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无线电源传输线圈技术的现在与未来

2017年03月21日 09:56 次阅读

由美国麻省理工学院(MIT)独立出来的WiTricity现任总裁EricGiler,曾在2009年曾于TED发表题为“无线电力技术示范”的精彩演说,展示了如何利用无线电源传输技术启动一部小型电视机──而那是2009年,该技术从那之后持续演进,以下让我们来看看这个令人惊叹的技术领域,能为设计工程师带来什么样的新机会。

最近,我与宜普电源转换公司(EPC)应用工程副总裁Michael de Rooij讨论关于无线电源在2017年的挑战和机会;我选择与de Rooij讨论这个议题,除了因为EPC是氮化镓(GaN)功率组件的领导供应商,该公司也能为设计工程师们提供包括开发板、参考设计以及教育性的支持,包括de Rooij撰写的《无线电源手册(Handbook for Wireless Power)》。

EPC在1月初举行的年度国际消费性电子展(CES 2017)上,展示了一部43吋平面HDTV,那台电视能隔着一道石膏板墙,藉由无线电源取得电力;在2017年,你将会看到EPC为业界带来更先进的无线电源相关解决方案,超越2009年Giler所展示的技术。

支持更长传输距离的无线电源

我询问de Rooij有关目前无线充电方案支持更长传输距离、更高效率时会遭遇的限制,以及其可能性;我们如何让这种电力传输技术的效率达到所有消费者都能接受的水平?氮化镓功率组件(如EPC的eGaN技术)如何能继续协助推动无线电源技术的进展?

de Rooij首先提到在线圈(coil)设计方面的限制;根据经验法则,目前若线圈是7吋以上的直径,性能就会下降;此外每一组线圈的质量因子(Q)和线圈之间的耦合系数(k)都会影响长距离的无线充电效率,发射与接收线圈的尺寸和几何形状各自都会大幅影响Q和k的数值。图1是无线电源传输的基本原理。

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图1 无线电源传输的基本原理。(图片来源:Würth Elektronik)

de Rooij提到,无线电源传输的电磁场(E-field)方法虽然有技术上的问题,但是可以长距离传输电力──这方面可能还有部份一般会顾虑到的问题,包括产生臭氧(ozone)还有与生物性等其他物质产生交互作用);这种充电方法可能更适用能悬浮在充电板上的设备,如无人机。

电场耦合技术最直接的展现,是在源极(source)和负载(load)之间采用平行板电容器(parallel plate capacitor),输入阻抗需与之匹配,才能实现高效率电源传输;也就是说,有一片板子是放在待充电的无人机底部,另一片就是在充电板上(如图2)。

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图2 (a)无线电源传输电场耦合架构;(b)电路模型。(图片来源:https://goo.gl/HRZf11)

以磁共振耦合(magneTIc resonant coupling)技术对空中悬浮的无人机进行充电也是不错的替代方案,如图 3所示,该充电板的线圈采用方形设计,无人机上的接收线圈调整为适合支持着陆(landing),使发射和接收线圈之间的距离缩至最短,约只有几公厘(mm),因此使线圈之间的耦合因子得以最大化。

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图3 以磁共振耦合线圈为悬浮的无人机进行无线充电。(图片来源:https://goo.gl/HRZf11)

无线电源传输线圈技术的现在与未来发展

de Rooij表示,无线充电解决方案供应商NuCurrent目前正在开发效率更高的无线充电线圈;Nucurrent号称该公司目前的无线电源“天线”效率高于市面上任何印刷天线/线圈/共振器,其采用Qi/PMA频率(~200KHz)的设计通常可达到高20%以上的效率,采用A4WP频率(6.78MHz)或NFC频率(13.56MHz)的设计则可达到高60%的效率。

若将无线电源传输线圈嵌入地砖中,有助于电场的分布,并可能因此略为拉长电源传输距离;但更重要的是,这样就可以大幅扩增收集电力的范围──相较于单一线圈的设计,在相同的覆盖范围下,这是一个效率更高的解决方案。

而EPC在CES 2017展示的那台无线供电HDTV,是我到目前为止见过最厉害的无线电源传输应用;此外咖啡连锁店Starbucks现在也有某些门市在店内座位提供无线充电设备,让顾客能为智能手机充电,如果你的手机没有内建无线充电功能,他们还可以卖转接器给你(如图4)。

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图4 Powermat的无线充电解决方案已经获得Starbucks等业者采用。(图片来源:Powermat)

EPC是如何为HDTV提供无线电源的?该公司是选用一台43吋VizioD43-D1高画质电视,其最高功率经测试为85W;先前有一些测试是采用功率较低的20吋电视。

电视机是采用基于单位功率因子的交流电(AC),因此电源所提供的所有能量,都是透过负载消耗;而因为电视机电子组件需要直流电(DC)电源,不需要所有AC整流器、大型电解电容器及桥式二极管,启动电视机所需电力低于5W;当电视机所需电力较低,无线电源传输发射器即可进一步节流。

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图5 能穿透一片标准规格石膏板隔间墙为HDTV无线供电的无线电源传输设计架构。(图片来源:EPC)

