【導讀】科技的發(fā)展讓我們離“束縛”越來(lái)越遠。對于各類(lèi)電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，充電器是非常重要的配件。當我們向移動(dòng)和便攜式設備充電時(shí)，當前比較普遍的方法是用有線(xiàn)充電器進(jìn)行供電，但是瘋狂纏繞的充電線(xiàn)讓處于萬(wàn)物便捷時(shí)代的我們覺(jué)得失去了自由。
在這種情況下，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)正在走向市場(chǎng)。
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)不用通過(guò)連接器作為媒介，不需要常規意義上的充電器和電源線(xiàn)，只需放在充電座上就可以充電。與有線(xiàn)充電相比，無(wú)線(xiàn)充電不僅在安全性、靈活性、通用性等方面具備多重優(yōu)勢，還可以減少頻繁的充電對設備充電接口的損耗。
無(wú)線(xiàn)充電最早可以追溯到1893年。特斯拉當時(shí)通過(guò)兩個(gè)線(xiàn)圈點(diǎn)亮了一盞燈，用的正是無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。其實(shí)，如今無(wú)線(xiàn)充電的基本原理還是這樣，即發(fā)射線(xiàn)圈通過(guò)感應交流電流產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，使接收線(xiàn)圈中產(chǎn)生電流，實(shí)現無(wú)線(xiàn)電能傳輸。
圖1：特斯拉無(wú)線(xiàn)電能傳輸試驗原理圖
（圖源：高工鋰電網(wǎng)）
目前常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)主要有電磁感應式、電磁共振式、電場(chǎng)耦合式。當前手機無(wú)線(xiàn)充電大部分采用電磁感應式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)，發(fā)射線(xiàn)圈安裝在在充電座上，接收線(xiàn)圈安裝在手機背面，當手機靠近充電座的發(fā)射線(xiàn)圈時(shí)，磁場(chǎng)會(huì )讓接收線(xiàn)圈產(chǎn)生感應電流。在整個(gè)過(guò)程中能量由電能轉化成磁場(chǎng)場(chǎng)能再通過(guò)感應線(xiàn)圈感應生電，最終完成充電的過(guò)程。
作為未來(lái)重要的消費電子潮流，無(wú)線(xiàn)充電近年來(lái)呈現出技術(shù)成果加快轉換、產(chǎn)品規?；慨a(chǎn)穩步上升的趨勢。這點(diǎn)尤其體現在手機等智能電子設備領(lǐng)域。伴隨著(zhù)智能手機產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，手機無(wú)線(xiàn)充電的“軍備競賽”正開(kāi)展地如火如荼，各個(gè)手機廠(chǎng)商都卯足了勁推出功率越來(lái)越大的新品。
早在2014年，蘋(píng)果便推出無(wú)線(xiàn)充電的AppleWatch；2015年，三星推出了支持無(wú)線(xiàn)充電服務(wù)的手機，并相繼推出多款搭載無(wú)線(xiàn)充電手機服務(wù)的手機與無(wú)線(xiàn)充電器。不過(guò)，受限于無(wú)線(xiàn)充電器充電功率較低、充電時(shí)易發(fā)熱等問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)充電在初期推廣并不順利。
自2020年以來(lái)，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)迅速發(fā)展，各大手機廠(chǎng)商均推出了自身的無(wú)線(xiàn)充電方案。2020年10月，蘋(píng)果將AppleWatch的充電方式嫁接到iPhone上面，推出了支持15W功率的Magsafe磁吸無(wú)線(xiàn)充電。該方案通過(guò)磁鐵的吸引力，使無(wú)線(xiàn)充電器與接收線(xiàn)圈能夠準確定位、配對，提升充電效率。
與蘋(píng)果、三星相比，在高功率快充方面的新技術(shù)嘗鮮中，國產(chǎn)手機廠(chǎng)商們跑得更快。華為、OPPO、小米等部分品牌智能手機早已實(shí)現50W無(wú)線(xiàn)充電，并且更高功率的無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品還在繼續推出。2020年7月，OPPO發(fā)布了65W AirVOOC無(wú)線(xiàn)閃充；同年10月，小米展示了80W的無(wú)線(xiàn)快充解決方案，甚至120W的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)都已準備就緒。
