充電電纜和電源線一直被人們認為比較麻煩，而且是業界可以很容易消除的東西。那么，為什么不讓每個消費類設備都進行無線充電呢？現在產業正在進行這項工作。許多最新的智能手機都帶有無線充電功能，各種新車型可以為這些消費產品充電。世界各地的咖啡店已經測試了這項技術，并且有許多種評估平臺，適用于各種不同的無線充電系統。

　　基于這一切，那究竟是什么阻礙了無線充電的廣泛使用？主要挑戰是標準之間的競爭。無線功率聯盟（WPC）的Qi規范和AirFuel Alliance擁有的各種規范多年來一直在就不同技術爭論不休，使設備制造商難以確信消費者可以輕松地為智能手機、智能手表、平板電腦或筆記本電腦等進行隨時隨地的充電。

　　當然其中也存在一些工程挑戰。Qi系統要求發射器和接收器上的充電線圈相距幾毫米，并且需要相當好地對準，以獲得最快速的充電。當消費者將手機放在桌子上進行無線充電時，上述要求的情況不會發生。

　　被充電設備和下面的充電器也必須能夠進行通信，并且有許多不同的方式可以實現。從感應式和電容式充電到磁共振充電，其中也涉及多種基本技術，每項技術都有其特定的工程利弊。同時，用戶還希望能夠更快速充電，意味著需要更高的功率，但這可能會會給無線充電架構帶來安全問題，因為如果有金屬物品在場，會受到加熱并造成傷害。非常重要且不能忘記的是，除了所有這些考慮因素外，設備制造商還希望獲得最低的總體成本。

　　WPC介紹

　　WPC成立于2008年，是一個開放和協作標準開發小組，由來自全球的600多家成員公司組成（但應該指出，許多公司都參與了無線充電領域的競爭標準組織）。成立不久之后，它推出了Qi標準，這是面向智能手機和其他便攜式移動設備的最完善無線充電技術，功率為5W至15W。然而在某種程度上，這也已經抑制了標準，因為任何創新必須向后兼容十年前設計的系統。

　　Qi采用的是低頻緊密耦合型感應充電機制，這是一種成本最低的方法。然而，WPC還擴展了無線廚房標準，用于家用電器（覆蓋200W至2.2kW）和中等功率標準，用于電動工具、機器人吸塵器、電動自行車和其他電池供電設備（30W至65W）充電。這兩種標準仍處于開發階段，并通過使用不同的技術來避免向后兼容的挑戰。

　　圖1：德州儀器（Texas Instruments）用于無線充電的BQ51222單芯片接收器。

　　Qi標準使用低頻（112kHz至250kHz）、低數據速率帶內通信。這將充電器與設備間隔限制在3mm至5mm范圍，并且對放置靈活性有明顯影響。利用帶內通信，正在發送的數據通常與無線功率傳輸共存。這其中的麻煩是，從接收器到發射器為單向通信，沒有從發射器到接收器的反饋，并且僅在單個接收器與單個發射器相關聯時才起作用。通過使用多個單獨的線圈或陣列和不同的通信協議，可以解決這個問題，但是這些都存在向后兼容性問題，以及較高的成本。目前已經有許多單片Qi控制器量產，其中包括來自德州儀器和恩智浦（NXP）等供應商的產品，它們有助于降低簡單無線連接的成本。

　　圖2：恩智浦半導體的NXQ1TXH5 Qi無線充電發射器。

　　AirFuel聯盟

　　2015年，Alliance for Wireless Power （A4WP）和Power Matters Alliance （PMA）合并創建了AirFuel聯盟（AirFuel Alliance），成功整合了兩項競爭技術 - 即電容和諧振充電技術。從而降低了無線充電領域的技術碎片化。AirFuel采用松散耦合方式，以及較高的6.78MHz頻率，另外線圈之間采用反向散射（backscatter）通信。這種組合允許多個設備同時依靠單個發射線圈充電，具有靈活的方向，并且最大支持5cm的距離，比Qi標準明顯改善。

　　利用反向散射通信方式，發射器能夠確定發射線圈內的負載變化，這些變化是由接收線圈上負載的變化而引起。通過在接收器線圈上的負載調制中編碼數據，接收器能夠將信號傳遞到發射器。然后，發射器可以使用解調器來訪問接收器提供的數據。更遠的距離、更容易的放置和反向散射通信允許發射器線圈嵌入在家具的表面下方，從而使得用戶的無線充電更簡單，并且使得服務提供商也能夠更平滑地集成無線充電技術。松散耦合方法還允許使用更高的功率（超過50W）進行快速充電，但實現起來比緊密耦合拓撲架構更復雜。

