(gè)5W的設備來(lái)說(shuō)，需要用11W的發(fā)射功率才能提供全速充電，大約6W消散于設備本身（作為熱量散發(fā)掉）和周?chē)h(huán)境中，包括空氣、裝置和人體組織。在低功率情況下，這也許是安全和可接受的。但在較高功率時(shí)，比如電動(dòng)汽車(chē)的充電，此時(shí)典型的充電功率至少要5kW，那么有6kW要損失在發(fā)射器、汽車(chē)和周?chē)h(huán)境中，因此會(huì )引起嚴重的發(fā)熱和安全問(wèn)題。

 

當無(wú)線(xiàn)充電系統的所有三個(gè)模塊都工作在最高估算效率（即95%，90%和95%）時(shí)，總的系統效率大約為82%。在這種情況下，一個(gè)5W的設備只需發(fā)射器提供約6W的充電功率，只有1W因無(wú)效而損失掉。為了提高系統效率，設計師應專(zhuān)注于高效率元件，提高發(fā)射器與接收器之間的耦合程度。

 

使用磁場(chǎng)耦合的無(wú)線(xiàn)充電系統可以給從毫瓦到千瓦級的設備充電。對于毫瓦級設備來(lái)說(shuō)，能量收集或射頻無(wú)線(xiàn)功率也許是更具吸引力的充電方案。設備的功率要求將決定你的元件選擇、可以在設計上跟你合作的公司以及設備尺寸。

 

 

在電子設備的無(wú)線(xiàn)充電方面目前已有多種標準，包括無(wú)線(xiàn)電力聯(lián)盟（A4WP）、電力事件聯(lián)盟（PMA）和無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟（WPC）。這些標準組織存在的目的就是提供發(fā)射器和接收器之間的互操作性平臺，同時(shí)為滿(mǎn)足法規要求的產(chǎn)品和元件創(chuàng )新提供指導。

 

如果你的設備要求互操作性（用戶(hù)需要在機場(chǎng)或當地咖啡店充電嗎？），那么你的設計就應該圍繞某個(gè)標準展開(kāi)。一般來(lái)說(shuō)，A4WP針對“松散耦合”系統提供了技術(shù)上最先進(jìn)的解決方案，WPC則擁有商用化程度最高的開(kāi)發(fā)工具和組件，但它是“緊密耦合”系統（至少現在是這樣）。PMA正在與A4WP合并，為它的共享標準提供“緊密耦合”技術(shù)。

 

如果你的設備不要求互操作性，用戶(hù)的設備總是使用同一種發(fā)射器，那么你就能靈活地開(kāi)發(fā)私有、封閉的解決方案。當然，這種情況下利用標準組織推薦的現成組件和技術(shù)仍然具有重要意義，至少在開(kāi)發(fā)方便性和資源可用性方面給你提供了一個(gè)很好的起點(diǎn)，不過(guò)你不必非要滿(mǎn)足全部的標準規范。如果你的設備滿(mǎn)足自己的要求，并且在法規范圍之內，你的設計就是成功的。

 

 

由于效率為王，而元件又決定了效率，那么在選擇元件時(shí)了解你自己的想法就非常重要了。在無(wú)線(xiàn)充電領(lǐng)域中，開(kāi)發(fā)高效率、前沿技術(shù)的元件公司有許多。舉例來(lái)說(shuō)，宜普（EPC）公司開(kāi)發(fā)的增強型氮化鎵（eGaN）晶體管具有高效率的開(kāi)關(guān)性能，可以用來(lái)實(shí)現高性能的功率放大器。在天線(xiàn)方面，NuCurrent公司開(kāi)發(fā)的天線(xiàn)結構可以實(shí)現高效率、高度靈活的小型天線(xiàn)。與此同時(shí)，像IDT、博通、TI和其他一些IC公司正在開(kāi)發(fā)可以支持多種標準、各種功率電平和小型尺寸的IC.因此可選的余地很大，如果你是無(wú)線(xiàn)充電設計的新手，最好的方法是與元件供應商或設計咨詢(xún)公司一起合作，因為他們理解無(wú)線(xiàn)充電的前景，可以幫助你快速跟蹤設計需求，并把你介紹給戰略開(kāi)發(fā)合作伙伴。