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一篇讀懂無線充電技術（附方案選型及原理分析）
0.背景
1.無線供電特點
- 1.1優點：
- 1.2 缺點
2. 無線供電原理及實作方式
- 2.1 電磁感應式
- 2.2 磁場共振式
- 2.3 無線電波式
- 2.4 電場耦合式
3 無線充電一般流程
- 3.1 檢測階段：識别可供電裝置及異物（FOD）
- 3.2 通訊階段：進行身份認證
- 3.3 充電階段：進行電能傳輸
4.現有解決方案分析：
- 4.1 IDT無線IC方案
- 4.2 恩智浦 MW系列無線充電IC方案：
- 4.3 TI （BQ系列）無線充電方案
- 4.4 東芝無線IC方案
5. FAQ及相關測試結果
- 5.1 人體危害：
- 5.2 發熱：
- 5.3 充放電效率問題：
- 5.4 互感影響：垂直距離和水準位置影響
- 5.5 距離以及線圈大小對充電效率的影響。
- 5.6 功耗問題。
6. 參考資料
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一篇讀懂無線充電技術（附方案選型及原理分析）

作者：HowieXue

0.背景

現今幾乎所有的電子裝置，如手機，MP3和筆記本電腦等，進行充電的方式主要是有線電能傳輸，既一端連接配接交流電源,另一端連接配接便攜式電子裝置充電電池的。這種方式有很多不利的地方，首先頻繁的插拔很容易損壞主機闆接口，另外不小心也可能帶來觸電的危險。

無線充電運用了一種新型的能量傳輸技術——無線供電技術。該技術使充電器擺脫了線路的限制，實作電器和電源完全分離。在安全性，靈活性等方面顯示出比傳統充電器更好的優勢。在如今科學技術飛速發展的今天，無線充電顯示出了廣闊的發展前景。

無線充電已從夢想成為現實，從概念變成商用産品。産品執行個體：

無線充電器方案(方案選型)一篇讀懂無線充電技術（附方案選型及原理分析）0.背景1.無線供電特點2. 無線供電原理及實作方式3 無線充電一般流程4.現有解決方案分析：5. FAQ及相關測試結果6. 參考資料

圖：手機筆記本無線充電器

圖：新能源汽車無線充電

圖：電動牙刷無線充電

1.無線供電特點

1.1優點：

（1）便捷性：非接觸式，一對多充電

與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時亦避免了接口不适用，接觸不良等現象，老年人也能很友善地使用。

一台充電器可以對多個負載充電，一個家庭購買一台充電器就可以滿足全家人使用。

（2）通用性：應用範圍廣

隻要使用同一種無線充電标準，無論哪家廠商的哪款裝置均可進行無線充電。

（3）新穎性，使用者體驗好

（4）具有通用标準

主流的無線充電标準有：Qi标準、PMA标準、A4WP标準。

Qi标準：Qi标準是全球首個推動無線充電技術的标準化組織——無線充電聯盟（WPC，2008年成立）推出的無線充電标準，其采用了目前最為主流的電磁感應技術，具備相容性以及通用性兩大特點。隻要是擁有Qi辨別的産品，都可以用Qi無線充電器充電。2017年2月，蘋果加入WPC。

PMA标準：PMA聯盟緻力于為符合IEEE協會标準的手機和電子裝置，打造無線供電标準，在無線充電領域中具有上司地位。PMA也是采用電磁感應原理實作無線充電。目前已經有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯盟。

A4WP：Alliance for Wireless Power标準，2012年推出，目标是為包括便攜式電子産品和電動汽車等在内的電子産品無線充電裝置設立技術标準和行業對話機制。A4WP采用電磁共振原理來實作無線充電。

1.2 缺點

（1）工作距離短

目前的無線充電技術大多在短距離範圍内的近磁場對電子裝置進行無線充電。因為無線電能傳輸的距離越遠，功率的耗損也就會越大，能量傳輸效率就會越低，且會導緻裝置的耗能較高。

