無線充電技術(shù)Wirelesschargingtechnology2016/9/20葉焱強(qiáng)無線充電技術(shù)Wirelesschargingtechno1◆引言◆無線充電技術(shù)◆技術(shù)方案◆技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(Qi)◆技術(shù)猜想◆引言2電磁理論基礎(chǔ)法拉第電磁感應(yīng)定律：閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流。法拉第電磁感應(yīng)定律是磁產(chǎn)生電的最基本理論：閉合的回路，當(dāng)穿過它的磁通量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在此回路中產(chǎn)生電流。由此奠定了變化的磁場能感應(yīng)出電場的理論基礎(chǔ)。電磁理論基礎(chǔ)法拉第電磁感應(yīng)定律：閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里3無線充電：將電能以無線的方式傳輸。無線傳輸可以傳輸哪些東西：◆電信號(hào)(信息)◆熱能◆電能◆…無線傳輸即電磁轉(zhuǎn)換輻射的過程。無線傳輸電信號(hào)是我們見過最多的形式。除了電信號(hào)，我們生活中由將電磁輻射能量直接轉(zhuǎn)換成熱能的最典型例子：電磁爐。實(shí)際上，不管是電磁能轉(zhuǎn)換成熱能還是其他能量，其本質(zhì)都是電與磁相互轉(zhuǎn)換的過程。無線充電：將電能以無線的方式傳輸。無線傳輸可以傳輸哪些東西：4電磁能到熱能交換的設(shè)備電磁爐電磁爐通過其線圈中的交變電流產(chǎn)生輻射的磁場。這個(gè)磁場為什么能加熱金屬鍋底，其本質(zhì)還是磁場輻射到金屬鍋底產(chǎn)生電流的結(jié)果。這個(gè)電流就是渦流效應(yīng)。電磁能到熱能交換的設(shè)備電磁爐電磁爐通過其線圈中的交變電流產(chǎn)生5渦流將感應(yīng)電流完全用于發(fā)熱我們把金屬鍋底看成無數(shù)圈線圈組成的線圈結(jié)構(gòu)，這個(gè)時(shí)候理解電磁爐加熱的原理就簡單了：電磁爐產(chǎn)生的磁場耦合到金屬鍋底這些線圈上，在線圈中產(chǎn)生電流。線圈是短路的結(jié)構(gòu)，因此短路電流全部轉(zhuǎn)化成熱能，從而加熱鍋底。渦流將感應(yīng)電流完全用于發(fā)熱我們把金屬鍋底看成無數(shù)圈6無線充電：將電能以無線的方式傳輸。無線傳輸可以傳輸哪些東西：◆電信號(hào)(信息)◆熱能◆電能◆…接下來看看通過電磁輻射傳輸電能的例子。無線充電：將電能以無線的方式傳輸。無線傳輸可以傳輸哪些東西：7隔離變壓器無線輸電的有芯模型最典型的也是最常見的例子：變壓器。變壓器實(shí)際上就是無線傳輸電能的模型。初級(jí)和次級(jí)線圈沒有直接的物理連接，它們通過線圈直接的磁場耦合將電能從初級(jí)傳輸?shù)酱渭?jí)。變壓器的鐵芯作用是為磁場提供一個(gè)有效的回路，從而使初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場能更好的耦合到次級(jí)線圈。變壓器的鐵芯產(chǎn)生的渦流效應(yīng)會(huì)帶來大量熱，效率降低。因此變壓器的鐵芯通常采用由很薄的硅鋼片迭壓而成，這樣相當(dāng)于切斷渦流需要的回路。隔離變壓器無線輸電的有芯模型最典型的也是最常見的例子：變壓器8將變壓器的初級(jí)和次級(jí)分別放入發(fā)射和接收裝置構(gòu)成無線充電的理論模型想象一下，將變壓器的初級(jí)和次級(jí)分別放入發(fā)射裝置和接收裝置，這就構(gòu)成了我們今天無線充電的理論模型。當(dāng)然，我們接下來要做的就是去掉變壓器中的鐵芯。將變壓器的初級(jí)和次級(jí)分別放入發(fā)射和接收裝置想象一下，將變壓器9缺乏有效的磁通回路帶來了效率的急劇下降是無線供電技術(shù)發(fā)展的最大阻礙去掉鐵芯的過程很容易，但實(shí)際上會(huì)帶來很多問題。這些問題就是阻礙無線充電技術(shù)普及的最大障礙。由于沒有類似鐵芯方式提供有效的磁通回路，因此初級(jí)線圈的磁場在空間上是發(fā)散的，這樣如果需要將初級(jí)線圈的磁場耦合到次級(jí)就需要拉近它們的距離，同時(shí)要保持線圈對(duì)齊，這樣才能獲得最大的磁場耦合，才能獲得最大的傳輸效率。