圖2
（圖源：小米）
可以看到，芯片和終端廠(chǎng)商們正在將無(wú)線(xiàn)充電往更高功率、更快充電速度上推進(jìn)。除了在手機端快速滲透外，無(wú)線(xiàn)充電也在加速向筆記本、智能手表、手環(huán)、掃地機器人、耳機以及汽車(chē)領(lǐng)域拓展。
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在一定程度上打破了時(shí)間和空間的限制，萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代需要無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的加持?？梢灶A見(jiàn)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在未來(lái)將會(huì )有非常廣闊的應用前景。
無(wú)線(xiàn)充電“功率競賽”落幕
就在各大廠(chǎng)商準備在無(wú)線(xiàn)充電功率方面大干一場(chǎng)的關(guān)鍵時(shí)刻，工信部正式出手，開(kāi)始嚴格管控無(wú)線(xiàn)充電功率，擬規定所有生產(chǎn)、進(jìn)口在國內銷(xiāo)售、使用的移動(dòng)和便攜式無(wú)線(xiàn)充電設備額定傳輸功率不超過(guò)50W。
圖3：
工信部《無(wú)線(xiàn)充電（電力傳輸）設備無(wú)線(xiàn)電管理暫行規定（征求意見(jiàn)稿）》
據了解，該意見(jiàn)稿目的在于規范無(wú)線(xiàn)充電（電力傳輸）設備有序使用無(wú)線(xiàn)電頻譜資源，避免對各類(lèi)依法開(kāi)展的無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)產(chǎn)生有害干擾，維護空中電波秩序。
簡(jiǎn)而言之，就是在目前無(wú)線(xiàn)設備越來(lái)越多的環(huán)境下，通過(guò)設定無(wú)線(xiàn)充電功率限制來(lái)避免設備間互相干擾。
如果上述征求意見(jiàn)稿最終獲得通過(guò)，50W以上的無(wú)線(xiàn)快充產(chǎn)品都將成為“絕唱”，這意味著(zhù)無(wú)線(xiàn)充電的“功率競賽”就此落幕。
那么，對于以手機為代表的消費電子設備充電而言，50W的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)能否滿(mǎn)足消費者需求呢?
其實(shí)，50W已是一個(gè)不低的無(wú)線(xiàn)充電功率水平。在2020年小米發(fā)布的50W無(wú)線(xiàn)秒充技術(shù)中，已經(jīng)實(shí)現40分鐘即可將4500mAh大電池充至100%，充電速度超過(guò)了部分有線(xiàn)充電。畢竟蘋(píng)果手機目前的有線(xiàn)充電器功率才達到20W，磁吸無(wú)線(xiàn)充電還只有15W。對于消費者而言，50W的無(wú)線(xiàn)充電功率足以滿(mǎn)足對于手機快充的需求。
然而，在“功率競賽”告一段落之后，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)接下來(lái)要關(guān)注哪些技術(shù)點(diǎn)呢？
01 提升充電效率/轉化效率
我們先來(lái)了解一下無(wú)線(xiàn)充電系統的內部結構和工作原理。無(wú)線(xiàn)充電系統由發(fā)射端和接收端組成。以電磁感應方式為例，發(fā)射端與電源連接，電源被發(fā)射電路轉變?yōu)楦哳l電流，高頻交流電使發(fā)射線(xiàn)圈產(chǎn)生波動(dòng)磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在接收線(xiàn)圈上感
應出交流電，然后接收電路再把電流轉化為直流電給設備電池進(jìn)行充電，這樣一來(lái)就實(shí)現了無(wú)線(xiàn)充電。
圖4：無(wú)線(xiàn)充電供電示意圖
（ 圖源：行行查研究中心）
