充電電纜和電源線一直被人們認為比較麻煩，而且是業(yè)界可以很容易消除的東西。那么，為什么不讓每個消費類設(shè)備都進行無線充電呢？現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)正在進行這項工作。許多最新的智能手機都帶有無線充電功能，各種新車型可以為這些消費產(chǎn)品充電。世界各地的咖啡店已經(jīng)測試了這項技術(shù)，并且有許多種評估平臺，適用于各種不同的無線充電系統(tǒng)。

基于這一切，那究竟是什么阻礙了無線充電的廣泛使用？主要挑戰(zhàn)是標準之間的競爭。無線功率聯(lián)盟（WpC）的Qi規(guī)范和AirFuelAlliance擁有的各種規(guī)范多年來一直在就不同技術(shù)爭論不休，使設(shè)備制造商難以確信消費者可以輕松地為智能手機、智能手表、平板電腦或筆記本電腦等進行隨時隨地的充電。

當然其中也存在一些工程挑戰(zhàn)。Qi系統(tǒng)要求發(fā)射器和接收器上的充電線圈相距幾毫米，并且需要相當好地對準，以獲得最快速的充電。當消費者將手機放在桌子上進行無線充電時，上述要求的情況不會發(fā)生。

被充電設(shè)備和下面的充電器也必須能夠進行通信，并且有許多不同的方式可以實現(xiàn)。從感應(yīng)式和電容式充電到磁共振充電，其中也涉及多種基本技術(shù)，每項技術(shù)都有其特定的工程利弊。同時，用戶還希望能夠更快速充電，意味著需要更高的功率，但這可能會會給無線充電架構(gòu)帶來安全問題，因為如果有金屬物品在場，會受到加熱并造成傷害。非常重要且不能忘記的是，除了所有這些考慮因素外，設(shè)備制造商還希望獲得最低的總體成本。

WpC介紹

WpC成立于2008年，是一個開放和協(xié)作標準開發(fā)小組，由來自全球的600多家成員公司組成（但應(yīng)該指出，許多公司都參與了無線充電領(lǐng)域的競爭標準組織）。成立不久之后，它推出了Qi標準，這是面向智能手機和其他便攜式移動設(shè)備的最完善無線充電技術(shù)，功率為5W至15W。然而在某種程度上，這也已經(jīng)抑制了標準，因為任何創(chuàng)新必須向后兼容十年前設(shè)計的系統(tǒng)。

Qi采用的是低頻緊密耦合型感應(yīng)充電機制，這是一種成本最低的方法。然而，WpC還擴展了無線廚房標準，用于家用電器（覆蓋200W至2.2kW）和中等功率標準，用于電動工具、機器人吸塵器、電動自行車和其他電池供電設(shè)備（30W至65W）充電。這兩種標準仍處于開發(fā)階段，并通過使用不同的技術(shù)來避免向后兼容的挑戰(zhàn)。

圖1：德州儀器（TexasInstruments）用于無線充電的BQ51222單芯片接收器。

Qi標準使用低頻（112kHz至250kHz）、低數(shù)據(jù)速率帶內(nèi)通信。這將充電器與設(shè)備間隔限制在3mm至5mm范圍，并且對放置靈活性有明顯影響。利用帶內(nèi)通信，正在發(fā)送的數(shù)據(jù)通常與無線功率傳輸共存。這其中的麻煩是，從接收器到發(fā)射器為單向通信，沒有從發(fā)射器到接收器的反饋，并且僅在單個接收器與單個發(fā)射器相關(guān)聯(lián)時才起作用。通過使用多個單獨的線圈或陣列和不同的通信協(xié)議，可以解決這個問題，但是這些都存在向后兼容性問題，以及較高的成本。目前已經(jīng)有許多單片Qi控制器量產(chǎn)，其中包括來自德州儀器和恩智浦（NXp）等供應(yīng)商的產(chǎn)品，它們有助于降低簡單無線連接的成本。

圖2：恩智浦半導體的NXQ1TXH5Qi無線充電發(fā)射器。

AirFuel聯(lián)盟

2015年，AllianceforWirelesspower（A4Wp）和powerMattersAlliance（pMA）合并創(chuàng)建了AirFuel聯(lián)盟（AirFuelAlliance），成功整合了兩項競爭技術(shù)-即電容和諧振充電技術(shù)。從而降低了無線充電領(lǐng)域的技術(shù)碎片化。AirFuel采用松散耦合方式，以及較高的6.78MHz頻率，另外線圈之間采用反向散射（backscatter）通信。這種組合允許多個設(shè)備同時依靠單個發(fā)射線圈充電，具有靈活的方向，并且最大支持5cm的距離，比Qi標準明顯改善。

利用反向散射通信方式，發(fā)射器能夠確定發(fā)射線圈內(nèi)的負載變化，這些變化是由接收線圈上負載的變化而引起。通過在接收器線圈上的負載調(diào)制中編碼數(shù)據(jù)，接收器能夠?qū)⑿盘杺鬟f到發(fā)射器。然后，發(fā)射器可以使用解調(diào)器來訪問接收器提供的數(shù)據(jù)。更遠的距離、更容易的放置和反向散射通信允許發(fā)射器線圈嵌入在家具的表面下方，從而使得用戶的無線充電更簡單，并且使得服務(wù)提供商也能夠更平滑地集成無線充電技術(shù)。松散耦合方法還允許使用更高的功率（超過50W）進行快速充電，但實現(xiàn)起來比緊密耦合拓撲架構(gòu)更復雜。