無線充電在早期因?yàn)樾侍?，所以一直未得到普及性發(fā)展。今天，得益于材料和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐步成熟，無線充電可以達(dá)到70%以上的效率，這才使得在手機(jī)端的應(yīng)用成為可能。缺乏有效的磁通回路帶來了效率的急劇下降去掉鐵芯的過程很容易，10無線充電技術(shù)接下來就是正題：無線充電技術(shù)無線充電技術(shù)接下來就是正題：11無線充電四種類型1.通過電磁感應(yīng)“磁耦合”進(jìn)行短程傳輸2.將電能以電磁波非輻射性諧振“磁共振”形式傳輸3.“電場耦合”方式4.將電能以微波的形式無線傳送無線充電技術(shù)有四種類型。今天手機(jī)端的應(yīng)用基本上都是第一種類型磁耦合式，這也是目前國際標(biāo)準(zhǔn)Qi采用的方式。第二種磁共振式有更大的位置容差性，同時(shí)可以應(yīng)用于大功率設(shè)備如電動(dòng)汽車，因?yàn)殡妱?dòng)汽車底盤和地面有一定高度，磁共振傳輸?shù)木嚯x比磁耦合遠(yuǎn)。但目前磁共振的效率還不高，且體積不能滿足手機(jī)等小型設(shè)備需求，所以不是手機(jī)端采用的技術(shù)。第三種電場耦合式，現(xiàn)在被日本村田制作所掌握，但仍處于理論研究階段，而且電場耦合時(shí)提供的耦合電壓超過上千伏特，不適合手機(jī)產(chǎn)品。第四種微波方式是最理想的方式，就像wifi一樣只要處在它的范圍都可以上網(wǎng)一樣。目前Intel在做此研究，效率實(shí)在太低，目前沒用應(yīng)用價(jià)值。無線充電四種類型1.通過電磁感應(yīng)“磁耦合”進(jìn)行短程傳輸2.將12無線供電方式示意圖簡要說明電磁感應(yīng)

(電磁耦合)利用兩個(gè)平行排列的線圈間因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流的原理來供電的方式磁共振其原理與電磁感應(yīng)方式相同。利用磁共振現(xiàn)象進(jìn)行的非接觸供電方式。電場耦合將兩個(gè)平面電極平行排列，利用電場耦合原理來供電的方式。微波傳輸將天線接收到的電波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電能的方式無線供電方式示意圖簡要說明電磁感應(yīng)

(電磁耦合)利用兩個(gè)平行13電動(dòng)牙刷是最早見于市面的無線充電產(chǎn)品。早期無線充電產(chǎn)品全身水洗小功率發(fā)熱可控緊耦合雖然當(dāng)時(shí)的無線充電技術(shù)效率很低。但對(duì)于電動(dòng)牙刷這種功率很小，對(duì)充電速度要求不高的產(chǎn)品，且出于防水的需求，所以它成為最早期應(yīng)用無線充電的產(chǎn)品。電動(dòng)牙刷本身沒有太復(fù)雜的電路構(gòu)造，同時(shí)也不會(huì)有太多金屬部件，因此對(duì)渦流效應(yīng)產(chǎn)生的熱耗散也是可控的，不用太多的考慮發(fā)熱問題。本身效率不高也不會(huì)有太多發(fā)熱。電動(dòng)牙刷是最早見于市面的無線充電產(chǎn)品。早期無線充電產(chǎn)品全身水14手機(jī)端無線充電面臨的挑戰(zhàn)電磁之間的轉(zhuǎn)換效率更緊的磁耦合磁干擾熱效應(yīng)位置的糾正負(fù)載調(diào)節(jié)但是無線充電應(yīng)用在手機(jī)這種復(fù)雜的電子產(chǎn)品上，就面臨很多挑戰(zhàn)。首要挑戰(zhàn)就是效率，手機(jī)充電必須要快，要達(dá)到用戶能接受的充電速度，這就要提高充電效率。磁耦合方式要提高充電效率就要盡可能的使充電板和手機(jī)貼近距離，同時(shí)要使線圈對(duì)齊。另外要控制發(fā)熱，減少因金屬物體的渦流效應(yīng)產(chǎn)生的熱，這就需要充電板具備異物偵測(cè)功能，同時(shí)在線圈的背面需要加上磁屏蔽層，以阻擋磁場穿透線圈后輻射到電池或手機(jī)內(nèi)部其他金屬部件。電池電芯和金屬部件都會(huì)因?yàn)闇u流效應(yīng)產(chǎn)生大量熱，特別對(duì)電池，這很危險(xiǎn)。