EPC的CES展示之设计电路图如图6,设计师采用差分ZVSD类放大器来驱动发射线圈(注意:差分架构,尤其是频率范围在300MHz以上,可以在单端设计改善EMI;在差分设计中,相同的接地负载功率,有一半的电压在放大器的输出转换);不过本案例只在高度共振的6.78MHz ISM频段传输功率,而且与传统MOSFET功率组件相较,EPC采用的eGaN FET展现了更卓越性能。

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图6 EPC在CES 2017展示之HDTV无线供电方案电路图。(图片来源:EPC)

消费者当然会希望他们的电视机未来可以完全“无线”,如此一来他们就能更容易地把电视机挂在墙上,或随心所欲摆放在任何位置;而除了电视机,无线电源传输应用也能延伸至其他实际上只需要DC功率的白色家电和AC设备。

无线电源传输可望实现更便利的日常生活

采用无线电源传输技术的无人机,对Amazon、UPS及Federal Express等物流业者来说会非常有用,他们都在考虑利用无人机送货。

在医疗应用方面,目前采用穿透皮肤之电源线的植入式设备,可利用无线电源传输技术降低患者受感染的机会,神经刺激器、心脏辅助帮浦等是首选应用;心律调整器以及脊髓、神经刺激器都有望在某一天,能于患者睡觉时透过4~5英呎距离的电源进行充电。

从患者端接收信号的线圈数量可以增加,以利用无线电源传输技术取得更高质量的MRI成像,同时降低成本、免除电源线的使用并降低使用无线电源传输技术的复杂性。

酒吧、咖啡厅及机场则可将无线电源传输设备应用于下一代的各种家具、桌子设计中;如此一来,所有的墙壁、地板与装潢可以减少电源插座数量,甚至可以完全不要插座。

汽车内部搭载的电缆不但昂贵、笨重也可能不可靠,而无线电源传输技术可以为车用照明、音响、电话等设备供电,也能支持电动车充电、启动雷达及光达等装置,让汽车内更多电子装置摆脱铜线的羁绊;无线充电也能应用于汽车座椅、车门及行李箱等区域,以模块化方案取代客制化设计架构,简化汽车制造流程。

此外,无线电源传输还能预防由危险的电源火花导致之爆炸、火灾,特别是在加油站、水下,或是满氧气的空间,海滨住宅/设施,以及粮仓等充满粉尘的环境。

有一天,高压电缆线可能会完全消失,被日常生活无所不在的高压无线电源传输技术替代;de Rooij也透露,在今年将可看到更多关于无线电源传输技术的创新成果,电子及电力系统的设计终将凭借这种令人惊叹的新兴技术而被永远改变。

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发表于 2013-07-01 11:20 277次阅读
TriQuint加速氮化镓的供应速度,推出卓越新...

大尺寸磊晶技术突破 GaN-on-Si基板破裂问...

近年来氮化镓(GaN)系列化合物半导体材料已被证实极具潜力应用于液晶显示器(LCD)之背光模组、光学...

发表于 2013-06-06 13:39 786次阅读
大尺寸磊晶技术突破 GaN-on-Si基板破裂问...

英国为恩智浦提供200万英镑氮化镓发展资金

英国财政部秘书长丹尼历山大宣布为恩智浦(NXP)英国分公司提供200万英镑,以促进氮化镓(GaN)器...

发表于 2013-06-03 09:57 365次阅读
英国为恩智浦提供200万英镑氮化镓发展资金

浅析小功率无线电源技术

在现实生活中,每个电子产品都有一个与之匹配的充电器,每年全球设计、生产、使用、制造、运输乃至回收数以...

发表于 2013-05-20 10:37 757次阅读
浅析小功率无线电源技术

IR开始商业装运氮化镓器件

全球功率半导体和管理方案领导厂商–国际整流器公司 (International Rectifier,...

发表于 2013-05-14 11:22 313次阅读
IR开始商业装运氮化镓器件

德州仪器面向便携设备开发多模式无线电源IC

日前,德州仪器 (TI) 宣布推出面向智能手机及其它便携式电子产品开发多模式无线电源集成电路 (IC...

发表于 2013-03-05 18:08 448次阅读
德州仪器面向便携设备开发多模式无线电源IC

何时应对宽能带隙材料时代?

对于功率电子而言,宽能带隙材料能够以相同甚至更低的成本,显著改善效率、尺寸及重量等指标。简单地说,宽...

发表于 2012-11-26 10:53 510次阅读
何时应对宽能带隙材料时代?

未来的材料宠儿“碳化硅”和“氮化镓”

在功率元器件的发展中,主要半导体材料当然还是Si。同样在以Si为主体的LSI世界里,在“将基本元件晶...

发表于 2012-11-21 16:26 5028次阅读
未来的材料宠儿“碳化硅”和“氮化镓”

富士通半导体明年量产氮化镓功率元件

富士通半导体有限公司台湾分公司宣佈,成功透过硅基板氮化镓(GaN)功率元件让伺服器电源供应器达到2....