（2）轉換效率低，速度慢

無線充電技術雖然簡單便捷，但是其硬傷在于緩慢的充電速度和充電效率。

（3）功耗較高，更加費電

随着無線充電裝置的距離和功率的增大，無用功的耗損也就會越大。

（4）成本較高，維護消耗大，不符合标準會有安全隐患危險

2. 無線供電原理及實作方式

無線充電利用電磁波感應原理進行充電，原理類似于變壓器。在發送和接收端各有一個線圈，發送端線圈連接配接有線電源産生電磁信号，接收端線圈感應發送端的電磁信号進而産生電流。

2007年6月麻省理工學院以Marin Soljacic為首的研究團隊首次示範了利用電磁感應原理的燈泡無線供電技術，他們可以在一米距離内無線給60瓦的燈泡提供電力，電能傳輸效率高達75%。

研究者由此設想電源可以在這範圍内為電池進行無線充電，進而推想隻需要安裝一個電源，即可為整個屋裡的用電器供電。傳輸線圈的工作頻率在兆赫茲範圍，接收線圈在非輻射磁場内部發生諧振，以相同的頻率振蕩，然後有效的通過磁感應進行電能傳輸。

圖：無線充電原理

實作無線充電技術主要通過四種方式：電磁感應式、磁場共振式、無線電波式、電場耦合式：

2.1 電磁感應式

1890年，實體學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就已經做了無線輸電試驗，實作了交流發電。

邁克爾·法拉第發現電磁感應原理，電流通過線圈會産生磁場，其他未通電的線圈靠近磁場就會産生電流。

圖：電磁感應式原理

電磁感應式充電：初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈鐘産生一定的電流，進而将能量從傳輸端轉移到接收端。目前最為常見的充電墊解決方案就采用了電磁感應，事實上，電磁感應解決方案在技術實作上并無太多神秘感，中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請的非接觸感應式充電器專利，就使用了電磁感應技術。

電磁感應式是目前最成熟、最普遍的無線充電技術，原理有些類似于變壓器。

圖：電動汽車無線充電原理

2.2 磁場共振式

圖：磁場共振方式原理

磁場共振充電由能量發送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個裝置調整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術，由麻省理工學院(MIT)實體教授Marin Soljacic帶領的研究團隊利用該技術點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡。該實驗中使用的線圈直徑達到50cm，還無法實作商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。

相比電磁感應方式，利用共振可延長傳輸距離。磁共振方式不同于電磁感應方式，無需使線圈間的位置完全吻合。

應用：意法半導體與WiTricity合作開發諧振無線電能傳輸晶片

意法半導體(簡稱ST)與超長距離無線電能傳輸技術先驅WiTricity公司,宣布合作開發電磁諧振式無線電能傳輸半導體解決方案。

此方案支援消費電子和物聯網裝置快速無線充電,并支援多個裝置同時充電。這個電磁諧振無線電能傳輸晶片被稱為“無線充電2.0”,與現有無線充電技術不同的是,這款晶片能夠給金屬外殼的智能手機、平闆電腦和智能手表高效充電。

2.3 無線電波式

無線電波式充電：這是發展較為成熟的技術，類似于早期使用的礦石收音機，主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從牆壁彈回的無線電波能量，在随負載作出調整的同時保持穩定的直流電壓。此種方式隻需一個安裝在牆身插頭的發送器，以及可以安裝在任何低電壓産品的“蚊型”接收器。

整個傳輸系統包括微波源、發射天線、接收天線3部分;微波源内有磁控管，能控制源在2. 45 GHz頻段輸出一定的功率

圖：無線電波充電示意圖

應用：AirVolt無線充電器

AirVolt是一款利用無線電波給移動裝置進行充電的無線充電器。和同類型産品一樣,它的效率要比有線充電低一些。AirVolt充電頭通電後可以将電能轉化為電磁波,接收器擷取後會将電磁波又轉化為電能為手機充電。當電量充滿到80%時就會自動停止充電, 低于20%時又會自動充電, 既保證了手機最佳電量又不會導緻過度充電, 增加了電池使用壽命。

AirVolt由 TechNovator公司開發, 需要充電時隻要将接收器插進手機, 再将充電頭插上插座就能進行遠端無線充電。最佳充電距離是9米之内,而最遠距離可達12米,躲到屋裡任何一個角落都能充電!接收器和充電頭體積都足夠小，充電速度就比普通充電器慢一些。有Lightning 或 Micro usb兩種接口選擇, 滿足不同需要。