手機(jī)端無線充電面臨的挑戰(zhàn)電磁之間的轉(zhuǎn)換效率但是無線充電應(yīng)用在15線圈的繞制垂直獲得更好的輻射高度水平獲得更寬的輻射范圍線圈的繞制垂直獲得更好的輻射高度水平獲得更寬的輻射范圍16更緊的磁耦合◆更好的頻率特性◆更貼近的距離◆距離小于線圈的直徑可以獲得更高的效率更緊的磁耦合◆更好的頻率特性17磁屏蔽◆高導(dǎo)磁材料◆大于線圈面積近年來，無線充電技術(shù)能應(yīng)用于手機(jī)端其中一個(gè)重要因素是電磁屏蔽材料取得一定突破，新的無機(jī)復(fù)合材料推出能夠更好的屏蔽漏磁對(duì)手機(jī)內(nèi)部精密電子元器件和電池帶來的EMI危害和熱效應(yīng)。磁屏蔽◆高導(dǎo)磁材料近年來，無線充電技術(shù)能應(yīng)用于手機(jī)端其中一18異物◆安全考量的重點(diǎn)：異物◆協(xié)議◆磁感應(yīng)FOD異物偵測(cè)也是無線充電技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)端的一大挑戰(zhàn)。日常生活中的鑰匙，硬幣等金屬物件放置過近會(huì)導(dǎo)致大量的發(fā)熱和效率損失，對(duì)產(chǎn)品危害很大。異物偵測(cè)技術(shù)可以通過協(xié)議方式進(jìn)行控制：當(dāng)受電端能夠響應(yīng)供電端的通訊時(shí)序時(shí)認(rèn)為是有效設(shè)備，否則認(rèn)為是異物。當(dāng)發(fā)現(xiàn)是異物時(shí)，供電端關(guān)閉輸出。異物◆安全考量的重點(diǎn)：異物FOD異物偵測(cè)也是無線充電技術(shù)應(yīng)19對(duì)齊位置◆用戶體驗(yàn)◆研究重點(diǎn)◆更松的磁耦合，更低的效率，更多的EMI電磁感應(yīng)式無線充電對(duì)位置特性要求很嚴(yán)格，未對(duì)齊的位置帶來極低的充電效率。所以，如何使供電端與受電端位置對(duì)齊也是很多廠家投入的重點(diǎn)。對(duì)齊位置◆用戶體驗(yàn)電磁感應(yīng)式無線充電對(duì)位置特性要求很嚴(yán)格，20磁吸附對(duì)位◆成本低磁吸附對(duì)位◆成本低21多線圈堆疊◆更好的容差性◆成本高多線圈堆迭能獲得更好的位置容錯(cuò)性。當(dāng)受電端放置在不同位置時(shí)，供電端開啟最近的線圈對(duì)其進(jìn)行充電。同時(shí)，這種供電端能夠支持多設(shè)備的同時(shí)充電。多線圈堆疊◆更好的容差性多線圈堆迭能獲得更好的位置容錯(cuò)性。22伺服系統(tǒng)◆復(fù)雜◆體驗(yàn)最好◆成本高伺服系統(tǒng)提供可移動(dòng)的供電側(cè)線圈主動(dòng)對(duì)齊受電設(shè)備。伺服系統(tǒng)◆復(fù)雜伺服系統(tǒng)提供可移動(dòng)的供電側(cè)線圈主動(dòng)對(duì)齊受電設(shè)23選擇標(biāo)準(zhǔn)◆設(shè)計(jì)參考◆測(cè)試方法◆行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)◆協(xié)議◆市場兼容性無線供電方式行業(yè)組織電磁感應(yīng)

(電磁耦合)WPC：Qi磁共振A4WP：WiPower電場耦合日本村田制作所微波傳輸Intel選擇標(biāo)準(zhǔn)◆設(shè)計(jì)參考無線供電方式行業(yè)組織電磁感應(yīng)

(電磁耦合24WPCQi目前手機(jī)端主流的充電標(biāo)準(zhǔn)就是WPC組織發(fā)布的Qi標(biāo)準(zhǔn)，最新的已到V1.2版本。WPC目前手機(jī)端主流的充電標(biāo)準(zhǔn)就是WPC組織發(fā)布的Qi標(biāo)準(zhǔn)，25Qi為我們帶來了一整套設(shè)計(jì)方案和測(cè)試方法，協(xié)議和認(rèn)證。Qi為我們帶來了一整套設(shè)計(jì)方案和測(cè)試方法，協(xié)議和認(rèn)證。26發(fā)展歷程◆WPC成立于2008年，發(fā)布了第一版QiV1.0V1.0定義為5W，電磁耦合式◆2013年發(fā)布V1.1.2引入異物偵測(cè)，控制溫度異常狀況◆2015年更新為V1.2兼容V1.015W，擴(kuò)展共振模式，最大垂直距離可達(dá)45mm加強(qiáng)了FOD：談判，相位校準(zhǔn)時(shí)序改進(jìn)◆WPC計(jì)劃在2016年強(qiáng)制執(zhí)行V1.2標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程◆WPC成立于2008年，發(fā)布了第一版QiV1.027協(xié)議無線充電WPC通信序列：1)將手機(jī)放在充電板上。