對中國市場來講，蘋果和三星這兩大廠商，基本上都有推出無線充電手機機種，這涵蓋了很大的市場。而發射機對于中國來說，是個很好的市場…

無線充電目前主要有3個不同標準，但現在市場上有90%以上用的都是WPC Qi標準。市場發展到今天非常好，原因之一是蘋果(Apple)去年2月份就宣布，其iPhone 8/X將支持無線充電。第二，從發射端角度講，汽車業現在對無線充電也非常感興趣，今年大概有100多個車型會使用前裝無線充電器。而且現在Qi無線充電(接收端輸出功率)最大可以達到15W，如果用這樣大的功率來充電，手機電池依3,000mAh來算的話，開車40分鐘就可以把手機充滿60%。因此，其相對于5W來講，實用價值非常高。這也將進一步推動無線充電產業的發展。

據市場分析機構IHS預估，今年市場上無線充電接收器IC出貨將達5億片以上，市場相當可觀。事實上，到目前為止，今年采用無線充電的手機出貨量已達2億支，與該資料吻合。另外，對于中國市場來講，蘋果和三星(Samsung)這兩大廠商，基本上都有無線充電的手機，這涵蓋了很大的市場。而發射機(Tx)對于中國來說，是個很好的市場——目前中國本土公司生產了很多發射機產品，包括15W、5W和蘋果無線快充的產品。此外，上個月小米和華為都宣布了內建無線充電的旗艦手機，以及配套的無線充電器。

這是日前在ASPENCORE旗下《電子工程專輯(EET)》、《電子技術設計(EDN)》和《國際電子商情(ESMC)》中國版共同舉辦的「無線充電與快速充電技術論壇」上，筆者從IDT產品定義和系統應用高級總監Rui Liu的演講中聽到的有關無線充電的一個好消息。

他的議題是「無線充電：發射機和接收機設計及權衡」，里面詳述了各種無線充電技術的原理、在設計發射機和接收機時需要考慮的主要參數，以及在實際應用中遇到的一些問題。信息滿滿，以下和讀者們分享。

三種無線充電技術的原理及優缺點

電磁感應(WPC Qi標準)。電磁感應原理和變壓器差不多，即有初級線圈(發射機線圈)和次級線圈(接收機線圈)，能量通過磁場從初級傳到次級。Liu 表示：「與變壓器的唯一區別在于，它是透過空氣耦合而不是磁性耦合過去的。以前的電動牙刷插上去就可以充電，和這個道理差不多，只不過它磁芯是立體的，我們是平面的。」這個技術最關鍵的問題是耦合，從而把效率做得高。

由于是根據變壓器原理實現的，所以它功率和頻率不是太高，比如WPC標準的頻率小于205kHz。另外在設計發射機時，還要考慮所賣地區的EMI和法規要求。

電磁共振(A4WP標準)。這個標準頻率比較高，它是利用磁共振的方式實現的。Liu 介紹：「這種方式有點像收音機——需要有一個諧振電路，調到那個頻率上才能收到音，調不到頻率則收不到音。」亦即磁共振接收端要調到它的工作頻率6.78MHz，調不到這個頻率則收不到電力。

A4WP的規范比較「有彈性」：第一它可以一對多，第二它可以隨便怎么放。另外，它的發射機和接收機之間通訊也比較容易，是用低功耗藍牙(BLE)而不是用頻帶內(in-band)實現。它的缺點是，采用比較大的線圈做到一對多，因此存在磁場沒有被充分利用和能量飽和的情況——目前效率能做到50%就相當不錯了(最高可以做到55%)。第二是成本高。Liu 指出：「在座如果有做過DC-DC電源就能理解，1M和6M開關電源的效率完全不一樣，要做6.78M的效率難度可想而知。因為6.78M是個通訊頻段，有頻段要求，精準度要高。它必須要用晶振，避免干擾，所以成本比較高。另外，它的線圈比較大，有磁場(即EMI)輻射，且6.78M對人體有沒有什么影響，目前還沒有好的結論。」

電場耦合。目前，電場的產品尚未在市場上看到，即使有，也是在極端特殊的情況下根據電場的原理來實現傳輸。目前來看電場還沒有大功率產品，也沒有什么市場。

無線充電如何工作？

第一要有發射機，要有直流電源，利用半橋產生一個方波。然后經過一個電感電容，從直流變成交流。一旦產生交流電流，它就會透過電感產生一個磁場——特別是WPC的Qi標準，就是采用磁場傳輸能量。

第二，有了這個磁場以后，就必須有接收機來接收這個能量。交變磁場透過接收線圈時，就會使它產生一個交變電壓。然后就需要用一個全橋(或半橋，全橋更多)去整流，產生一個相對比較穩定的直流電壓。一旦回路閉合，就會有電流傳輸，這就實現了無線充電。

Liu補充：「當然，發射端線圈下方的磁場不需要。下方若有電路板或其他金屬，會產生渦流損耗。同理，接收端上方的磁場在空氣里，也不需要。因此，不需要磁場的地方，要想辦法屏蔽，這就是為什么所有的線圈后面都加了一個隔磁吸波材料。」