发表于 2012-11-21 08:51 552次阅读
富士通半导体明年量产氮化镓功率元件

无线充电技术大改进 TI加速无线电源行业发展

曾几何时,当人们面对着各式各样的充电电线烦恼时,就引发了人们对于无线充电的渴望。何时起智能手机才能挣...

发表于 2012-11-14 13:05 2981次阅读
无线充电技术大改进 TI加速无线电源行业发展

TI发布首款符合Qi标准的无线电源发送器

日前,德州仪器(TI)宣布推出业界首款无线电源传输控制器bq500211,进一步壮大了其便携式电子产...

发表于 2012-10-01 01:08 419次阅读
TI发布首款符合Qi标准的无线电源发送器

为无线电源系统设计一款符合Qi标准的接收机线圈

无线充电联盟 (WPC) Qi 标准的实施让各种终端应用拥有了无线充电功能。每一种应用的接收机 (R...

发表于 2012-09-27 14:58 3339次阅读
为无线电源系统设计一款符合Qi标准的接收机线圈

德州仪器推出首款符合Qi标准5V无线电源发送器

德州仪器 (TI) 宣佈推出业界首款无线电源传输控制器bq500211,进一步扩大其可携式电子产品无...

发表于 2012-09-24 10:05 1556次阅读
德州仪器推出首款符合Qi标准5V无线电源发送器

藏在德州仪器(TI)中的创新技术秘笈

电子发烧友网讯【原创/莫延芬】:2012年9月17日,美国德州仪器公司(TI)技术研讨会(TI Te...

发表于 2012-09-18 00:55 4239次阅读
藏在德州仪器(TI)中的创新技术秘笈

宜普推高频氮化镓场效应芯片高效无线电源展示系统

宜普宣佈推出一个高效无线电源展示系统,内含具高频开关性能的氮化镓电晶体。使用宜普的氮化镓场效应电晶体...

发表于 2012-08-16 10:22 532次阅读
宜普推高频氮化镓场效应芯片高效无线电源展示系统

基于氮化镓的LED具有更低成本效益

过去在电子工业中知名的普莱思半导体有限公司,已交付到能够一次处理7个6英寸的晶片的Aixtron(爱...

发表于 2012-07-31 16:45 708次阅读
基于氮化镓的LED具有更低成本效益

欧司朗新制造技术有望大幅降低LED生产成本

据物理学家组织网近日报道,一种新的制造技术有望大幅降低发光二极管(LED)的生产成本,进一步推动其普...

发表于 2012-05-31 11:33 273次阅读
欧司朗新制造技术有望大幅降低LED生产成本

DIY制作笔记本电脑无线电源

摘要: 笔记本电脑无线电源面临的问题 笔记本电脑的有线电源通常为20V/3A左右。对于一般常见的开关...

发表于 2012-05-28 08:58 3219次阅读
DIY制作笔记本电脑无线电源

笔记本电脑无线电源接收电路原理图

下图是:笔记本电脑无线电源接收电路原理图 图 笔记本电脑无线电源接收电路原理图

发表于 2012-05-28 08:54 1953次阅读
笔记本电脑无线电源接收电路原理图

氮化镓在射频通信中应用

本内容讲解了氮化镓在射频通信中应用。氮化镓并非革命性的晶体管技术,与现有技术相比,氮化镓(GaN)的...

发表于 2011-12-12 15:19 432次阅读
氮化镓在射频通信中应用

RFMD推出氮化镓功率倍增模块RFCM2680

RFMD公司推出氮化镓有线电视表面贴装功率倍增模块。RFCM2680 是业界首款专门针对有线电视网络...

发表于 2011-11-16 10:06 457次阅读
RFMD推出氮化镓功率倍增模块RFCM2680

基于能量收集器的无线电源设计

超低功率微控制器的近期发展造就了具有空前集成度的器件(对于其运作所需的功率而言)。这些器件是片上系统...

发表于 2011-10-25 11:50 1424次阅读
基于能量收集器的无线电源设计

德州仪器推出新一代bqTESLA无线电源发送器I...

德州仪器 (TI) 宣布推出新一代 bqTESLA™无线电源发送器集成电路 (IC),该 bq500...

发表于 2011-09-07 11:40 910次阅读
德州仪器推出新一代bqTESLA无线电源发送器I...

新一代无线电源接收器:bq51013

bq51013 接收器集成电路 (IC) 通过小型 1.9 毫米 x 3 毫米 WCSP 封装将电压...

发表于 2011-04-22 09:16 3115次阅读
新一代无线电源接收器:bq51013

宜普电源推出EPC2001和EPC2015增强型...

宜普电源转换公司宣布推出EPC2001和EPC2015两种无铅且符合RoHS(有害物质限制条例)要求...

发表于 2011-03-18 09:22 670次阅读
宜普电源推出EPC2001和EPC2015增强型...

RFMD高效率氮化镓(GaN)射频功率晶体管(U...

  日前,高性能射频组件以及复合半导体技术设计和制造领域的全球领导者RF Micro Devices...

发表于 2010-12-01 09:24 320次阅读
RFMD高效率氮化镓(GaN)射频功率晶体管(U...