2.4 電場耦合式

電場耦合式充電原理：利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而産生的感應電場來傳輸電力。一般充電子產品是由2個非對稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電子產品就是通過這2個非對稱偶極子的電場耦合而産生的感應電場來供電的。

電場耦合方式的特點大緻有三：

①充電時可實作位置自由，②電極薄，③電極部的溫度不會上升。是以不僅能夠提供便利性，而且還可降低系統成本。目前已試制完成為平闆終端及電子書等便攜終端進行無線供電的供電台。

3 無線充電一般流程

一般來說，無線充電步驟分為：檢測、通信、供電三個階段：

3.1 檢測階段：識别可供電裝置及異物（FOD）

當接收器放置在發射器工作範圍内，發射器檢測是否是一個接收器靠近

3.2 通訊階段：進行身份認證

發射器發送資料包，并且為接收器供電啟動接收器，之後接收器回複響應資料完成身份的認證

3.3 充電階段：進行電能傳輸

在身份認證後，發射器根據接收器的裝置類型，選擇相應的功率等參數，為接收器充電

以Qi标準為例，整體流程如下：

圖：Qi标準通訊流程

現今無線充電系統都采用共振的方式進行設計，在架構上都大至相同有下列這些構造：

發射器内有

• 直流電源輸入

• 頻率産生裝置

• 切換電力的開關

• 發射的線圈與電容諧振組合

接收器内有

• 接收的線圈與電容諧振組合

• 整流器;

• 濾波與穩壓器

• 直流電源輸出

4.現有解決方案分析：

國外：(包括晶片/方案/發射接收器件) IDT、TI、Freescale、高通、博通、NXP、Fulton、Energous、Delphi、松下、東芝、富士通等。

國内：中惠創智、新頁、中興、勁芯微、美嗒嗒、微鵝、斯普奧汀、華潤矽科、新捷、伏達、以及台灣淩陽等。

在無線充電發射器上放置不同的接收器，接收器可為不同的裝置從小電力的耳機到大功率的筆記型計算機，是以一個成熟的解決方案首先應該要能檢測到對應不同的目标物；而每個接收裝置的電力需求會有所不同，這時發射器需要能自動調節功率輸出進行供電。

4.1 IDT無線IC方案

圖：IDT無線發射與接收IC

IDT公司的無線充電技術解決方案具備高內建度，提供單晶片SOC解決方案，支援QI-LOGOWPC認證，并且相容POWERMATE模式；具有加密通訊（FSK、ASK實作），異物檢測模式功能。IDT目前是英特爾整個平台無線充電技術唯一的合作夥伴。現已有多家廠商使用IDT無線充電解決方案。

IDT的無線充放電IC在無線充電效率在15W時最高可達87%，提高了系統的熱性能，可以媲美傳統的有線充電架構。其内部處理器基于32位ARM Cortex-M0架構，通過I2C通訊控制，并且提供了擴充的數字IO引腳以及相關軟體庫。

圖：IDT無線充電解決方案原理

成本評估參考：晶片價格 () P9242-RNDGI (15W Transmitter) 4.4 P9221-RAHGI8 (15W Receiver) 3.2 P9038-RNDGI (5W Transmitter) 3.9 P9025AC-RNBGI (5W Receiver)

4.2 恩智浦 MW系列無線充電IC方案：

恩智浦提供的解決方案涵蓋5 W的低功耗産品到15 W的中等功耗産品，适用于消費電子、工業控制和汽車電子市場，包含發送器/接收器控制器IC、相關軟體、評估闆和參考設計。該軟體包含實作核心充電功能所需的全部資源，還提供了用于定制和增加功能的API。

圖：恩智浦MW系列無線充電IC

成本評估參考：

4.3 TI （BQ系列）無線充電方案

TI是最早量産無線充電方案公司。其中10W無線充電解決方案中，從發射端輸入到接收端輸出效率可以達到84%。

接收器功能框圖：

發射器功能框圖：

此外，TI推出的第三代無線電接收器晶片bq51020和bq51021，以及世界第一個達到WPC1.1和PMA标準的雙模型內建電路bq51221，這些接收器解決方案已達到96%的超高效率。進而完全消除了在5W的條件下，應用于智能手機及其他便攜式裝置中全面運轉的散熱問題。

