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无线充电原理实际应用中困难重重

2013-12-06 15:29:32 来源:|0 点击:1578

$无线充电原理应用方式在诸如电动牙刷等许多消费设备中已经非常流行,其中最主要的一种方法是基于麦克斯韦定律的感测方法,即来自某个线圈的磁场变化会在另外一个与之耦合的线圈中产生电流。虽然使用磁场的感测方法适合类似上述这样的许多小设备,但在平板电脑和智慧手机等更加现代的消费电子设备中使用这种方法面临着诸多工程设计挑战。

随着馈送给电池的功率的增加,相对效率或摆放耦合线圈的灵活性要求也会提高。这种感测方法的主要考虑因素是如何控制产生或‘发送’能量并使用感测磁场传送给 ‘接收’设备的讯号所产生的$电磁干扰(EMI)。接收设备随后将磁场能量转换为电能再给电池充电。Wi-Fi、蓝牙、近场通讯(NFC)、蜂巢式系统和调频广播是众多无线语音和数据连接方法中的一些例子,它们可能都会受到这种电磁场的干扰。

当然,另外一个考虑因素是使功率传输效率尽可能高,即使在更高功率电平和更宽摆放误差等挑战约束条件下。在过去几年中,业界对于如何实现无线充电原理技术的应用提出了许多新的想法,但规避EMI影响的进展不像期望的那样顺利,因为达到EMI相容需要付出艰巨的努力。

使用两组电极或极板就可以透过$静电感测实现能量的传输。充电器或‘发送器’和可携式设备或‘接收器’用来有效地在组成电容器的合适尺寸金属表面间实现纵向的准静电耦合。其中驱动电极或主动电极要比另外一个电极小,上面施加的电压较高,另外一个电极则是被动电极,尺寸较长,上面的电压较低。当然正常情况下,电容器传输的能量是很小的,这与电极面积小有很大的关係。因此,为了满足给消费设备充电所需的功率水準(例如从5W至25W),需要增加电极尺寸和耦合的电压值,具体取决于实际的配置。

对于一个满足EMI相容要求的10W充电器来说,发送至接收电容器耦合过程中存在电压步升和步降现象。采用模组化架构的设计概念允许装置製造商将模组作为黑盒子,因而方便发送器和接收器的整合。发送器设计覆盖到电源的链路、无线能量传输的控制以及根据位置灵活性目标对任何外形的主动耦合电极的控制。在接收器侧,电池介面决定了设计如何从主动耦合电极区域透过下变频模组正确地接收功率。由于可携式设备中使用的电池种类非常广泛,所以电路介面的标準化设计代表着向非常方便的设计迈出了一大步,同时也要考虑到更具挑战性的概念,比如更快的充电速度。主要得益于欧盟委员会持续施加的压力,微型USB 5V充电介面正成为欧洲所有行动手机的标準。

与感测方法相较,使用准静电传输的关键优势之一是,无线充电原理技术应用中待充设备在充电基座(或充电托盘)上的位置要求不是那么严格。透过x-y(表面)方向的精心设计,当接收器远离发送源时,仍能保持高效率且曲线相对平坦的能量传输,对任何设计(即使是有线充电器)来说效率典型值为80%左右,因此具有非常高的位置容差性能,而z(高度)仍然是最具挑战性的设计参数。

另外,使用扁平方形或矩形的桌面托盘或接近垂直的接续架子允许以任何方向摆放充电设备,不一定需要很精确。此外,由于主要的主动接收电极可以由简单的薄铜箔搭建(这种铜箔的厚度在几个微米数量级,嵌入在塑料覆盖材料中),因此将它整合进消费设备要比整合功率感测器简单得多。

如前所述,无线充电原理中对于靠近电池的热量传递对感测方法来说是一个严重的问题。然而,作为电容器耦合配置中能量载体的电场不会有任何较大的电流。由于没有这种直流流动,因此耦合区不存在发热问题:所有阻性损耗整合在模组或驱动器电路中,耦合区一点都没有。因此装置制造商在将微型模组整合进装置中时具有更大的设计灵活性,同时在耦合设计、功率电平和想要达到的定位容差方面具有很大的设计自由度。
 

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