磁感應或磁共振，哪個更適合于無線充電？

摘要：磁感應與磁共振是目前最主要的兩種無線充電技術，本文分析各種技術的優缺點。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/145521. htm

關鍵詞：磁感應；磁共振；無線充電；IDT

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.6.006

無線電源技術領域近期的活動引起了一些思考，采用什么樣的解決方案才是理想的？對于消費類市場，磁感應（Magnetic Induction，簡稱 MI）或磁共振（Magnetic Resonant，簡稱 MR）都是備選方案。無論消費市場朝哪個方向發展，一個已知的事實是，無線充電必將得到采用。未來兩三年內我們將會看到，在手機提供商的主要推動下，無線充電將開始向手機生態系統市場滲透。擁有強大生態系統的計算領域將緊隨其后，使無線充電技術的采用進入下一個增長階段。之后，無線電源技術很有可能擴展到支持手機和計算解決方案的基礎設施中。未來的架構和解決方案中怎樣運用無線電源技術，上述應用將僅僅是一個開端。

關于無線電源技術的采用率及其潛在的總體有效市場（Total Available Market，簡稱TAM），已經有很多調查報告和市場研究了。提供準確的市場信息是具有挑戰性的，因為采用率和技術選擇是這些預測的關鍵參數。就磁感應技術而言，主要有兩個流行標準：無線充電聯盟（Wireless Power Consortium，簡稱 WPC）和電源事務聯盟（Power Matters Alliance，簡稱PMA）。這兩個標準都相當成熟，很多產品已經用在消費市場了。無線電源聯盟（Alliance for Wireless Power，簡稱 A4WP）是第一個基于磁共振技術的標準。應該提到的一點是，英特爾的無線充電技術（Wireless Charging Technology）也是基于磁共振技術的，其定位是超級本及其自身生態系統。Power by Proxy、Witricity等其他技術已經在工業和軍工行業中得到應用，現在也在向消費市場滲透。所有這些標準和解決方案都引起了一些疑問，例如，無線電源技術將向哪個方向發展？采用哪些解決方案是理想的？在我們能回答這些問題之前，很重要的一點是，要了解磁感應和磁共振技術的根本差別。基于這種了解以及應用/系統的要求，才能為給定應用選擇合適的解決方案。

移動設備

磁路

磁感應和磁共振這兩種技術的架構有很多相似之處。例如，二者都將磁場用作傳送功率的橋梁。

在這兩種技術中，電流被引入進一個諧振電路，進而產生磁場來傳送功率。磁路的規格對電磁場的形成有很大影響。利用電磁屏蔽和/或磁心的物理形狀，可以抑制和/或引導磁通量。通過提高電磁屏蔽層的磁導率，可以改善通量密度和通量抑制。成本和厚度是選擇合適的電磁屏蔽材料時考慮的關鍵因素。在電磁場場中接收和發送線圈的對準度以及二者之間的距離決定功率傳輸的效率；接收和發送線圈分離越遠，功率傳送效率就越低。還有其他一些因素對能量傳送效率有很大影響，包括諧振頻率、發送與接收線圈尺寸之比、耦合因數、線圈阻抗、趨膚效應、AC 和 DC組件以及線圈寄生參數。

隨著x、y 和 z 分離度以及發送和接收線圈之間比例角的增大，損耗和效率將受到極大的影響。

在 WPC 規范中，接收器線圈相對于發送器線圈的位置有一些具體要求，以應對效率問題。這要求用戶對齊線圈，以最大限度地增大兩個線圈之間的耦合因數。在采用磁共振技術的情況下，自由定位以及能在磁場場中放置一個或多個設備的能力給用戶帶來的更多便利。但是，用戶需要知道這種情況對傳送效率的影響，因為耦合設備之間的距離增大了。