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是采用電磁感應原理，實(shí)現“電生磁”-“磁生電”的相互轉化。從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)業(yè)鏈主要包括方案設計、無(wú)線(xiàn)充電芯片、磁性材料、傳輸線(xiàn)圈、模塊制造等幾個(gè)環(huán)節，行業(yè)入局者眾多。
其中，TDK是無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈領(lǐng)域的知名廠(chǎng)商，其面向智能手機及其他移動(dòng)設備的無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈采用纖薄、靈活的金屬磁片，實(shí)現了行業(yè)最薄的厚度。這些TDK無(wú)線(xiàn)電力傳輸線(xiàn)圈裝置不僅超薄、超輕，同時(shí)也高度耐沖擊。
貿澤電子在售的TDK無(wú)線(xiàn)充電小型Rx（接收）線(xiàn)圈單元WR202010-18M8-SM接收器具有10.68μH電感和2.96Ω的最大直流電阻。
圖5：無(wú)線(xiàn)充電小型Rx線(xiàn)圈單元WR202010-18M8數據表
（圖源：TDK）
據了解，該線(xiàn)圈設計上盡可能降低了電阻值上升的趨勢，并實(shí)現了滿(mǎn)足WPC Qi標準要求的電力傳輸效率。TDK設備具有超薄外形及0.5-0.6A的輸出電流，可依據每項設計要求進(jìn)行定制設計，并且無(wú)鹵素，適用于智能手機、手持式移動(dòng)終端、DSC、可穿戴設備等產(chǎn)品的無(wú)線(xiàn)充電應用中。無(wú)線(xiàn)接收線(xiàn)圈作為無(wú)線(xiàn)充電功能的重要硬件支持，其銷(xiāo)量必定會(huì )隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)充電功能的普及而不斷攀升。
從無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的市場(chǎng)應用現狀來(lái)看，現階段無(wú)線(xiàn)充電的效率大多處于60%-80%之間，而有線(xiàn)充電效率可達95%，兩種充電方式存在較大差距。因此，除了充電功率之外，充電效率和轉換效率也是制約無(wú)線(xiàn)充電速度的關(guān)鍵。
在電磁感應模型中，電能轉換為磁場(chǎng)能，再由磁場(chǎng)能變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程必然存在一定的能量損耗，并且由于比有線(xiàn)充電多了感應線(xiàn)圈這個(gè)“中間商”之后，能量轉化率也出現大幅的降低。因此，提高無(wú)線(xiàn)充電效率和轉換效率成為接下來(lái)行業(yè)要發(fā)力的方向之一。
提高效率可以從兩點(diǎn)出發(fā)，一是增大輸出，另一個(gè)是減少損耗：
增大輸出方面，可以從材料選擇來(lái)著(zhù)手。選擇好的磁性材料一方面可以增加磁通量，另一方面可以實(shí)現磁屏蔽。目前常用的磁性材料有鐵氧體、納米晶等，對磁通特性要求較高。無(wú)線(xiàn)充電的發(fā)射端與接收端上都覆蓋無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈，線(xiàn)圈在工作時(shí)都會(huì )有損耗，因而使用好的材質(zhì)可以降低線(xiàn)圈損耗，大大提升無(wú)線(xiàn)充電效率。
減少損耗方面，可以從優(yōu)化線(xiàn)路與元器件選擇來(lái)著(zhù)手。線(xiàn)路上精簡(jiǎn)優(yōu)化好，并且元器件選擇好的材質(zhì)，就可以減少輸出損耗。此外，發(fā)射和接收線(xiàn)圈的耦合設計以及制造工藝都影響充電效率，電子線(xiàn)圈高端產(chǎn)品的技術(shù)門(mén)檻較高，能提供高端產(chǎn)品的生產(chǎn)商數量有限。
在提升無(wú)線(xiàn)充電效率方面，Texas Instruments的產(chǎn)品表現出色。貿澤電子在售的Texas InstrumentsBQ51051BRHLR產(chǎn)品是一款高效、符合Qi標準的無(wú)線(xiàn)電源接收器，適用于便攜式應用的集成鋰離子/鋰聚合物電池充電控制器。
BQ51051BRHLR在單個(gè)封裝中集成了低阻抗同步整流器、低壓降穩壓器（LDO）、數字控制器、充電器控制器以及精確的電壓和電流環(huán)路。整個(gè)功率級（整流器和 LDO）使用低電阻N-MOSFET以確保高效率和低功耗，峰值AC-DC充電效率能達到93%。
圖6：Texas Instruments BQ51051BRHLR無(wú)線(xiàn)電源接收器功能框圖
（圖源：Mouser）
