作者：貿澤電子Mark Patrick

現在已經出現了大量可能的無線充電應用。消費類設備品牌希望通過快速、安全的感應或電容式充電來替換充電電纜，從而為用戶提供更大便利，并幫助實現產品差異化。但是，該過程也會帶來重大的技術和生態系統挑戰。

經過多年努力，其中許多挑戰已經得到解決，但也導致基礎設施的推出放緩，其中一個主要問題（新興技術通常都會遇到類似狀況）是標準之間的競爭。Qi標準和AirFuel聯盟內的其他各種規范已經爭論了一段時間，它們推出不同且互不相容的技術，使設備制造商難以確信消費者可以輕松地為智能手機、可穿戴設備或筆記本電腦充電。

此外，還有一些技術問題尚待解決。許多系統要求發射器和接收器上的充電線圈需要對齊以獲得最快的充電，而當使用者在將移動手機放在桌子上充電時，這種情況不會發生，被充電設備和下面的充電器也必須能夠通訊，有許多不同的方式可以實現這些。

GaN的價值主張

業界正在考慮使用新的半導體工藝。基于氮化鎵（GaN）的芯片用于功率控制器和發射器與接收器之間的無線電鏈路。雖然這些器件的效率明顯高于硅產品，但它們的生產成熟度較低，良率較低意味著需要考慮成本方面是否具有優勢。

所有這些動態一直在推動無線充電從基于線圈的電感和電容充電（可在幾毫米距離上運行）轉向能夠在自由空間（距離最遠25米）充電的系統。這開辟了系統設計的新方法，例如，在超市中可以用遠處的電源來為包裝上的智能標簽供電。

盡管如此，仍然有很多人強調更為傳統的無線充電機制。幾年前，當Alliance for Wireless Power和Power Matters Alliance合并時，AirFuel Alliance成立，并制定了直接與Qi競爭的規范。意法半導體STMicroelectronics正在使用AirFuel的磁共振規范，初創公司WiTricity的技術，以及包含電感和諧振充電的多模解決方案。 WiTricity還通過使用磁共振技術成功演示了筆記本電腦的無線充電，Dell的Latitude 7000是世界上第一款使用這種技術的二合一無線充電電腦。

對于物聯網和消費性電子市場而言，諸如此類的功率傳輸和接收系統目標是在感應充電更難以執行的情況下，能夠同時向多個設備提供無線快速充電。Efficient Power Conversion Corporation（EPC）還使用其eGaN芯片針對諧振無線充電開發了一套完整的AirFuel 4類無線充電套件。EPC9129工作在6.78MHz（最低ISM頻段），能夠傳輸高達33W的功率。該套件包括兩個接收器器件，每個都有自己的穩壓輸出，其中之一額定功率為5W，在19V時功率為27W。其目標是在尋求使用eGaN FET實現高效無線功率傳輸時簡化評估過程，突顯了這些FET可提供的全部功率效率（介于80％和90％之間）。

對于面向大功率傳輸表面區域的應用，諧振無線充電有特別的意義，可以將接收設備放置在表面上的任何位置，并且能夠同時為多個設備供電或充電。GaN Systems針對無線充電使用基于GaN的功率和RF器件開發了兩款無線功率放大器評估板，100W選項方案支持70W至100W的系統，而300W選項方案則支持150W至1kW的設計。這兩款功率放大器都具有一系列功能，包括電流或電壓控制，內建保護電路，EMI濾波和可配置輸出功率。

圖1：實際應用的GaN Systems無線充電系統。

GaN Systems在上述應用中將公司的功率晶體管與Murata的高頻GaN E-HEMT驅動器組合在一起。 100W的GSWP100W-EVBPA評估板面向消費類市場，適用于筆記本電腦、電動工具和多個智能手機的快速充電等。功率更高的300W GSWP300W-EVBPA 適用于工業和運輸市場，其中包括送貨無人機、倉儲機器人、醫療系統、工廠自動化、承包商電動工具、電動自行車和踏板車等應用。

圖2：GaN Systems的GSWP300W-EVBPA評估板。

一些系統開發人員希望增大發送和接收功率線圈之間的距離。例如，Wibotix已經開發的技術可以在距離最遠5cm的電池系統中提供300W功率，其中一個目標應用是在鋼鐵鑄造廠等惡劣環境中運行的電動貨車。采用這種無線充電，將可以消除伴隨的功率電纜，而這些電纜也通常被證明是工作故障的原因之一。PCB上的20cm圓形跡線可用作發射器，它與10cm直徑接收器相連，可在任何方向上自由移動5cm。

這種自由運動是必不可少的，因為它允許貨車停靠到墻邊充電站進行快速充電。目前的125W系統意味著5Ah，25V電池可以在大約一小時內完全充滿電，而如果采用300W系統實施充電，這將減少到25分鐘。充電器為可編程和可調節，能通過2.4GHz無線數據鏈路進行控制。貨車在充電站充電時，充電器在運行期間將電流升高到電池允許最大值，實施快速充電。或者在夜間通過小電流進行較長時間充電。該系統可設計用于同時支持多個貨車充電，即便它們具有不同的電池，因為特定電池類型的細節已經在接收器和發射器之間的數據通訊交換中得到確認。

未來目標

雖然看起來在更遠距離進行無線充電是一個長期目標，但兩家初創企業實際上已經實現了這一目標。位于美國圣何塞（San Jose）的WattUp遠距離無線充電系統使用AirFuel RF規范，已獲得美國聯邦通訊委員會（FCC）的認證。WattUp中場（midfield）發射器可以為距離為1米的設備提供射頻功率，支持基于接觸式和非接觸式的無線充電，并可為多個設備充電。相關的生態體系確保接收器和發射器之間的跨平臺互操作性（interoperability），而無論其來自哪家制造商，從而使其更靈活，并為消費者和制造合作伙伴提供更大的可訪問性（accessibility）。 Energous與Dialog Semiconductor還達成戰略協議來推廣該技術。另一家供應商Powercast已開始針對3W藍牙認證的遠場發射器提供價值100美元的套件，該發射器可在距離最遠25米處為多件消費性電子產品充電。PowerSpot發射器能夠創建一個區域，當支持PowerSpot的設備進入該范圍時能夠自動為其供電或為其充電。該發射器使用915MHz ISM頻段，通過無線方式發送RF能量至設備中嵌入的PowerHarvester接收器芯片，然后將RF能量轉換為直流電（DC）以補充電池電力。該公司正在推出一個開發套件，以幫助制造商設計基于PowerSpot的無線充電系統。

藍牙認可的PowerSpot采用低功耗藍牙（BLE）多協議解決方案，使發射器智能、可配置和可控。例如，BLE能夠以無線方式安排功率傳輸，監測充電設備的電池狀態，并在設備充滿電時關閉發射器。這項技術甚至已擴展到超市環境，Powercast正在與材料供應商PPG合作，以無線充電運行的印刷電子系統可點亮貨架。使用PPG的導電墨水，可將電子電路直接印刷到基板對側，然后使用導電環氧樹脂將PowerHarvester接收器和其他組件連接到基板上，通過標簽層壓以密封電子電路。這種技術可以捕獲RF功率以驅動包裝上的LED。第一個采用PPG智能標簽的應用已經出現在Pennsylvania Straub Brewing的6件啤酒包裝上。

當今世界對于無線充電的采納并沒有達到幾年前業界預期的那種程度。不過，新技術的出現可能會改變這一切。現在，通過在自由空間進行無線充電的技術創新，就像本文所討論的那樣，我們有很大的機會在未來得到更充分發展，并對剛剛開始的無線充電行業產生真正的深遠影響。