一篇读懂无线充电技术（附方案选型及原理分析）

作者：HowieXue

现今几乎所有的电子设备，如手机，MP3和笔记本电脑等，进行充电的方式主要是有线电能传输，既一端连接交流电源,另一端连接电子设备充电电池的。这种方式有很多不利的地方，首先频繁的插拔很容易损坏主板接口，另外不小心也可能带来触电的危险。

在本届网商会上，公司将带来其在全球率先推出的能传输解决方案——“蕊磁”无线充电、供电技术，以及智能化无线充电平台等技术展示。 科技改变生活，无线充电技术作为一种炫酷、便捷的充电方式会逐渐在电动汽车搭载应用，而电动汽车的走俏也为无线充电技术开辟了新的市场商机，我们期待着无线充电技术在将来能够大放异彩。无线充电技术其实属于能传输技术，该技术采用非接触方式，指通过将电能先转换为其他形式的中继能量如电场能或磁场能，再转换为电能，实现能传输。

无线充电已从梦想成为现实，从概念变成商用产品。产品实例：

图： 手机笔记本无线充电器

图：新能源汽车无线充电

图： 电动牙刷无线充电

（1）便捷性：非接触式，一对多充电

与一般充电器相比，减少了插拔的麻烦，同时亦避免了接口不适用，接触不良等现象，也能很方便地使用。

一台充电器可以对多个负载充电，一个家庭购买一台充电器就可以满足全家人使用。

（2） 通用性：应用范围广

只要使用同一种无线充电标准，无论哪家厂商的哪款设备均可进行无线充电。

（3）新颖性，用户体验好

（4）具有通用标准

主流的无线充电标准有：Qi标准、PMA标准、A4WP标准。

Qi标准：Qi标准是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟（WPC，2008年成立）推出的无线充电标准，其采用了目前最为主流的电磁感应技术，具备兼容性以及通用性两大特点。只要是拥有Qi标识的产品，都可以用Qi无线充电器充电。2017年2月，苹果加入WPC。

PMA标准：PMA联盟致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备，打造无线供电标准，在无线充电领域中具有领导地位。PMA也是采用电磁感应原理实现无线充电。目前已经有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA联盟。

无线充电技术目前有主流两种技术，一种是磁场共振充电，另一种是电磁感应充电，目前四大主流标准有qi标准、pma标准、a4wp标准、inpofi技术。该款共享充电宝采用qi标准，据了解，qi标准是无线充电联盟推出的“无线充电”标准，采用电磁感应技术，符合qi标准的产品将兼具便捷性和通用性两大特点，不同品牌的手机产品都可以用qi无线充电器充电，未来qi标准还将应用在高功率的数码产品中。现阶段无线充电存在四种不同的商用技术：电磁感应技术、波技术、电磁共振技术、电场耦合技术，主要用在手机无线充电的技术是电磁感应技术和电磁共振技术。

（1）工作距离短

目前的无线充电技术大多在短距离范围内的近磁场对电子设备进行无线充电。因为能传输的距离越远，功率的耗损也就会越大，能量传输效率就会越低，且会导致设备的耗能较高。

（2）转换效率低，速度慢

无线充电技术虽然简单便捷，但是其硬伤在于缓慢的充电速度和充电效率。

（3）功耗较高，更加费电

随着无线充电设备的距离和功率的增大，无用功的耗损也就会越大。

（4）成本较高，维护消耗大，不符合标准会有安全隐患危险

无线充电利用电磁波感应原理进行充电，原理类似于变压器。在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流。

这些重大发现是：超低频电磁波对生物系统的影响，特别是如何影响脑的工作，能量结构的合并，由特斯拉主、次电磁线圈感应场产生的所谓的“火球”，自然或人工材料的超导问题及所谓的无线能量传输等等。“无线充电”技术由来已久，早在2007年麻省理工学院的研究团队就做过实验，一团线圈附在传送电力方，另一团在接受电力方，利用铜制线圈作为电磁共振器，成功为一个两米外的60瓦灯泡供电。2007年6月，麻省理工学院宣布，他们已经运用电磁共振技术，不须使用电线，就能隔空传输电力，让一颗六十瓦的灯泡发光。

研究者由此设想电源可以在这范围内为电池进行无线充电，进而推想只需要安装一个电源，即可为整个屋里的用电器供电。传输线圈的工作频率在兆赫兹范围，接收线圈在非辐射磁场内部发生谐振，以相同的频率振荡，然后有效的通过磁感应进行电能传输。

图：无线充电原理

实现无线充电技术主要通过四种方式：电磁感应式、磁场共振式、波式、电场耦合式：

1890年，物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉就已经做了无线输电试验，实现了交流发电。

迈克尔·法拉第发现电磁感应原理，电流通过线圈会产生磁场全家无线充电使用方法，其他未通电的线圈靠近磁场就会产生电流。

图：电磁感应式原理

发送端线圈链接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池 ...。这种方式的充电距离在电磁感应式与波式之间，优点是传输功率较大，能够达到几千瓦，可以同时对多个设备进行充电，不要求两个设备之间线圈对应。

电磁感应式是当前最成熟、最普遍的无线充电技术，原理有些类似于变压器。

图：电动汽车无线充电原理

图：磁场共振方式原理

从接收电压幅值变化规律可以得出接收到的信号频率发生变化，信号频率与两线圈固有频率存在差异，导致两线圈没有形成共振。它通常利用铜制线圈作为电磁共振器，当充电器送出某特定频率的电磁波后，电能发送方的线圈和接收方感应器线圈之间就会形成磁场共振，实现电能的高效传输。由于发射线圈产生的磁场使接收线圈振动产生电动势，从而接收线圈也产生一个同频率的交变磁场，在两个磁场的共同作用下，发射线圈与接收线圈之间形成了一种非辐射磁场，将电能转换成磁场。