AirFuel的磁共振工作委員會（MRWC）開發(fā)并維護基于磁共振的無線功率傳輸技術(shù)的規(guī)范。該委員會的職責范圍包括為基于諧振和多模系統(tǒng)創(chuàng)建一致性測試規(guī)范和互操作性測試場景。與此同時，非耦合工作委員會（UWC）開發(fā)并維護基于RF等非磁性技術(shù)的無線功率和充電技術(shù)規(guī)范，以及超長距離傳輸功率的超聲波和激光器。

AirFuel標準的一個關(guān)鍵部分是帶外通信，這使得能夠在無線功率發(fā)射器與其伴隨的接收器之間建立（然后保持）穩(wěn)定的通信。補充信息可以在相應(yīng)的發(fā)送器和接收器元件之間傳輸，其中可能包括與設(shè)備充電能力相關(guān)的信息（以便可以使用最快的充電速率），以及認證等等。由于外部頻帶通信方案獨立于功率傳輸，因而這些都可以實施，可以使用從藍牙低功耗（BLE）到Zigbee等各種RF通信協(xié)議。AirFuel建議使用BLE（2.4GHz），因為它對于特定發(fā)射器可以同時容納多個接收器。它還支持具有多種功率級別需求的設(shè)備，以及更大的空間自由度和距離、身份驗證安全性、低功耗以及用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）下一代設(shè)備的許多其他用戶友好功能。

然而，WpC并沒有對于AirFuel的行動而無動于衷。最新的Qi發(fā)射器規(guī)格Mp-A16現(xiàn)在可以支持整個表面的充電。這意味著幾乎任何表面都可以成為無線充電器，并且可以更容易地在現(xiàn)有的桌子、柜臺和其他位置下更換硬件。通常充電器由安裝在表面下方的發(fā)射器線圈和安裝在頂部的中繼器線圈以及與接收器的接口等組成。通過使用中繼器可以將發(fā)射器線圈產(chǎn)生的磁通量引導至接收器，可以實現(xiàn)在10mm至30mm厚的表面下進行安裝。

Mp-A16發(fā)射器完全兼容WpC已經(jīng)部署的接收器設(shè)備，包括基線功率分布（Bpp）和擴展功率分布（Epp），最高可達15W。關(guān)鍵是所有現(xiàn)有的Qi設(shè)備都能夠使用部署Mp-A16發(fā)射器的充電表面。

WpC之前在充電網(wǎng)絡(luò)實施方面的經(jīng)驗表明，在表面鉆孔一直是擴展公共充電基礎(chǔ)設(shè)施的巨大障礙，場地業(yè)主一直不愿意進行這種不可逆、不方便和混亂的程序。基于Mp-A16的新發(fā)射器將克服這個障礙，通過將發(fā)射器安裝在桌子下方，并在頂部放置中繼器，可以完成無線充電器的無痛安裝。

WpC也在進行室外充電部署。室外無線充電特別具有挑戰(zhàn)性，因為系統(tǒng)必須能夠忍受一年四季之間的環(huán)境條件大幅波動，其中包括從極熱到極冷、明亮的陽光和暴雨、冰雹、大雪等等。室外無線充電不再局限于5V供電，還必須包括12V或24V。防水密封技術(shù)能夠確保水分永遠不會侵入充電器，從而保持充電和被充電設(shè)備的正常運行，當然最重要的是保護用戶安全，這些都非常必要。

無線充電設(shè)備的室外部署已經(jīng)在世界某些地區(qū)開始，例如在捷克共和國，一個表面安裝的Qi標準無線充電器已經(jīng)集成到公園的太陽能長椅上。隨著越來越多的消費者用配備Qi標準無線充電功能的新手機替換舊款手機，WpC預計此類部署的速度將會加快。

現(xiàn)在市場中有幾種令人信服的技術(shù)可供無線充電系統(tǒng)開發(fā)人員選擇。然而，到目前為止，一些芯片制造商還是設(shè)法開發(fā)能夠滿足所有不同協(xié)議的器件。例如，Semtech的TS80000是一款能夠滿足功率輸出高達40W的發(fā)射器，并支持Qi、AirFuel和某些專有協(xié)議。它可以配置為驅(qū)動單線圈或多線圈應(yīng)用（半橋和全橋系統(tǒng)），從次級側(cè)設(shè)備解碼數(shù)據(jù)包，并相應(yīng)地調(diào)整控制。集成的pID濾波器為環(huán)路提供必要的補償，以實現(xiàn)對于占空比、頻率和/或橋電壓的高精度控制。

根據(jù)我們觀察，WpC和AirFuel這兩個標準組并沒有表現(xiàn)相向而行的跡象。兩個組織都在制定非常相似的標準，但出于不同的考慮。然而，半導體制造商需要能夠?qū)_他們的賭注。因此，通過可編程芯片解決方案將不同的協(xié)議整合在一起，能夠為系統(tǒng)開發(fā)人員提供了最高的靈活性。

作者：貿(mào)澤電子Markpatrick