无线充电已成熟

电子设备的无线充电是一项方便、可靠且通用的发明。其方便性在于当你需要为设备充电时,无需寻找合适的电源线。可靠性提升是因为您无需在小小的插座内插入小小的插头,而其中任何一方或双方都有可能出现故障。而通用性提升是因为不同制造商生产各种类型设备可能需要不同类型的插头、插座或线缆。随着无线充电成为主流,标准正逐渐形成。这些标准正迅速融合并具有普遍适用性。

可穿戴设备按照 Power Matters Alliances (PMA) 标准或 Alliance for Wireless Power (A4WP) Rezence 标准工作,通过蓝牙与其基座通信。使用 Wireless Power Consortium (WPC) Qi 标准的设备将采用调制反向散射规则。因此,它完全不需要任何基于线路的接口。充电将需要通过无线方式,或采用从小巧精致的设备上取出电池、在外部充好电后再装回去这种完全不切实际的做法。即便这种方法可行,它势必将增加可穿戴设备的成本,因为首先电池必须要可移除。并且,按照目前投放市场的前几代可穿戴设备看,制造商不会那么做。

说来也奇怪,可充电牙刷可能有功于消费型设备无线充电理念的出现。因为任何能够完全承载任何类型电荷的金属都不允许接触牙龈,没有了电源插头后,无线充电就成为了必然。

牙刷的解决方法是基于变压器的工作原理。变压器中有两个线圈 — 初级线圈和二级线圈。交流电施加在初级线圈上后产生的磁场在二级线圈中产生交流电压。这会产生电感耦合。而最大的区别在于,对于变压器,两个线圈都是同一个设备的部件。但在无线充电中,一个线圈在充电器中,而另一个则在需充电的设备中。它们必须实质上靠近,但分属两个设备。

并且,除了使用时那几分钟外,牙刷可以整日放在充电器中,因此效率无关紧要。这对于牙刷或许已经足够了,但对于全天都要依靠电池寿命的智能手机还不够。

共振感应耦合就此出现。在这种方法中,传输和接收线圈周围的电路被调整成相互“共振”。这不仅能够更快地传输更多电能,设备还有可能在物理层面上进一步与彼此分离。

19 世纪 90 年代 Nikola Tesla 首次演示了共振感应耦合,并且在数十年前,该技术的早期版本就用来为植入式设备充电。如今,有太多的低功率设备需要经常充电,比如智能手机。制造商仅需小小努力,就能大大提升交叉使用功能。三种标准需要不同的电能传输工作频率,但 PMA 和 A4WP 企业正在合并,所以它们的标准也很有可能做到这点。不同的频率需要不同的天线,因此与 WPC 的 Qi 标准交叉兼容的可能性不大。但,交叉兼容有可能实现。Chargespot 正是个例子,它同时支持 Qi 和 PMA 标准。

在无线充电中占统治地位的或许是 WPC 的 Qi 。它的使用者包括 Microsoft、Motorola Mobility、Nokia、Samsung、Sony 和 Toshiba。这种标准的实施十分棘手;兼容性是一个问题,并且充电器必须与需充电的设备紧紧对准。A4WP 的 Rezence 不需要待充电设备的位置与充电器的相对位置紧密配合,并且不同于使用 Qi,它可同时为超过一台设备充电。似乎正与 Rezence 合并的 PMA 标准拥有半导体制造商的支持基础。有趣的是,有趋势制定自己标准的苹果可能会做出一些让步。报告指出,大受吹捧的新产品 Apple Watch 或可使用 Qi 充电器充电。但,Apple Watch 尚未通过 Qi 认证,因此它可能必须做出一些修改。

该技术已经成熟到一定程度,使得 Freescale Semiconductor、Linear Technology、Texas Instruments 和 Toshiba 等芯片制造商采取了很多必要措施,以在广泛使用的芯片中为接收器和发射器添加无线充电功能。一个必然的趋势是,这些设备中的大多数要能够适配这些相互竞争的标准中的一种以上。这是因为只要使用了兼容性天线,需要修改的只是代码。

行业巨头 Broadcom 的 BCM59350 正是这样的一个例子。使用这种芯片的设备将能够使用任何充电设备充电,不论该充电设备采用何种传输标准。它将自动切换,从使用任何主流标准的充电器上获取电能,完全无需用户操作。然而,这样做的先提条件是这类充电器装有三个独立的天线,对应每个标准。

通信才是关键

待充电设备和充电器之间必须持续通信。其重要原因在于,消费型应用中设备间的相对位置千变万化,因此两者都必须要“调谐”。对于如今突然出现在咖啡店、机场和其他公共场所的各类应用来说尤为如此。由于周围十分忙碌,将充电设备准确放置在充电器上也许并不实际。有些充电器集成了磁心,协助摆正充电位置。

Toshiba TC7761WBG 是无线电源接收器 IC 的例子。制造商可将这种 IC 加入自己的设备中,以方便无线充电。Toshiba 的芯片只用于执行 Qi 标准,这并不奇怪,如前所述,Toshiba 是 WPC 成员。附上的数据表为设计人员提供了完整的信息,还包括非常有用的结构图(图1)。

接收设备会监视发送设备传输的能量;不是传输的总量,而是更重要的实际接收总量。TC7761 拥有一个反馈环路,可确保吸收的能量不会超过接收设备能安全应对的量。

通信是通过 ASK 调制,而 Qi 标准需要 2kpbs 的传输速度。在这种制度下,发送器仅会在它识别了接收设备且该设备发出准备完毕信号后才输送能量。使用该芯片的接收设备不需要占用该设备的计算能力。

随着可穿戴设备最为迫切推动无线充电的发展,没有人真正喜欢插上电源线。例如,目前的 Qi 标准可提供高达五瓦特的电能,令它成为了大量低功率设备的另一个选择,例如智能手机和平板电脑。有些则在考虑更新的 Qi 标准,这些标准包括一种适配十五瓦特设备和一种适合 100 瓦特及以上的高功率标准。

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