成本評估參考：

發送器:

接收器：

4.4 東芝無線IC方案

東芝公司旗下存儲與電子元器件解決方案公司也有宣布,使用東芝“TC7718FTG”15W無線充電發射器IC的無線充電發射器系統經認證符合無線充電聯盟(WPC)制定的Qi v1.2 EPP(擴充功率分布)标準。該系統采用支援簡單系統配置的MP-A2 (由無線充電聯盟定義的使用12V單線圈的無線充電發射器系統) ，通過Qi認證的MP-A2發射器系統。

東芝推出無線充電接收器IC——“TC7766WBG”,該産品經認證符合無線充電聯盟(WPC)制定的Qi v1.2 EPP(擴充功率分布)标準。TC7766WBG是通過Qi認證的15W接收器IC。

5. FAQ及相關測試結果

5.1 人體危害：

當電磁波頻率加到1GHz以上就會直接對水分子加熱；這個原理就變成微波爐了，是以無論13MHz會對金屬加熱或是1GHz以上直接傷害人體，無線電力在設計時必需解決安全的問題才能上市

5.2 發熱：

接收端5W的需求在隻有20%的轉換效率下有20W的能量轉換成熱能散逸，這樣的能量會産生龐大的熱能會導緻系統溫度大幅上升，在這樣的推算下，系統最大輸出能力會在25W，若為無安全設計下于發射器上放置金屬異物可能會導緻火災意外。是以有必要做裝置識别。

5.3 充放電效率問題：

發射端輸入電壓為5VDC，接受線圈之間距離為3cm，接收端通過接受線圈擷取電能，通過整流濾波形成穩定的5v直流電。

5.4 互感影響：垂直距離和水準位置影響

5.5 距離以及線圈大小對充電效率的影響。

遠距離（相隔一定的空間）的感應電能傳輸效率非常低，而在裝置附近（例如表面）進行的感應電能傳輸則可以真正做到高效，其效率可與有線傳輸比拟。

距離越大(z/D > 1)或線圈大小差距越大，效率降低的幅度越大

距離越小(z/D < 0.1)，線圈大小越接近(D2/D = 0.5…1) ，效率越高

5.6 功耗問題。

與2相同條件下，發射端待機功耗：

6. 參考資料

[1] 王振亞, 王學梅, 張波, 等. 電動汽車無線充電技術的研究進展 [J]. 電源學報, 2014, 12(3):27-32.

[2] 孟慶奎. 手機無線充電技術的研究[D]. 北京郵電大學, 2012.

[3] 潘力. 一種锂電池無線充電子產品的設計[D]. 電子科技大學, 2013.

[4] 朱美傑. 感應式無線充電技術的研究[D]. 南京資訊工程大學, 2012.

連結：

https://www.idt.com/products/power-management/wireless-power

http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/power-management/wireless-power-receiver-solutions-overview.page?utm_source=BAIDU&utm_medium=cpc&utm_term=TI%20%E6%97%A0%E7%BA%BF%20%E5%85%85%E7%94%B5&utm_campaign=APP_BAT_CN_B_M_BatteryMgmt&utm_content=0cf84af6-2651-40ed-85f8-bdd30a2266d3

http://www.dzsc.com/data/2015-4-20/108169.html

http://3y.uu456.com/ss_k4gp1bg1xn5hkcgi30k1gk0po3v019019019jezjgqjezk0pfogg8mfock4gp1bg1xn5hh2g9hstokn5hs1bh6m9ht_1.html

http://www.elecfans.com/monijishu/wuxian_chuangan/431477.html

https://wenku.baidu.com/view/81b2df9e5ef7ba0d4a733b97.html

http://www.nxp.com/cn/products/power-management/%E6%97%A0%E7%BA%BF%E5%85%85%E7%94%B5ic:WIRCHA_ICS?cid=ps_cn_baidu_cpc_B_SC_WirelessCharging_Phrase_bd20170517011

無線充電器方案(方案選型)一篇讀懂無線充電技術（附方案選型及原理分析）0.背景1.無線供電特點2. 無線供電原理及實作方式3 無線充電一般流程4.現有解決方案分析：5. FAQ及相關測試結果6. 參考資料

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