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线圈感应式无线充电系统设计方案

无线充电是指具有电池的装配透过无线感应的要领取得电力而进行充电,其方便性可以让破费者乐意支付额外的用度购买无线充电相关产品;由于有商机才会有厂商乐意投入相关产品开拓,今朝可以知道异常多有名品牌厂商已经将无线充电这个功能列入新一代的产品的规格之一。因为这产技巧相称新颖且各厂商有自己对技巧的表述,以是 无线充电、感应式电力、非打仗充电、无接点充电都是泛指相同的技巧,间隔1mm到数公尺都是一样是无线,供电端与受电端交互感化就称感应,以是无线充电是广义的名词没有必然的规格。

道理简单·实作艰苦

无线充电的措施在实验阶段有开拓出很多措施,但今朝独一有时机量产商品化为线圈感应式。线圈感应式的道理很简单,是百年前就被发明物理征象,但以前长久以来这样的线圈感应只运用在绕线式的变压器中。早期就有人发明将绕线式的变压器的将“E”型铁心绕线后对向紧贴后接上市电就可以感应传电,但间隔略为分开后感应效果就消掉,这是由于在市电60Hz下,电磁波通报会跟着间隔增添能量快速衰退。

在现今的利用中,因为装配本身必要有外壳包装,发射端加上接管真个外壳厚度至少从3mm起算,早期电动牙刷产品开拓时就发明当间隔拉开后必要将线圈上的操作频率前进才能让电力能传送的更远;在电磁波中有一个特点,便是频率越高的电磁波可以传送对照长的间隔后能量衰减较低。

后来RFID利用开始成长,主要就筹划的三个频段LF低频(125~135KHz)、HF高频(13.56MHz)、UHF超高频(860~960MHz)可以应用,而这些频段也培育了今朝无线电力系统在设计之初频率采纳的参考点。早在10年前电动牙刷的无线充电就已经上市,当时的传送功率小、充电光阴长,在现在的智妙手持装配的耗电状况来看,当时的充电能量不足应用以是10年来还无法实用化。但这几年来成长出新的技巧可用较高的“共振”接管效率运作要领,因为这个技巧较新以是各界的说法很多,但都是有一个很紧张的特点,便是接管线圈上都邑有设置设置设备摆设摆设电容来构成一个具有频率特点的接管天线,在特定的频率下可以获得较大年夜的功率移转。这部份就跟早期的电磁感应不合,当间隔拉开后依然就可以获得优越的电力传送效果。共振的道理异常简单,就跟钢琴调音师一样放不合水量的玻璃杯,在精准的调音下可以将某个玻璃杯透过共振将其振碎;但其它的文章都没有提到,若是没有颠末专业钢琴调音师练习的一样平常人,可能永世也调不出可以让玻璃杯振碎的频率!这便是道理简单、实作艰苦。

展示简单·上市艰苦

电子零件出厂时就像是未调过音的钢琴,钢琴透过专业的调音师精准调校后可以发出高品德的声音;昔时夜量临盆后为了资源考量可能就无法在每一个产品都经过专业职员调校再出货,假如每一个产品都要专业职员来修正那就会有艰苦,由于专业职员有限。这就跟今朝可以看到很多无线充电产品在好久前就颁发了,在颁发会上产品都可以完美表演,但过了好久的等待后还没见产品上市?就跟刚提到的例子一样,无线充电的产品为了达到很好的共振效果必需颠末精准的调校,在这样的状况下量产会变的异常艰苦。

以是无线充电系统的设计首先必必要能针对共振这部份能自我调剂,这样才能办理量产难题。2008年INTEL即颁发了可以离一公尺间隔的两个线圈传送电力用以点亮60瓦特灯泡,颁发当时也宣告了无线电力期间已经到来;但三年以前了相关产品照样没有上市,仔细想一下可以相距一公尺传送电力,这么强大年夜的电磁能量就算对人体没影响、对方圆的电气制品会有异常大年夜的杀伤力。