據了解，BQ51051B器件提供高效的AC-DC電源轉換，以及高效、安全地對鋰離子和鋰聚合物電池充電所需的各種控制算法。該器件與BQ500212A發(fā)送器側控制器一起為直接電池充電器解決方案提供完整的無(wú)線(xiàn)電源傳輸系統。
通過(guò)使用近場(chǎng)感應電能傳輸，嵌入在便攜式設備中的接收線(xiàn)圈可以接收發(fā)射線(xiàn)圈傳輸的電能，然后對來(lái)自接收器線(xiàn)圈的交流信號進(jìn)行整流和調理，以直接向電池供電。從接收器到發(fā)射器建立全局反饋，以穩定功率傳輸過(guò)程。
TI 公司的無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品組合改變了傳統的連接性，可提供各種無(wú)線(xiàn)電源發(fā)射器和接收器器件，適用于直接和間接充電應用以及標準兼容和非兼容系統，其豐富的無(wú)線(xiàn)充電解決方案極大的滿(mǎn)足了人們對于持續連接的需求。
02 增強易用性
目前，手機無(wú)線(xiàn)充電廣泛采用的是電磁感應式技術(shù)。由于其研發(fā)門(mén)檻較低，技術(shù)趨于成熟，成本較低，因而被廠(chǎng)商廣泛使用。但電磁感應無(wú)線(xiàn)充電局限較多，包括充電時(shí)需要對齊線(xiàn)圈、不能遠距離無(wú)線(xiàn)充電、同時(shí)可充電設備的數量較少等。這幾大短板限制了電磁感應無(wú)線(xiàn)充電的發(fā)展，致使該項技術(shù)在大部分應用場(chǎng)景中優(yōu)勢不明顯，使用體驗有待進(jìn)一步加強。
為了解決以上問(wèn)題，電磁共振式無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)出現了，其原理是發(fā)送端遇到共振頻率相同的接收端后，由共振效應進(jìn)行電能傳輸。通過(guò)這項技術(shù)，即使沒(méi)有像電磁感應式充電一樣對齊線(xiàn)圈的位置，也依然能充電，并且充電距離可達10厘米左右。這樣的距離與電磁感應技術(shù)相比沒(méi)有本質(zhì)區別，仍然不能實(shí)現遠距離無(wú)線(xiàn)充電。其缺點(diǎn)是充電效率較低，并且距離越遠，傳輸功率越大，損耗也就越大。
為了實(shí)現真正的無(wú)線(xiàn)充電，無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)又應運而生。這種全新的隔空充電技術(shù)，通過(guò)發(fā)射裝置的天線(xiàn)輻射無(wú)線(xiàn)電波，再由接收裝置接收無(wú)線(xiàn)電波上承載的能量來(lái)完成“隔空”充電。這種充電方式覆蓋的范圍比前兩種技術(shù)遠得多。相比接觸式無(wú)線(xiàn)充電，隔空充電才能讓消費者真正感受到無(wú)線(xiàn)充電的魅力。
無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)是目前無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)研發(fā)的前沿，諸多企業(yè)都在研發(fā)使用不同的無(wú)線(xiàn)射頻類(lèi)型完成“隔空充電”，其優(yōu)點(diǎn)是充電距離遠，充電方式靈活，限制少，可以實(shí)現真正的“無(wú)線(xiàn)充電”。當然這種技術(shù)也有潛在的不足，比如對人體的潛在影響以及轉換效率相比前兩種方式較低。
無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)被認為是下一代無(wú)線(xiàn)充電設備的核心技術(shù)，當真正成熟、低成本的電磁共振和射頻無(wú)線(xiàn)充電器出現后，無(wú)線(xiàn)充電才能真正實(shí)現大家想象中的那種遠高于插線(xiàn)充電的便利性。也許在消費電子領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)將從現有的電磁感應無(wú)線(xiàn)充電直接過(guò)渡到隔空充電，進(jìn)而從有限的無(wú)線(xiàn)，發(fā)展到真正的無(wú)線(xiàn)。
目前而言，隔空充電技術(shù)想要達到真正的實(shí)際應用，仍有諸多問(wèn)題需要解決。綜合來(lái)看，不同的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)之間優(yōu)劣各異，隨著(zhù)市場(chǎng)需求以及技術(shù)演進(jìn)的趨勢，每種技術(shù)都在尋求新的突破口。