此外，還需要對能量進行控制。能量的需求方是接收機。接收機需要發送一個訊號，告訴發射機能量夠不夠，進而發射機加大或減少能量。通訊可以用BLE，而現在WPC用的是振幅移位鍵控(ASK)(In-Band)，即調幅方式，調幅的頻率是2kHz；100多kHz的功率經過載波、調幅，就可以把訊號加進去。這樣就成了完整的無線充電器。

確定線圈尺寸及距離

系統到這步是可以工作的，但我們還需要確定線圈尺寸，以及距離。下圖是發射線圈的磁場分布情況。從中可以看出，磁場密度集中在中間這一帶。離發射機線圈越遠，磁場強度越低。所以，要做一個效率比較高的發射機的話，接收機線圈和發射機線圈不能隔太遠——目前Qi要求是在8mm以下，通常是4~5mm。第二，線圈越小效率越低。如果接收機的線圈能夠把發射機的磁通全部包進去，那么效率就會提高。

由于是利用變壓器的原理，因此其可以用變壓器的互感原理實現。要解決設計上的不穩定，可以透過以下互感公式來解決。

耦合系數k理想情況是0.2~0.8，變化范圍比較大，越往中間耦合越好。線圈越小耦合越差，知道兩個線圈的電感及之間的互感，就能夠計算出k值。

縱向、橫向和角度位移對耦合系數的影響

下圖中，左邊是接收機和發射機線圈耦合示意，右邊是耦合系數k與位移d之間的關系，未對準包括縱向、橫向和角度三種情況。其中，縱向變化影響特別大；橫向變化(比如在5~7mm以內)影響相對小一點。這個曲線也解釋了，符合WPC的接收機(比如手機)放在充電板上，從中心外旁邊挪5mm，對效率的影響不是太大；7mm就比較大了。Liu 談道：「z的距離在5mm以內，xy/半徑不超過5mm，效率就比較好。有多好呢？在5V輸入、5V輸出、5W的情況下，如果接收機的線圈交流電阻(ACR)做到120mΩ或150mΩ以下，那么效率可以做到78~80%；如果是12V輸入、12V輸出，15W時，效率可以做到87~88%。這很大情況下取決于接收機的線圈，也就是ACR。」為什么是接收線圈？因為WPC對發射機線圈要求非常高。要設計一個發射機，就必須按照它的參考設計來做。換句話說，就是在發射機設計上基本上沒有多大的改動余地，而接收機線圈則沒有太多規定。

下圖中的綠色部分是比較好的曲線。縱軸是效率，橫軸是線圈距離。當線圈大小比例或距離太大時，效率都會變差。

Liu強調：「我們基本上都是以發射機線圈作為標準，為什么？因為發射機線圈是受WPC控制，沒有辦法去改變線圈。在做Qi認證的時候，必須告知所用的是哪一個線圈，哪一個發射機參考設計。認證單位會根據那個設計的標準，來檢查發射機有沒有通過，檢查不通過，就需要重新設計。」

如果能夠滿足圖中綠色部分以內的參數，那效率就可做得比較好(70%以上)。

Qi的局限性在于不能離太遠。Liu 指出：「我和客戶及同事討論無線充電的時候，大家有一個錯誤的認識，就是認為我們的無線充電，應該是我把手機放在褲子口袋里，在我的屋里走就可以充電，這在Qi的標準里是實現不了的。但是現在有人在研究遠距離無線充電。」

電能傳輸效率優化總結

以下總結對于Qi標準，如何實現最大效率的電能傳輸。

1.接收機線圈一定不能離發射機線圈太遠(控制在5mm以內是最佳狀態)；

2.接收機線圈不要做到太小，而應盡量做到和發射機線圈差不多大(目前在手機里接收機線圈是做到直徑35~54mm。線圈大的好處是很容易和發射機配對，缺點是成本相對較高)；

3.用一些對準方法，比如視覺(影像)、機械或磁鐵(如穿戴式產品)。說到磁鐵，有一點要注意：永久磁鐵放在發射機中心，對發射損耗有不小影響，會達到5~10%，因此推薦最好是用三個磁鐵，放在線圈外面；

4.使用里茲線(Litz wire)盡可能降低線圈交流電阻；

5.設計合適的線圈增益(輸出電壓/輸入電壓)來維持最佳工作條件。

強調一點，發射機側，在DC-DC甚至DC-AC時，有一個使能接腳用于實現自我保護。在接收機側，整流是4個MOSFET(幾百V)，沒有辦法關掉，否則功耗太大。所以接收機自我保護非常重要，尤其是在大功率(5W以上)、高電壓(9V以上)的情況下。

Qi的通訊采用的是2kHz/500μs ASK。Liu強調，無線充電是一個系統，有接收機和發射機，接收機是主控，發射機是從控。發射機需要接收機告訴它需要多大功率。因此，通訊一定不能中斷，否則就會出問題，要是接收機的自我保護再做不好，就會出現更大的問題。

ASK通訊既可以用電壓也可以用電流來反映。目前做得比較好的是透過電壓、電流兩路來反映，這樣可以提高可靠性。