相比电磁感应方式，利用共振可延长传输距离。磁共振方式不同于电磁感应方式，无需使线圈间的位置完全吻合。

应用：意法半导体与WiTricity合作开发谐振能传输芯片

意法半导体(简称ST)与超长距离能传输技术先驱WiTricity公司,宣布合作开发电磁谐振式能传输半导体解决方案。

此方案支持消费电子和物联网设备快速无线充电,并支持多个设备同时充电。这个电磁谐振能传输芯片被称为“无线充电2.0”,与属外壳的智能手机、平板电脑和智能手表高效充电。

波式充电：这是发展较为成熟的技术，类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”。

接收控制部分设有接收模块、mcu驱动控制模块、驱动模块和电源,接收模块的天线接收发射模块的天线所发射的控制信号,接收模块信号输出端接mcu驱动控制模块输入端,mcu驱动控制模块输出端接驱动模块输入端,驱动模块的继电器控制装载机的电磁阀工作。因此当gsm频段发射选通时，gsm频段射频信号的二次谐波可通过共同节点泄漏至dcs输出匹配网络，从而传输至天线。因此，当gsm频段二次谐波信号较强时，仍有一定功率的射频信号通过射频开关dcs端耦合至天线，使得gsm频段发射时，天线端输出的gsm频段二次谐波信号较高，超出系统指标要求。

图：波充电

应用：AirVolt无线充电器

自此无线输电的概念一直在不时被提起，诸多科学家尝试了多种不同的方法，但一直未能解决能量传输过程中的效率过低问题，直到2007年，由mit的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展，他们利用电磁谐振原理实属 物体传输能景．导致其发热从而产生危险对于微 波或檄光远程传输方式．由于传输距离远，系统稳 定性较差．发射器发送的大部分能量损耗在传输空 间中，致使电磁辐射大、传输教率低。这个电磁谐振能传输芯片被称为“无线充电2.0”，与属外壳的智能手机、平板电脑和智能手表高效充电。

AirVolt由 TechNovator公司开发, 需要充电时只要将插进手机, 再将充电头插上插座就能进行远程无线充电。最佳充电距离是9米之内,而最远距离可达12米,躲到屋里任何一个角落都能充电!和充电头体积都足够小，充电速度就比普通充电器慢一些。有Lightning 或 Micro usb两种接口选择, 满足不同需要。

感应充电科技：感应充电是一种利用电磁感应原理，通过非接触的耦合方式进行能量传递的新型充电方式。在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。但当用手指触摸电容触摸屏时，人体电场、手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边的电极会发出电流并流向触点。

电场耦合方式的特点大致有三：

尤其14年2月以来,无线充电功率突破50w及以上，无线充电开始从手机和小功率平板，开始延伸到笔记本电脑和平板等大功率设备，无线充电技术必将迎来新一轮的快速发展。无线充电目前的表现并不出彩，这就给研究者们更多的就会去开发属于无线充电技术自己的道路，而最吃香的莫过于远程无线充电，充电的载体正是平板电视。或者说，a4wp想要让无线充电便宜一些，并且在不增加手机、平板或者笔记本电脑体积的情况下增加充电接口，这意味着将有越来越多的制造商默认选择无线充电器。

一般来说，无线充电步骤分为：检测、通信、供电三个阶段：

当放置在发射器工作范围内，发射器检测是否是一个靠近

发射器发送数据包，并且为供电启动，之后回复响应数据完成身份的认证

在身份认证后，发射器根据的设备类型，选择相应的功率等参数，为充电

以Qi标准为例，整体流程如下：

图：Qi标准通讯流程

现今无线充电系统都采用共振的方式进行设计，在架构上都大至相同有下列这些构造：

发射器内有

•直流电源输入

•频率产生装置

•切换电力的开关

•发射的线圈与电容谐振组合

内有

•接收的线圈与电容谐振组合

•整流器;

•滤波与稳压器

•直流电源输出

国外：(包括芯片/方案/发射件) IDT、TI、Freescale、高通、博通、NXP、Fulton、Energous、Delphi、松下、东芝、富士通等。

国内：中惠创智、新页、中兴、劲芯微、美嗒嗒、微鹅、斯普奥汀、华润矽科、新捷、伏达、以及台湾凌阳等。

在无线充电发射器上放置不同的，可为不同的装置从小电力的耳机到大功率的笔记型计算机，因此一个成熟的解决方案首先应该要能检测到对应不同的目标物；而每个接收装置的电力需求会有所不同，这时发射器需要能自动调节功率输出进行供电。

图：IDT无线发射与接收IC

IDT公司的无线充电技术解决方案具备高集成度，提供单芯片SOC解决方案，支持QI-LOGOWPC认证，并且兼容POWERMATE模式；具有加密通讯（FSK、ASK实现），异物检测模式功能。IDT目前是英特尔整个平台无线充电技术唯一的合作伙伴。现已有多家厂商使用IDT无线充电解决方案。

早期的手机使用的是镍镉电池，由于镍镉电池有记忆效应所以对镍镉电池的充电就要完全放完电后在充满电，后来又使用了镍氢电池，镍氢电池的记忆效应很小但初次使用时效率很低，需要若干次的充放电后才可以激活达到最佳的充放电状态，属物体放在上面都不会产生任何影响，芯片内部自动停止能量发射，方案发热量小，功耗低，传输距离可达10-20mm(需配合接收做匹配)，能够将电池端的电量信息传输到接收端进行充电状态指示，无电池时---红灯亮，有电池...。

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