无线电力系统的道理与烹调电磁炉相同,透过电磁波来传送能量只不过目标不合,电磁炉应用频率约50KHz能量发出后给锅具加热用已烹饪,以前收集上就有传布过一段影片便是将手机放在运作中的电磁炉外面上,在短光阴内手机即烧毁,这样的道理一样电磁波会穿过手机外壳直接对内部的金属构造加热终至烧毁。前文题到过,为了加长传送间隔必需前进传送频率,电磁炉的频率较低在脱离数公分后就衰减到安然边界以下,INTEL颁发的相距一公尺传送电力必需将频率前进到约13MHz才能传送,在这个状况下线圈之间若是存在金属物体将会被加热而发生危险,演出中事情职员可以站在两个线圈中心不会有危险,是由于人体内的金属成份很少以是温度上升有限。

当电磁波频率加到1GHz以上就会直接对水分子加热;这个道理就变成微波炉了,水分子被电磁波搅动后发出热量。以是微波炉与电磁炉不一样,必需在樊篱体内操作避免为害到人体。这部份又与市道市面上的无线通讯产品不合,由于能量差距甚大年夜;无线电力系统必要传送电力而发送到受电装配以是需高功率传送,无线通讯产品收到低功率讯号后再透过内部的电池将讯号放大年夜处置惩罚。以是不管是在13MHz会对金属加热或是1GHz以上直接危害人体,无线电力在设计时必需办理安然的问题才能上市,这便是展示简单、上市艰苦。

三大年夜效能指针 效率、安然、功率

电动牙刷早在10年前就堆出无线充电了,当时因为功率需求低以是不必要斟酌效率与安然。早期的系统转换效率只有20%-30%,且没有安然机制并不会辩识目标继续供电,这样的系统就与微型电磁炉一样。因为功率很小,接管需求只有0.1W高低,只有20%的转换效率下即有80%的能量于传送中转成热量闲逸,这样推算发射器供给0.5W的能量到接管器为0.1W的能量,0.4W孕育发生的热量有限对系统的温度上升不显着,且系统最大年夜输出能力也不大年夜即0.5W,以是在发射器上放置金属异物也不会孕育发生危险;但今日的装配需求远高于0.1W,以热销的智能型手机来看接管必要5V-1A 即5W的充电能量,若用电动牙刷的系统进行设计问题就会很大年夜了,接管端5W的需求在只有20%的转换效率下有20W的能量转换成热能闲逸,这样的能量会孕育发生宏大年夜的热能会导致系统温度大年夜幅上升,在这样的推算下,系统最大年夜输出能力会在25W,若为无安然设计下于发射器上放置金属异物可能会导致火警意外,以是在功率需求前进后衍生的问题必要全新的设计来完成无线充电,以是10年前即呈现的无线充电到今还改善之中。新设计的系统需为了达到目标功率,必需先办理效率与安然的问题。

高转换效率仰赖先辈规格零件与材料

现今无线充电系统都采纳共振的要领进行设计,在架构上都大年夜至相同有下列这些构造:发射器内有

1. 直流电源输入;2. 频率孕育发生装配;3. 切换电力的开关;4. 发射的线圈与电容谐振组合

接管器内有

A. 接管的线圈与电容谐振组合;B. 整流器;C. 滤波与稳压器;D. 直流电源输出

在样的架构下从发射器的1.直流电源输入到接管器 D.直流电源输出应过的每一个环节都是效率损耗的要点,在电源电路电流经由过程的每一个有阻抗特点的零件都邑在上面损耗部份能量,这几年材料的进步也让无线充电的实用化大年夜增,此中有几样先辈零件是无线充电系统中与传输效率相关的,为了达到高转换效率必要将这些零件与材料作组合运用。

a. 频率孕育发生装配:今朝稀有家公司将此部份开拓成IC贩卖,其为发射电路板上的关键零件。

b. 切换电力的开关:大年夜多为MOSFET所构成,低导通阻抗与高切换速率是选用的要点。

c. 发射/接管的线圈与电容谐振组合:此部份为以前从未呈现过的技巧,因为无规则可循以是只能透过赓续的考试测验,别的未了阻绝多于的能量散到其它地方,于线圈的未感应侧都邑家上磁性材料,这类的材料特点也是全新的利用。

d. 整流器:因为在线圈上的操作都是高频率、高电压的能量讯号必要能有效的换成直流电才能给受电装配应用,今朝大年夜多采纳超低VF的萧特基二极管所构成。

e. 滤波与稳压器:这部份难度在接管装配空间有限,设计上要小型化的艰苦处,平日高转换效率的电路设置设置设备摆设摆设大年夜体积被动零件。

设计最艰巨的部份在于安然

先条件到无线充电系统与电磁炉一样会发射电磁波能量,这有两大年夜问题:

其一为当发射器上没有放目标充电装配时一样在发射能量,长光阴下会造成能源的挥霍,不相符现在产品节能的趋势。别的一个问题较严重,为当发射器上放的是金属异物,电磁波对其加热;这个状况轻则烧毁装配,重则发生火警危其职员生命家当。以是无线充电系统若要上市贩卖,必必要有一个紧张的功能即为「受电端目标物辨识」,当精确的目标物放置在发射器上才开始送电,若不是的话则不送电。用来侦测近间隔装配的措施有很多,但在无线充电系统上有一个问题便是无法采纳昂贵的零件来完成这个功能,记着今朝设计的只是一个充电器,若资源太高的话市场会无法吸收这个功能。

而今朝有两个实用的措施来完成这个功能:

1. 磁力激活:在受电端上装一个磁铁,当发射端感应到磁力后开始发送能量,这个措施简单有效,由于没有人会无意中放一个磁铁在发射器上让它烧毁。

2.感应线圈上的资料传送:这是今朝觉得最安然的措施,与RFID的道理相同,使用两个线圈内的电力传送中,包孕资料码一路传送;这个措施最安然也是最难完成的,由于感应线圈上有高能量的电力传输、别的还包孕了系统的噪声与负载电流变更的滋扰,若何有效的传送资料码是一大年夜难题。

可变功率系统需建立在数据传输机制上

一个抱负的系统为在无线充电发射器上放置不合的接管器,接管器可为不合的装配从小电力的耳机到大年夜功率的条记型谋略机,都应该要能对应不合的目标物;但每个接管装配的电力需求都不一样,这时发射器必必要能自动调节功率输出。但这样的功能要建立在发射器与接管器要能够传送资料码来进行沟通,以是若何运用感应电力的线圈进行资料码传送是研发的要点。关于这个技术数年前已经有多家公司投入开拓,其每家公司的措施有差异在实作上的稳定性也必要再颠末验证。

无线充电共通标是抱负却难以实现

今朝有业者在执行无线充电标准,抱负化的标准是可以跨品牌应用。这个是一个很抱负化的目标,所谓的标准就针对两个部份必要规范才能运作;第一便是要有共通的共振频率,电力传输是必要透过预设好的共振频率来传送,发射器供给的电磁波能量之频率必如果接管器的共振频率才能获得好的转换效率。第二便是标准的资料传送码或其它识别激活要领,发射器必要对应到精确的接管器才能开始送电。一个共通的标准切实着实是市场所等候的,今朝在推动无线充电标准化的团体已经运作多时,但在市道市面上的产品还算少见,这部份可以深入懂得后可以发明一些问题,一部份是其标准尚未完备乃至研发职员照规格书开拓确无法顺利将产品完成;另一个问题是该标准并不是免费的,当产品上市前必要先支付相关专利的权利金,以是共通标准是未来的趋势,但今朝实际利用还未成熟。

三大年夜关键组件牵动三个财产链

就无线充电产品看有三大年夜关键组件,此中有节制电路板、感应线圈、磁性材料。

今朝无线充电尚在起步阶段,市场预期接下来的二到三年会开始高度生长,而四年后将会酿成品牌商品的标筹备规格之一。这个市场的生长会牵动的财产链不光在电子财产,感应线圈必要周详治具临盆这牵动的是机器工业,线圈上必要运用高效能电磁波樊篱能力的磁性材料这牵动的是化学工业。以是一个产品的生长可以牵动三个财产链,由于这个产品并不因此前已经存在的产品,而是全新的种别全新的利用,相关的材料都要从新开拓临盆,对经营面来看这也是可以开拓的新领域。

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