无线充电原理（图形）的详细说明

随着电池供电的消费电子设备（如媒体播放器，智能手机和平板电脑）的持续普及，家庭中充斥着大量不同的充电器和电线束. 无线充电设备（即没有任何直接连接）的概念已经存在了一段时间，并且现在迅速引起人们的兴趣，使其更加灵活和有用. 但是工程师需要应对哪些不同的技术和设计挑战？

因为不需要使用充电电缆，所以有许多吸引人的设备可以为用户设备无线充电. 也许应该更清楚一点，无线充电的目的是提供一种通过有线或连接器以外的创新方法为设备电池充电的新方法.

无线充电已经在许多消费类设备（例如电动牙刷）中非常流行. 最重要的一种方法是基于麦克斯韦定律的感应方法，也就是说，来自线圈的磁场变化将耦合到另一种方法. 线圈中产生电流. 尽管使用磁场的感应方法适用于上述许多小型设备，但是在更现代的消费电子设备（例如平板电脑和智能手机）中使用这种方法仍面临许多工程设计挑战.

随着提供给电池的功率增加，放置耦合线圈所需的相对效率或灵活性也将增加. 这种感应方法的主要考虑因素是如何控制由产生或“发送”能量并使用感应磁场传输到“接收”设备的信号所产生的电磁干扰（EMI）. 然后，接收设备将磁场能量转换为电能，然后为电池充电. Wi-Fi，蓝牙，近场通信（NFC），蜂窝系统和FM是许多无线语音和数据连接方法的一些示例. 它们可能都受到此电磁场的影响.

当然，另一个考虑是即使在挑战性的约束（例如更高的功率水平和更大的放置误差）下也要使功率传输效率尽可能高. 在过去的几年中，业界就如何实施感应充电技术提出了许多新想法，但是避免EMI影响的进展并不像预期的那样顺利，因为要实现EMI兼容性需要付出大量的努力.

由于无线充电联盟（WPC）的不懈努力，该领域最近的挑战得到了进一步发展. WPC是由美国消费电子（CEA）组织的一项行动计划. 目的是鼓励进一步的研究和开发，以使无线充电更加引人注目，并因此受到更大的消费群体的青睐.

感应方法的另一个众所周知的限制是需要将充电器和被充电设备精确配对. 这可以用电动牙刷的例子很好地描述. 充电器基板上有一个小塔，该塔从放置有待充电牙刷的基板上升起. 使用这种方法，两个线圈可以完美匹配，以确保磁能的传输. 任何轻微的未对准都会完全丧失动力传输能力. 当使用其他设备（例如智能手机或平板电脑）需要稍高的功率时，这种使用方法显然很不方便. 最后，有解决电热损失的方法. 充电器功率越高，热量损失越大. 对于温度敏感的锂离子电池而言，这甚至是一个更大的问题，在当今高度紧凑的消费电子设计中，锂离子电池很可能会引起元件应力.

电容性架构的使用是可以替代磁场的无线充电的另一种无线充电方法. 该方法的原理类似于电场的麦克斯韦定律. 该概念已被村田制作所采用，并被广泛引入新设计中. 该公司的方法是利用准静态电场并通过电容器传输能量，该电容器由两个物理上分开的设备的电极组成. 将这两个设备彼此靠近可以形成一个电容器阵列，并用它来传输能量. 图1a显示了此方法的基本原理.

图1a: 力传输中的对原理.

图1b: 图1a中所示的对的等效电路.

使用两组电极或板可以通过静电感应实属表面之间的纵向准静电耦合. 驱动电极或有源电极小于另一个电极，并且施加的电压较高. 另一个电极是无源电极，其尺寸较长且电压较低. 当然，在正常情况下，电容器传输的能量很小手机无线充电器电路图，这与电极面积小有很大关系. 因此，为了满足给消费类设备充电所需的功率水平（例如，从5W到25W），有必要根据实际配置来增加电极尺寸和耦合电压值.

图2a显示了使用电容器传输能量的充电器方法示例的框图. 所使用的和发射器模块是Murata最近开发的新产品. 这种模块化方法使工程师可以专注于耦合区的电极设计，这有助于快速开发无线充电功能. 通过静电方法传输的能量与所使用的频率成正比. 因此手机无线充电器电路图，以较高的频率驱动电极对可以使设计处理更高的功率. 但是，各个国家对使用的频率和电场强度都有限制. 实际上，这种配置可以形成非常有效的天线结构，因此EMI因素通常会限制设计灵活性. 为了实现耦合电极之间的无线发送和接收并同时最小化在200kHz至1MHz之间，有效耦合区中的电压在800V至1.52kV之间.

图2a: 电容器传输充电器的框图.

图2b显示，对于一个符合EMI兼容性要求的10W充电器，在发送至接收电容耦合的过程中会出现电压升压和降压的情况. 使用模块化体系结构的设计概念允许设备制造商将模块用作黑匣子，从而促进了发射器和的集成. 发射机的设计涵盖了到电源的链接，无线能量传输的控制以及根据位置灵活性目标对有源耦合电极的任何形状的控制. 在端，电池接口确定设计如何通过下变频模块从有源耦合电极区域正确接收功率. 由于设备中使用的电池种类繁多，电路接口的标准化设计代表了朝着非常便捷的设计迈出的重要一步，同时还考虑了更具挑战性的概念，例如更快的充电速度. 主要原因是受到欧盟委员会的持续压力，微型USB 5V充电接口正成为欧洲所有手机的标准.

图2b: 升压和降压是发送到接收电容器的10W充电器耦合过程的一部分.

与感应方法相比，使用准静态传输的主要优势之一是，要充电的设备在充电底座（或充电托盘）上的位置要求不是那么严格. 通过在xy（表面）方向上进行仔细设计，当远离发射源时，它仍可以保持高效率和相对平坦的曲线能量传输. 对于任何设计（甚至是有线充电器），典型效率约为80％，因此具有很高的位置公差性能，并且z（高度）仍然是最具挑战性的设计参数.

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