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磁感应也能做远距离无线充电?你能想到哪些新应用场景?

磁感应技术也能做远距离无线充电?你没有看错,相比标准的Qi只有不到1cm的充电距离,这种新技术将充电距离扩展到了3.5cm。那你能对此想到哪些新的应用场景?这样的技术对于产业的发展又有何意义呢?

磁感应技术也能做远距离无线充电?你没有看错,这是日前在ASPENCORE旗下《电子工程专辑》、《EDN电子技术设计》和《国际电子商情》共同举办的“第18届电源管理论坛(秋季)——快充与无线充电”论坛上,微鹅电子带来的一大亮点!相比标准的Qi只有不到1cm的充电距离,这种新技术将充电距离扩展到了3.5cm。那,你能对此想到哪些新的应用场景?这样的技术对于产业的发展又有何意义呢?

微鹅电子CEO余峰带来的议题是“消费类电子无线充电发展趋势探讨”。他指出,2008年WPC的成立可以认为是无线充电真正商业化应用的一个标志性的时间点。2012年又成立了A4WP(即Rezence,6.78MHz磁共振),虽然晚4年推出,但有很多技术优势。

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Qi标准的四大诟病

从08年开始,到现在10多年时间,无线充电的发展日趋向好,今年比去年好很多。回顾2012年以前,Qi存在的问题包括充电慢、发热严重、TX和RX位置要对得很准、需要贴得很近等。有人拿Qi无线充电和QC快充做对比,Qi的充电速率慢很多。那么现在跟十年前比又有哪些变化?

无线充电往哪走?把价格做低而获取竞争优势,是一大“中国特色”。当然这个思路合理、正确,但也是把双刃剑。如果在把价格做低的同时能保持性能,那很好。但如果追求价格降低品质,这个市场就会变成红海。

怎么解决前面的4个问题。前2个其实都是:无线充电的速度有多快?华为的机器还没发,但据消息,发射器可能做到20W。接收端分三部分:无线充电线圈部分、整流部分,充电管理部分。最后的部分是有线和无线充电可以共用。前面两个部分是无线充电多出来的部分,这多出来两个部分造成无线充电一定比有线充电损耗多、速度慢。

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后2个(即对准和贴合)其实最为人所诟病。为什么要做无线充电?原因是希望比有线充电带来更好的使用体验。空间自由度是我们想要转到无线的主要原因,包括垂直自由度(距离)和平面自由度(充电面积)两个方面。微鹅希望在空间自由度上做些工夫。

充电面积可以有多大?

下面是A11标准线圈的横截面示意图(黑色代表磁片,桔黄色代表线圈)。若发射器和接收器是中心点对中心点,即同轴,则耦合最大。

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如果中心点偏1cm,按最短路径走,则磁通不需要经过线圈耦合,所以线圈感生的电压就低,无法充电。因此标准A11线圈充电要求偏移小于1cm。

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如果将发射器的线圈变大,则线圈布线区域变大,耦合系数可以变高。

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如果偏移更多,比如1.5cm,则磁通会打到手机金属上,形成涡流,发热,导致效率急剧降低。

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A12线圈和A11线圈相似度较高。用A12线圈可以获取更宽充电区域,做到±15mm——在10mm以内,效率还比较平。这样,除了线圈不同以外,其他BOM一样,因此成本增加不多。

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这样,作为手机配件来讲,摆放可以更加自由。另外,有些手机的接收线圈不在其中心位置(比如坚果R1),这就会对标准线圈带来困扰。车载应用,则会有夹子把手机拖住,手机尺寸不一,其中心点也就略有差异。当然,也可以用多线圈的方法来解决。

充电距离可以有多远?

上面是水平面积上的拓展。下面看充电距离。

这个问题更难。如果要紧密贴合在一起,那和有线充电器又有何异?那能否做到有所不同,充电距离能做到多远呢?

如下图所示,如果充电距离是3.5cm的话,则磁通走红色的圈更近,即磁通会发生自闭合。当然,磁通是发散的,还是有小部分会和远端耦合。

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如果把发射磁通强行增强几十倍,磁通发散,往外绕,越远就会越发散。发散后就会打到手机上,造成发热,就会被认为是异物,我们不能准确控制磁通往哪走。所以似乎距离不能做远。

那怎么办?有三点需要考虑。1.在远端35mm处希望磁通是垂直打上去,这样才能被接收端耦合。线圈做大可以解决这个问题。2.磁通分散会打到金属部分。微鹅提出了一个专利叫分离式屏蔽技术。3.发射线圈尺寸做大,感值就比较大(需要有足够阻抗),就没办法用5V或9V电压去驱动。而如果把磁通增大50倍,考虑到效率和安全性问题,用200V电压驱动又不可能。因此要用相对较高的电压比如20几伏去驱动,并自动找到谐振点,在谐振腔去激发,这是另一个微鹅在做的技术,即自适应技术。

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微鹅的远距离无线充电方案采用φ100的线圈(内径40)。横向由1cm变成3cm,路径变远,这样就有更多的分量会往远端走。然后需要做分离式屏蔽,即在手机边上要把磁场屏蔽,在屏蔽磁片中挖一个洞,洞里面磁通才能走,才会被手机所接收。

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这样就可以把距离做到3.5cm(标准的Qi只有7、8mm)。虽然效率要低,但仍合理,在30mm的地方效率还有60%多。

那远距离无线充电怎么去用?

可以用双面胶或螺丝将发射器固定在桌子下面,在桌子上面贴个分离式磁片和一张纸来做标识(告诉用户这个位置可充电)。将分离式磁片和纸做到一起只有0.2mm,对用户无感,用户看到的只有一张纸。这样,无线充电就从桌面上变到了桌面下,从显性变成了隐性;从配件抽离出来,变成了一个基础设施。只有这样,未来我们无论走到哪,把手机往桌子上一丢就可以充电,那就会很方面。

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微鹅想做的是构建一个无线充电的环境。目前来讲,这一技术在一些公共区域已经有不少应用,比如在海底捞火锅店、酒店床头柜、咖啡厅、政府办公大厅等候区等地方,这种设施变成了环境构建的利器。只有发射端到处都有,那生态才能闭环。

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“预期未来,我们无论走到哪,手机都可以方便地进行无线充电。无线充电将会变成一个基础设施,就像水电气一样。希望无线充电能够改变人们的生活。”余峰总结道。

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