無線充電收獲季節(jié)即將到來

對(duì)移動(dòng)設(shè)備而言，電池充電是非常重要的使用流程之一。你是否曾經(jīng)厭倦帶著各種不同設(shè)備的充電器去旅行，你是否為了找到一條匹配的充電電纜而翻箱倒柜，在這些時(shí)候，如果可以擺脫這些電纜的束縛，該是多么美好的體驗(yàn)，為此無線充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

市場前景

充電設(shè)備與電源線說再見的日子也許不遠(yuǎn)了。無線充電技術(shù)走進(jìn)消費(fèi)者視線開始于2010年，2011年多家日本廠商率先展示其無線充電技術(shù)相關(guān)商用設(shè)備，并且在2011年下半年開始有一些消費(fèi)電子廠商將其用于智能手機(jī)等便攜設(shè)備的充電應(yīng)用，逐漸開始走入大眾的世界。根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Marketsand Markets的一份報(bào)告，全球無線充電市場將在未來五年內(nèi)獲得井噴式增長，到2017年將形成超過70億美元的市場，而在2011年這一數(shù)字僅僅只有4.57億美元，年復(fù)合增長率預(yù)計(jì)為57.6%。

隨著智能手機(jī)以及平板電腦等產(chǎn)品的不斷普及，生活中需要對(duì)便攜設(shè)備進(jìn)行充電的場合也越來越多，市場對(duì)無線充電功能的需求也隨之不斷增加。預(yù)計(jì)在今后，我們將會(huì)迎來一個(gè)只需將自己的便攜設(shè)備放在像一張大桌子似的充電臺(tái)上的任意位置即可以進(jìn)行充電的時(shí)代。為了實(shí)現(xiàn)這一愿望，有些公司已開始了電場耦合式無線充電模塊的批量生產(chǎn)，為便攜設(shè)備無線充電功能的普及做出了貢獻(xiàn)。雖然手機(jī)充電是一個(gè)潛在的巨大市場，但無線充電的市場推廣還沒有被廣泛接受。支持無線充電所帶來的硬件成本問題，以及效率低于標(biāo)準(zhǔn)有線充電的問題都需要解決。有線充電的電氣觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生問題的充電應(yīng)用場景是無線充電能夠真正發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的地方。例如要求設(shè)備能夠防水，或是在有液體或惡劣氣候條件的環(huán)境中工作。無線充電使這些設(shè)備能夠永久密封，并且能通過無線、非接觸式的方式充電。

未來的無線充電技術(shù)將讓所有的移動(dòng)設(shè)備嵌入內(nèi)置接收器和發(fā)射器，這些接收器和發(fā)送器被無處不在的部署在公共區(qū)域，如咖啡館、賓館、機(jī)場、快餐店等。消費(fèi)電子設(shè)備是顯而易見的目標(biāo)市場，但醫(yī)療和工業(yè)便攜設(shè)備也是能夠從無線電源受益的應(yīng)用細(xì)分市場，可實(shí)現(xiàn)防水外殼并減少充電端口，這些充電端口經(jīng)常被使用，由于充電線的重復(fù)插入，可引起不必要的故障。

無線充電的整個(gè)系統(tǒng)其實(shí)并不復(fù)雜，基本上包含了兩個(gè)部分，一個(gè)是連接電源的充電端發(fā)信器，另一個(gè)被充電電子產(chǎn)品上，跟硬幣大小差不多的接收器，只要在一定的范圍內(nèi)（跟據(jù)不同的技術(shù)距離不同），電源能夠瞬間自發(fā)信器傳到對(duì)應(yīng)的接受器，從而實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。可以說，對(duì)無線充電而言，設(shè)備是簡單的，充電距離與效率才是技術(shù)最核心的環(huán)節(jié)。

無線充電技術(shù)原理

無線充電技術(shù)的原理研究可以追溯到19世紀(jì)30年代，科學(xué)家邁克爾?法拉第首先發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理，即周圍磁場的變化將使電線中產(chǎn)生電流。到了19世紀(jì)90年代，愛迪生光譜輻射能研究項(xiàng)目的一名助手，也是后來的科學(xué)家尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla) 證實(shí)了無線傳輸電波的可能性，并申請(qǐng)了首個(gè)專利。目前短距離無線充電存在三種不同的商用技術(shù)，電磁感應(yīng)技術(shù)、無線電波技術(shù)和電磁共振技術(shù)，幾種技術(shù)各有特點(diǎn)。