　　AirFuel的磁共振工作委員會（MRWC）開發并維護基于磁共振的無線功率傳輸技術的規范。該委員會的職責范圍包括為基于諧振和多模系統創建一致性測試規范和互操作性測試場景。與此同時，非耦合工作委員會（UWC）開發并維護基于RF等非磁性技術的無線功率和充電技術規范，以及超長距離傳輸功率的超聲波和激光器。

　　AirFuel標準的一個關鍵部分是帶外通信，這使得能夠在無線功率發射器與其伴隨的接收器之間建立（然后保持）穩定的通信。補充信息可以在相應的發送器和接收器元件之間傳輸，其中可能包括與設備充電能力相關的信息（以便可以使用最快的充電速率），以及認證等等。由于外部頻帶通信方案獨立于功率傳輸，因而這些都可以實施，可以使用從藍牙低功耗（BLE）到Zigbee等各種RF通信協議。AirFuel建議使用BLE（2.4GHz），因為它對于特定發射器可以同時容納多個接收器。它還支持具有多種功率級別需求的設備，以及更大的空間自由度和距離、身份驗證安全性、低功耗以及用于物聯網（IoT）下一代設備的許多其他用戶友好功能。

　　然而，WPC并沒有對于AirFuel的行動而無動于衷。最新的Qi發射器規格MP-A16現在可以支持整個表面的充電。這意味著幾乎任何表面都可以成為無線充電器，并且可以更容易地在現有的桌子、柜臺和其他位置下更換硬件。通常充電器由安裝在表面下方的發射器線圈和安裝在頂部的中繼器線圈以及與接收器的接口等組成。通過使用中繼器可以將發射器線圈產生的磁通量引導至接收器，可以實現在10mm至30mm厚的表面下進行安裝。

　　MP-A16發射器完全兼容WPC已經部署的接收器設備，包括基線功率分布（BPP）和擴展功率分布（EPP），最高可達15W。關鍵是所有現有的Qi設備都能夠使用部署MP-A16發射器的充電表面。

　　WPC之前在充電網絡實施方面的經驗表明，在表面鉆孔一直是擴展公共充電基礎設施的巨大障礙，場地業主一直不愿意進行這種不可逆、不方便和混亂的程序。基于MP-A16的新發射器將克服這個障礙，通過將發射器安裝在桌子下方，并在頂部放置中繼器，可以完成無線充電器的無痛安裝。

　　WPC也在進行室外充電部署。室外無線充電特別具有挑戰性，因為系統必須能夠忍受一年四季之間的環境條件大幅波動，其中包括從極熱到極冷、明亮的陽光和暴雨、冰雹、大雪等等。室外無線充電不再局限于5V供電，還必須包括12V或24V。防水密封技術能夠確保水分永遠不會侵入充電器，從而保持充電和被充電設備的正常運行，當然最重要的是保護用戶安全，這些都非常必要。

　　無線充電設備的室外部署已經在世界某些地區開始，例如在捷克共和國，一個表面安裝的Qi標準無線充電器已經集成到公園的太陽能長椅上。隨著越來越多的消費者用配備Qi標準無線充電功能的新手機替換舊款手機，WPC預計此類部署的速度將會加快。

　　現在市場中有幾種令人信服的技術可供無線充電系統開發人員選擇。然而，到目前為止，一些芯片制造商還是設法開發能夠滿足所有不同協議的器件。例如，Semtech的TS80000是一款能夠滿足功率輸出高達40W的發射器，并支持Qi、AirFuel和某些專有協議。它可以配置為驅動單線圈或多線圈應用（半橋和全橋系統），從次級側設備解碼數據包，并相應地調整控制。集成的PID濾波器為環路提供必要的補償，以實現對于占空比、頻率和/或橋電壓的高精度控制。

　　根據我們觀察，WPC和AirFuel這兩個標準組并沒有表現相向而行的跡象。兩個組織都在制定非常相似的標準，但出于不同的考慮。然而，半導體制造商需要能夠對沖他們的賭注。因此，通過可編程芯片解決方案將不同的協議整合在一起，能夠為系統開發人員提供了最高的靈活性。
作者：貿澤電子Mark Patrick