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1.手機(jī)無線充電系統(tǒng)原理

手機(jī)無線充電系統(tǒng)應(yīng)用電磁感應(yīng)理論，在空間形成變化的電磁場(chǎng)將發(fā)射端的電能傳送到手機(jī)電池，即通過電磁感應(yīng)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(yīng)的物理連接，如下圖所示。換言之，手機(jī)無線充電設(shè)備就是讓充電和被充電設(shè)備之間充滿磁場(chǎng)，以此來利用磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生電能。雖然手機(jī)充電器和手機(jī)之間并沒有實(shí)際性的直接接觸，但是通過磁場(chǎng)耦合在線圈中會(huì)形成電流和電壓，也就是說系統(tǒng)是通過一對(duì)距離相對(duì)較近的耦合線圈來實(shí)現(xiàn)電和磁的能量轉(zhuǎn)化。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，這種電流稱為感應(yīng)電流，生成的電動(dòng)勢(shì)即為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)閉合線圈的面積不變，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，磁通量也會(huì)改變，主要強(qiáng)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?huì)隨之提高，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(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，耦合度增加，提高了傳輸效率，同時(shí)也降低了系統(tǒng)損耗，但是頻率如果過高，又會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的電磁輻射，使得在設(shè)計(jì)電磁屏蔽的時(shí)候難度會(huì)更大。所以有必要對(duì)系統(tǒng)發(fā)射端結(jié)構(gòu)和接收端結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償。

這種耦合式的手機(jī)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?yàn)閭鹘y(tǒng)變壓器原邊和副邊線圈在同一個(gè)磁芯上，因此位置相對(duì)于來說比較固定，系統(tǒng)的靈活性較差。但是手機(jī)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(yīng)用在手機(jī)中，讓手機(jī)看起來更加美觀。另外手機(jī)和變壓器不一樣之處在于手機(jī)位置會(huì)比較靈活，所以松耦合更加適合手機(jī)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(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)問題，即在空氣磁阻上浪費(fèi)很大的能量，也使得目前手機(jī)無線充電系統(tǒng)的效率不及有線充電，所以手機(jī)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就會(huì)比傳統(tǒng)的變壓器更加復(fù)雜。

2.無線電能傳輸方式

2.1電磁感應(yīng)方式

電磁感應(yīng)技術(shù)也稱磁感應(yīng)耦合(Magnetic Inductive Coupled Wireless Power Transfer，MICPT)技術(shù)，是最早進(jìn)入產(chǎn)品化的技術(shù)，也是目前發(fā)展較為成熟的無線充電技術(shù)。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(jí)或多級(jí)降壓，獲得目標(biāo)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(yīng)耦合磁場(chǎng)將電能傳輸至副邊接收線圈；然后，副邊接收線圈將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(fù)載供電。

目前，MICPT技術(shù)是實(shí)際投產(chǎn)于無線充電中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。不僅應(yīng)用在電動(dòng)牙刷、手機(jī)、平板電腦等數(shù)瓦、數(shù)十瓦級(jí)的小功率電子設(shè)備的充電中，還應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、電動(dòng)汽車、軌道交通等數(shù)百瓦、數(shù)千瓦級(jí)的大功率用電設(shè)備的充電中。但是電磁感應(yīng)式在實(shí)際應(yīng)用中需要原副邊線圈對(duì)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(diǎn)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(shù)又稱微波輻射(Microwave Wireless Power Transfer，MWPT)技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)途徑是通過空間電磁波的定向輻射來實(shí)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(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)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(fù)載供電。

由上述MWPT技術(shù)工作原理可以看出，電磁輻射技術(shù)適用于遠(yuǎn)距離，甚至超遠(yuǎn)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(diǎn)。但是，將直流功率放大為射頻功率，功耗大，且設(shè)備費(fèi)用高，維護(hù)成本高。而且，眾所周知，射頻信號(hào)對(duì)于人體傷害大，對(duì)電子設(shè)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(lǐng)域的充電中。所以，電磁輻射技術(shù)并不適用于民用手機(jī)等電子設(shè)備的充電領(lǐng)域。

2.3電場(chǎng)耦合方式

電場(chǎng)耦合(Electrical-field Coupled Power Transfer，ECPT)技術(shù)，其主要實(shí)現(xiàn)途徑是通過兩組電容極板間的高頻電場(chǎng)耦合來實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。電場(chǎng)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(chǎng)，并在此交互電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生位移電流，實(shí)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(fù)載供電。

由上述ECPT技術(shù)工作原理可以看出，其不需要形成閉合回路便可以實(shí)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(shù)，相比于前文所述MICPT技術(shù)，該技術(shù)的起步較晚，其主要實(shí)現(xiàn)途徑為原副邊功率線圈在相同的諧振頻率產(chǎn)生強(qiáng)耦合磁場(chǎng)來實(shí)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(jí)或多級(jí)降壓，獲得目標(biāo)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(luò)，經(jīng)由諧振網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)耦合磁場(chǎng)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(luò)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(fù)載供電。

MRCPT不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)瓦小功率至數(shù)千瓦大功率的電子設(shè)備供電，而且，其傳輸距離也可從數(shù)厘米至數(shù)米。該技術(shù)無論傳輸距離、傳輸功率還是傳輸效率均適中，因此，MRCPT技術(shù)是近年來研究的熱點(diǎn)，也被認(rèn)為是未來無線充電供電技術(shù)主要的突破點(diǎn)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(duì)這四種技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行整理總結(jié)和比較，具體如下表所示。

3.無線充電標(biāo)準(zhǔn)

目前全球一共有3個(gè)無線充電的標(biāo)準(zhǔn)組織，它們相互獨(dú)立發(fā)展且相互影響。大多數(shù)公司同時(shí)加入了這三個(gè)無線充的標(biāo)準(zhǔn)組織，由于不確定這三個(gè)組織誰能取得最終的勝利，因?yàn)樗鼈兏髯缘臉?biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，WPC組織目前已經(jīng)擁有兩百多會(huì)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?，F(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有符合WPC標(biāo)準(zhǔn)的小功率充電設(shè)備并且已經(jīng)被量產(chǎn)。

PMA(Power Matters Alliance)無線充電標(biāo)準(zhǔn)組織聯(lián)盟的主導(dǎo)者是Powermat。此充電標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)镾tarbucks Coffee(星巴克咖啡)給顧客提供免費(fèi)的WiFi可以上網(wǎng)。如今他們也想用同樣的方式來推動(dòng)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(gè)是A4WP(Alliance for Wireless Power)無線充電標(biāo)準(zhǔn)組織。這三個(gè)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(dǎo)和發(fā)起者。之后Intel也加入了進(jìn)來。前面兩個(gè)無線充電標(biāo)準(zhǔn)WPC與PMA可以完成的無線充電距離在10 mm以內(nèi)，這個(gè)距離比較小，超過這個(gè)距離將導(dǎo)致充電效率下降很多，因?yàn)樗麄冊(cè)O(shè)計(jì)的是感應(yīng)式無線充電。而A4WP這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要做的無線充方式是共振式的，這種充電方式實(shí)現(xiàn)的充電距離比較遠(yuǎn)。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，A4WP設(shè)計(jì)的無線充電方式在給手機(jī)充電時(shí)可達(dá)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(lán)牙進(jìn)行通信。