近期電磁感應(yīng)技術(shù)首先取得了突破，一些展會(huì)上展出的產(chǎn)品均是采用電磁感應(yīng)原理取得的成功。電磁感應(yīng)技術(shù)，通過初級(jí)和次級(jí)線圈感應(yīng)產(chǎn)生電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端，由于電磁感應(yīng)技術(shù)具有技術(shù)簡單、充電高效，并能夠運(yùn)用于如滿布水、沙泥及灰塵的各種惡劣環(huán)境中，未來很有可能在幾種技術(shù)的較量中最先取得成功。電磁感應(yīng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)還包括傳輸?shù)墓β士梢詮膸淄叩缴习偻撸緷M足了現(xiàn)在大部分消費(fèi)電子產(chǎn)品特別是智能手機(jī)等充電需求最大的市場要求。但是，電磁感應(yīng)技術(shù)也有自己的問題，首先是傳輸距離很短，必須接觸才能實(shí)現(xiàn)無線輸電；另一方面，無論是線圈和電路之間的屏蔽問題需要對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)加以改進(jìn)，還是充電端要進(jìn)行智能識(shí)別以判斷是被充目標(biāo)還是其他金屬以避免誤充造成不必要的安全隱患，都是電磁感應(yīng)技術(shù)快速普及面臨的最大挑戰(zhàn)。

IDT先進(jìn)用戶界面部戰(zhàn)略營銷總監(jiān)Eric Itakura相信電磁感應(yīng)技術(shù)背后有很多樂觀因素，因?yàn)槠浔澈笥幸粋€(gè)聯(lián)盟機(jī)構(gòu)（無線電源聯(lián)盟），迄今為止加入的會(huì)員超過100人。代表制造商的會(huì)員橫跨多個(gè)不同的細(xì)分市場，包括消費(fèi)電子、電池、家具、汽車等。擁有廣泛的支持和設(shè)備之間最重要的互操作性對(duì)保證用戶體驗(yàn)和承諾可在任何地點(diǎn)充電至關(guān)重要。除了支持這種技術(shù)的公司眾多，其他優(yōu)勢(shì)還包括高效率，低成本、工作在非電離kHz頻率內(nèi)，并把磁場控制在非常小的區(qū)域里、安全性高。但是其他技術(shù)和要求更長距離的應(yīng)用還有發(fā)展空間。

無線電波技術(shù)也是發(fā)展較為成熟的技術(shù)，其基本原理類似于早期使用的礦石收音機(jī)。通過一個(gè)微型高效接收電路，可以捕捉到從某個(gè)指定位置傳送過來的無線電波能量，在隨負(fù)載作出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離長，并且可以對(duì)不同位置的設(shè)備進(jìn)行同時(shí)傳送電能。但缺點(diǎn)也很明顯，一個(gè)是傳送功率小，充電速度會(huì)比較慢；而且傳輸?shù)男室脖容^低。無線電波技術(shù)比較適合的一些小功率或相對(duì)較長時(shí)間不移動(dòng)的設(shè)備充電，并且非常理想用于物聯(lián)網(wǎng)的一些未來供電應(yīng)用。

另一種技術(shù)是電磁共振，這個(gè)技術(shù)相對(duì)而言還沒有完全成熟。電磁共振原理是，當(dāng)物體間以相同頻率共振時(shí)，就有可能有效實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸。把共振運(yùn)用到電磁波的傳遞上，利用銅制線圈作為電磁諧振器，一團(tuán)線圈附在傳送電力方，另一團(tuán)在接受電力方。當(dāng)傳送方送出某特定頻率的電磁波后，經(jīng)過電磁場輻射到接受方，電力就實(shí)現(xiàn)了無線傳輸。

對(duì)于今后無線電力傳輸?shù)膽?yīng)用，電磁共振的優(yōu)勢(shì)很多。首先是其功率傳輸可以較大到幾千瓦，一方面?zhèn)鬏斔俣葧?huì)很快，另一方面?zhèn)鬏數(shù)哪芰啃矢撸浜掀鋫鬏斁嚯x可以在5米以內(nèi)，能滿足一些工業(yè)和電動(dòng)汽車的充電需求，具有更普遍和廣闊的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用空間。此外，安全性也有保障，日常生活中應(yīng)用的很多物體，與電磁場的反應(yīng)很微弱。實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)銅線圈，雖然在彼此之間產(chǎn)生了強(qiáng)大的磁場，但是對(duì)周圍環(huán)境的影響很小。Vishay中國電阻/電感高級(jí)行銷經(jīng)理譚世棋表示，電磁共振技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭最猛，目前的性能已經(jīng)達(dá)到可以接受的程度。市面上已經(jīng)有一些支持這種技術(shù)的交鑰匙方案。這種技術(shù)非常靈活，易于擴(kuò)展。

村田公司則在三種技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的革新，選擇采用電場耦合方式實(shí)現(xiàn)無線供電，村田(中國)投資有限公司營業(yè)企劃部戰(zhàn)略企劃副經(jīng)理三井裕司表示，村田選擇電場耦合方式這種技術(shù)是因?yàn)樗兄煌谄渌绞降莫?dú)特優(yōu)勢(shì)，比如寬闊的充電區(qū)域，電極部分不受形狀約束，設(shè)計(jì)自由度較高和電極部分的發(fā)熱量較少等。