圖7：無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)模式對比
（圖源：頭豹研究院）
03 EMI（電磁干擾）控制
所謂EMI（電磁干擾），是指任何能使設備或系統性能降級的電磁現象。
由于無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統在傳播過(guò)程中需要借助磁耦合機構將發(fā)射側的電能轉化成高頻磁場(chǎng)，因而容易產(chǎn)生EMI信號。這些EMI信號經(jīng)過(guò)傳導和輻射，不僅會(huì )污染電磁環(huán)境，還會(huì )對通信設備和電子儀器造成干擾。
同時(shí)，無(wú)線(xiàn)充電是輻射開(kāi)放的磁場(chǎng)，開(kāi)放磁場(chǎng)可能會(huì )對外部其它設備產(chǎn)生影響。所以在做芯片設計的時(shí)候，需要通過(guò)降低寄生參數、調整驅動(dòng)的速度和時(shí)間以及添加磁性材料等方式來(lái)屏蔽電磁干擾，降低電磁干擾帶來(lái)的影響。
如在無(wú)線(xiàn)充電的發(fā)射和接收端，可采用鐵氧體等低成本軟磁材料。通過(guò)對鐵氧體屏蔽結構的優(yōu)化設計可有效降低耦合機構的磁場(chǎng)泄漏，達到控制EMI的目的。
由此可見(jiàn)，無(wú)線(xiàn)充電芯片和線(xiàn)圈對EMI有著(zhù)較高要求。貿澤電子在售的來(lái)自Vishay的Dale IWTX-4646BE-50無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器線(xiàn)圈能夠提供耐用的結構和高磁導率屏蔽，該線(xiàn)圈在19V輸入電壓下能提供超過(guò)70%的效率。
圖8：Vishay-Dale IWTX-4646BE-50無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈
（圖源：Mouser）
IWTX-4646BE-50線(xiàn)圈配備不受永久定位磁鐵影響的高飽和鐵粉，可與Vishay符合WPC的無(wú)線(xiàn)接收線(xiàn)圈配套使用。尺寸更大的鐵氧體線(xiàn)圈在強磁場(chǎng)下會(huì )飽和。IWTX-4646BE-50在4000高斯磁場(chǎng)下的磁飽和為50%，可替代此類(lèi)線(xiàn)圈。
綜合上述內容來(lái)看，“功率競賽”之外，提升充電效率、增強易用性、控制無(wú)線(xiàn)充電系統的電磁干擾等或將成為行業(yè)廠(chǎng)商接下來(lái)需要關(guān)注的重點(diǎn)方向。
而在無(wú)線(xiàn)充電方面一直表現亮眼的小米，自2018年推出首款無(wú)線(xiàn)充電手機以來(lái)，一直致力于推動(dòng)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的發(fā)展。近日，小米推出了“小感量+磁吸”無(wú)線(xiàn)充電預研技術(shù)，磁吸無(wú)線(xiàn)充電功率可達50W，損耗降低50%，進(jìn)一步實(shí)現了“革命性的無(wú)線(xiàn)充電體驗”。
無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)前景可觀(guān)
近幾年隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)充電的不斷普及和推廣，消費者對于無(wú)線(xiàn)充電的認知度和接受度正在不斷提高，無(wú)線(xiàn)充電所應用的領(lǐng)域也將不斷擴展。
據相關(guān)數據統計，全球無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)規模從2016年的34億美元增長(cháng)至2020年的90億美元，年均復合增速超過(guò)40%，2021年全球無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)規模突破百億美元，市場(chǎng)前景廣闊。
圖9：（圖源：行行查研究中心）
未來(lái)，隨著(zhù)行業(yè)系統設計的改進(jìn)、無(wú)線(xiàn)充電效率和易用性的提升，行業(yè)廠(chǎng)商將以更新、更好、更快且更具成本效益的無(wú)線(xiàn)充電解決方案，繼續推動(dòng)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)向前發(fā)展，以及市場(chǎng)預滲透率的持續攀升。
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