2)充電板根據(jù)發(fā)送測(cè)線圈的負(fù)載變化探測(cè)到有物體放在了充電板上。3)充電板應(yīng)用電力信號(hào)到初級(jí)線圈上作為ping消息，并等待超時(shí)，如果超時(shí)就說明是異物放置在了充電板上，這時(shí)充電板撤銷電力供應(yīng)，這個(gè)過程也叫FOD，即異物檢測(cè)；如果沒有超時(shí)，就進(jìn)入下一步。4)手機(jī)檢測(cè)到了次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓信號(hào)，就發(fā)送SignalStrength消息(主要內(nèi)容是初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的耦合程度，也就是放的位置正不正)。5)充電板檢測(cè)到SignalStrength消息，取消超時(shí)，進(jìn)入ID&Configuration階段等待手機(jī)發(fā)送這兩種消息。6)手機(jī)發(fā)送ID消息(包括VID和產(chǎn)品序列號(hào))，發(fā)送Configuration消息(主要是整流電路需要輸出的最大功率)。7)充電板根據(jù)接受的Configuration消息調(diào)整初級(jí)線圈相應(yīng)的參數(shù)，并調(diào)整初級(jí)線圈震蕩頻率開始發(fā)送正常電力。8)在充電過程中充電板還接受手機(jī)發(fā)送的ChargeStatus和ControlError等消息，譬如手機(jī)的電池充滿了，手機(jī)發(fā)送充電完成消息，充電板接收到消息就停止充電。協(xié)議無線充電WPC通信序列：28無線充電技術(shù)ppt課件29負(fù)載調(diào)節(jié)USB適配器只要是USB接口都能適配。無線充電不同，感應(yīng)電壓是不同的，必須要跟設(shè)備做適配。>>Qi負(fù)載匹配過程負(fù)載調(diào)節(jié)USB適配器只要是USB接口都能適配。>>Qi負(fù)載匹30>>iPhone的標(biāo)準(zhǔn)>>iPhone的標(biāo)準(zhǔn)31iPhone用什么標(biāo)準(zhǔn)？電磁感應(yīng)體系的Qi標(biāo)準(zhǔn)，固然擁有很高的能源效率，但使用不便是它的致命傷?；诖殴舱竦腤iPower技術(shù)以其靈活的使用方式、可靠的效率以及大功率支持等方式，有望獲得更廣泛的支持。而英特爾的微波共振技術(shù)，盡管效率最低、但使用上最為方便。>>芯片方案介紹iPhone用什么標(biāo)準(zhǔn)？電磁感應(yīng)體系的Qi標(biāo)準(zhǔn)，固然擁有很高32NewiPhone>>芯片方案介紹WPC標(biāo)準(zhǔn)從標(biāo)準(zhǔn)本身來講WPC是國際組織Qi在市場上初具規(guī)模新產(chǎn)品不用隨機(jī)配帶充電底座(不能將新技術(shù)的成本強(qiáng)加給消費(fèi)者，有脅迫感)Qi

V1.2已經(jīng)兼容共振模式獲得更好的距離時(shí)間點(diǎn)上來講市場方向已經(jīng)明朗Qi不冷不熱的時(shí)候添上一把火人們會(huì)認(rèn)為Qi普及是Apple的功勞，Apple又取得市場領(lǐng)導(dǎo)性地位早了市場不明朗，晚了有跟風(fēng)嫌疑自有標(biāo)準(zhǔn)喬布斯那套行不通，追求完美，早期的標(biāo)準(zhǔn)缺陷iPhone就一個(gè)系列，選擇必須謹(jǐn)慎，不然容易導(dǎo)致自己被孤立明年開始無線充成為手機(jī)標(biāo)配，非iPhone全部統(tǒng)一戰(zhàn)線，只有iPhone站線外市場份額萎縮將很危險(xiǎn)，別人都用筷子吃飯就你用叉子買個(gè)充電茶幾，只有iPhone不能用，你是丟茶幾還是iPhone？新品發(fā)售要么配底座要么官網(wǎng)另購，消費(fèi)者會(huì)有脅迫感，不利于技術(shù)推廣從產(chǎn)品策略的角度思考，而不是技術(shù)的角度NewiPhone>>芯片方案介紹WPC標(biāo)準(zhǔn)從標(biāo)準(zhǔn)本身來講3