由于TDK在高性能磁性材料方面的優(yōu)勢(shì)，其無線充電的磁性線圈雖然很薄，但是可以實(shí)現(xiàn)超高性能，實(shí)現(xiàn)了厚度1.0mm以下的5W規(guī)格產(chǎn)品，還有厚度0.8mm規(guī)格下的2.5w產(chǎn)品。TDK還利用柔性薄膜的生產(chǎn)技術(shù)，提供具有抗沖擊性能的產(chǎn)品，同時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到70%以上，并且提供支持WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的Tx側(cè)線圈。

面對(duì)的挑戰(zhàn)

無線充電技術(shù)作為近兩年大規(guī)模興起的應(yīng)用，如今，理論技術(shù)的難點(diǎn)大部分已經(jīng)得到解決。今天的無線電源解決方案實(shí)際上運(yùn)行得非常好，并且可靠而穩(wěn)固。所以，成本和效率是未來發(fā)展的兩個(gè)最大的難點(diǎn)。其中，需求重點(diǎn)應(yīng)該不是降低接受設(shè)備的成本，而是盡可能提高效率，如果無線充電的效率不高，就體現(xiàn)不出無線充電的好處。如果長距離無線充電普及開來，會(huì)引發(fā)很多人身健康問題的討論。無線充電的市場還處于初期，隨著技術(shù)變得更容易負(fù)擔(dān)、效率更高，無線充電在未來五年將迎來迅猛增長。目前，Vishay的重點(diǎn)是無線充電系統(tǒng)的線圈部分，我們將和設(shè)計(jì)工程師緊密合作，設(shè)計(jì)出完整的無線充電系統(tǒng)，提供最高效和專用線圈，使性能達(dá)到最高，把可能產(chǎn)生問題的離散充電場減到最小。

IDT Eric Itakura表示感應(yīng)無線電源效率在70%至75%的范圍內(nèi)，是指從發(fā)射器的DC輸入端到接收器的DC輸出端效率測算所得。效率可通過更優(yōu)的線路設(shè)計(jì)、使用更多的高級(jí)過程以及優(yōu)化的IC架構(gòu)而得到改進(jìn)。無線電源接收器需要從接收用線圈接收AC電源，并將其改變?yōu)镈C電壓，然后該電壓下降為充電管理或電池充電 IC可接受的穩(wěn)定電壓。這些必須非常有效地完成以避免熱引起的過度損耗。要想使功率高效率傳輸而無過多的熱量損失，這取決于一些因素，包括接收器IC的效率、封裝尺寸以及應(yīng)用環(huán)境的特征（例如PCB尺寸和地點(diǎn)）。為了減少成本，你可以讓晶圓更小，但是即使以最佳的效率，在特定功率水平散熱也會(huì)成為挑戰(zhàn)。所以，最終還是平衡。

在推廣無線充電系統(tǒng)的過程中，一個(gè)非常關(guān)鍵的問題就是如何通過標(biāo)準(zhǔn)化來確保不同設(shè)備之間的相互連接。村田的三井裕司介紹，村田已經(jīng)開始著手電場耦合方式的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，并積極開展著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定以及商業(yè)化平臺(tái)的開發(fā)等各項(xiàng)工作。技術(shù)方面的重點(diǎn)則在于如何開發(fā)出能夠同時(shí)兼容更多種不同設(shè)備的充電系統(tǒng)，希望能夠充分利用電場耦合方式的特點(diǎn)來開發(fā)出能夠適用于不同電力、不同大小設(shè)備的充電系統(tǒng)并盡快實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

此外，還有一個(gè)就是觀念的問題，無線充電技術(shù)并沒有得到很好的理解。比如電磁感應(yīng)技術(shù)需要手機(jī)端附加相關(guān)接收器，但在演示期間，IDT Eric Itakura看到人們嘗試將自己沒有配備無線電源接收器的手機(jī)放在充電器上，并希望能夠接收到電源。但如之前所提到的，解決方案有兩面性，客戶需要了解有什么樣的要求。讓充電板和無線電源接收器與消費(fèi)器件包裝在一起，需要很長時(shí)間來讓客戶了解，廣告和推廣材料不僅讓技術(shù)看起來更激動(dòng)人心和讓人們看到其帶來的便利，還能夠讓客戶了解，在時(shí)間方面，Eric Itakura期望今年能夠開始大規(guī)模的商用，明年能夠開始引人注目。

提高傳輸距離和提升傳輸功率，是未來無線充電技術(shù)在解決成本和效率之外，考慮的另外兩個(gè)重要問題。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線充電要求通常在更高的頻率下接受更低的效率以傳輸更高的功率，完成所有這些必須不對(duì)其他可能對(duì)傳輸敏感的器件造成干擾，并且避免引起客戶對(duì)功率遠(yuǎn)距離傳輸健康方面的擔(dān)心。來自更高功率的挑戰(zhàn)成為熱消散的一個(gè)問題，即使是一個(gè)非常有效的解決方案也會(huì)有熱損耗，當(dāng)需要提供高功率時(shí)，這點(diǎn)變得尤為重要。