根據要求，包括成本和尺寸的考量，一個或多個線圈的解決方案都可以用于磁感應和磁共振這兩種技術。

電源管理

開發高性能電源管理架構對磁共振和磁感應解決方案的成功實現有很大影響。在發送器方面，為了把電流引入諧振電路，進行了 DC 到 AC 轉換。在磁感應技術中，用半橋式或全橋式轉換器實現這種轉換，而在磁共振技術中，電流是通過功率放大器引入的。功率放大器架構和歸類可能隨頻率、待機電流、效率、尺寸、成本以及應用集成要求的不同而變化。在進行這類轉換時，需要仔細考慮如何減少門極、開關、傳導、偏置、體二極管等損耗，以及如何減少寄生參數，例如外部元器件的等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）。對于開發高性能的集成解決方案，這些都是關鍵的挑戰。

根據輸入電壓的要求和設計架構，工藝的選擇對優化集成解決方案有很大影響。在系統中有多個控制環路，整個控制環路的穩定性對高性能解決方案總體的成功有很大影響。在磁感應和磁共振技術中，通過有效的電源管理，可以實現相似的性能和效率。

通信

為了功率的成功傳送，發送器需要識別正確耦合的接收器。在 WPC和 PMA 解決方案中，發送器周期性地發出測試信號，以搜索接收器。識別出接收器以后，就進行功率傳送。這類解決方案采用固定頻率調制進行通信。其他一些通信方法有幅度、功率、電流和脈沖寬度調制（PWM）。如果發送和接收之間的匹配網絡能夠容許較寬范圍的頻率變化，那么所有這些調制方法都可以使用。

在 A4WP 磁共振解決方案中，發送和接收匹配網絡是嚴格匹配的，所以不能采用頻率調制。不過，如果負載是固定的，那么就有可能采用幅度調制。如果不影響接收器的性能，那么就可以采用功率和電流調制。在移動應用中，由于負載基于功能要求而變化，所以基于上述調制方案開發解決方案是有挑戰性的，而且很可能在大小和成本上都不夠實惠。A4WP 選擇籃牙或ZigBee 作為標準通信方法。使用這些方法很便利，因為它們已經存在于移動解決方案之中了。此外，對于發送器而言，通過識別不同的接收器向多個設備傳送功率也很便利。還有一些其他的類似方法可用來實現同樣的目的。

通信也用來提供功率傳送狀態信息，例如異物檢測（FOD）、耦合狀態甚至可能是對齊指導信息（AGI）。電磁場中的金屬等異物，由于其材料的導電性，可以引起溫度上升。不管采用什么技術，都有可能出現這種問題。

為了最大限度地提高磁感應技術的效率，有必要準確檢測發送和接收端的電壓和電流。其他功能，例如負載反射效應、電流感應以及調制和解調的定時及其在閉合環路系統中的影響，對于保持系統的穩定性，確保通信的成功，是至關重要的。其他挑戰，例如滿足美國“加州環境協會（California Environmental Association，簡稱CEA）以及美國聯邦通信委員會（FCC）第15章和第18章等法規的要求，也會影響系統的總體效率。

合乎情理的結論是，就具體應用而言，最佳解決方案要根據所要求的功能和性能而定。如果要求在X、Y 和Z 方向自由定位或多設備充電能力，那么磁共振可能是首選解決方案。如果要求高效率并嚴格遵守法規，那么符合 WPC 要求的解決放案也許是最佳選擇。不過，毫無疑問的是，能無縫識別基于磁感應或磁共振的耦合設備并能有效和高效傳送功率的多模式解決方案，將是這些應用的理想解決方案。

IDT和高通公司已經開展合作，支持IDT開發基于高通的 WiPower 技術的，面向消費類電子產品的集成電路。此款 IC 的設計滿足了高通公司新的近距離磁共振無線充電解決方案的要求。這些解決方案能使消費電子產品的充電不受空間上的限制，例如手機以及其他電池供電/低功率的直接充電設備等。IDT的磁共振解決方案系列正在擴展，基于英特爾超級本生態系統的無線充電技術，開發了接收器和發送器解決方案。IDT還與英特爾合作開發了無線充電技術芯片（Wireless Charging Technology Chips）。英特爾選定IdT為其開發基于它的無線磁共振充電技術的集成發送器和接收器芯片組。英特爾與IDT的共同目標是，針對超級本、一體化（AiO） PC、智能手機和獨立充電器，提供有效的參考設計。