无线充电技术标准浅析

龙源期刊网无线充电技术标准浅析作者：张益铭来源：《数字技术与应用》2013年第04期摘要：无线充电将会是未来移动设备的一个发展方向，也是各大厂商争相研究的热点技术之一。目前的无线充电的主流标准分为Qi、PMA和A4WP三大标准。本文对无线充电技术的应用现状及三大标准进行分析。关键词：无线充电QiPMAA4WP中图分类号：TM910.6文献标识码：A文章编号：1007-9416（2013）04-0223-02过去的这十几年时间，无论在家里还是在办公室，我们都经历了翻天覆地的变化。有一些我们看得到，有一些我们看不到。看得到的是我们都从上网线中解放出来，用上了WIFI；无线键鼠的出现，也让我们的操控设备摆脱了线材的束缚。但除此之外，还有的就是插座和插头的数量正在呈惊人的速度递增。在未来的十年时间里，毋庸置疑，我们将看到无线充电设施将把那些插座和插头取而代之，出现在千家万户的桌面上和墙壁上。最终，无线充电技术将进入高难度技术条件才能实现的环境中，比如风力涡轮机组中，汽车上，以及用在潜入深海探测的机器人身上。1无线充电技术应用现状前不久三星推出的新一代Galaxy系列手机S4，宣布支持Qi无线充电技术，微软大力支持的WP8手机Lumia920/820也支持Qi标准。尽管无线充电已经不是什么新鲜名词，但能得到行业大腕三星、诺基亚如此支持，足见其趋势已成必然。当然，对于无线充电事业来说，这只是第一步。毫无疑问，无线充电将会是未来移动设备的一个发展方向，也是各大厂商争相研究的热点技术之一。其实在电子产品如此普及的今天，相信我们每个人手头上都有若干个不同种类的充电器和充电线，使用起来非常不便。而无线充电技术正是为解决这个问题而产生的。无线充电技术一方面能让用户摆脱线缆的困扰，另一方面也能解决充电器的通用性问题。但是，正如我们所看到的，无线充电技术还没有被大规模应用，其原因主要在于目前不同终端对供电的参数要求不同，全球尚未形成一个通用的无线充电标准，因此，无线充电也只能局限于部分手机和部分地区。无论是手机行业的巨头还是一些组织或者团体，都在积极研发相关技术，无线充电不仅仅是不用线，未来是让手机不用刻意充电，只要揣在兜里或者放到桌子上，就能保持电流源源不断的输入。美国知名的IT杂志《连线》预测，到2013年下半年，无线充电技术有望普及。因此从大众接受度以及舆论来看，无线充电技术的发展将有一个不错的环境。2无线充电技术三大标准龙源期刊网从基础技术而言，无线充电技术源于无线电力输送技术，无线输电的提出最早要追溯到1889年物理学家尼古拉·特斯拉。无论不同的无线充电技术的差别有多大，它们背后的原理就是我们熟知的电磁感应现象，具体来说就是利用变化的电场产生变化的磁场，再利用变化的磁场产生电场，从而产生电流为设备充电。我们都知道一根通电导线周围产生的磁场的方向垂直于电流方向，而且通常情况下是非常微弱的，但是如果将导线绕成圆形或者是螺形的话，相同方向的磁场便会叠加，从而形成较强的磁场。其实无线充电的原理就类似于我们生活中常见的变压器，都是利用一个线圈中的电流在另一个线圈中产生电流。但区别于变压器通过铁芯传导磁场的方式，无线充电设备中的感应线圈经过了一些特殊的调整，是以空气为介质传导磁场的，从而产生感应电流。同时，和声音的共振一样，两个线圈感应也需要设置一个共振频率，使接收线圈和输出线圈的频率一致，从而在输出线圈电流很小的情况下，也能在接收线圈中产生足够强的感应电流（图1）。目前，无线充电技术基本有三种方式，分别是电磁感应、无线电波以及共振作用。在此基础上，无线充电目前有三个比较成熟的联盟标准：Qi标准、PMA标准和A4WP标准。2.1Qi无线充电标准Qi是由无线充电联盟（WirelessPowerConsortium，简称WPC）提出的标准，具有便携性和通用型两大特征。WPC是全球首个推动无线充电技术的标准化组织，也是目前世界上最大的无线充电标准组织，其成员包括来自15个不同国家的137个合作伙伴，包括HTC、诺基亚、LG、摩托罗拉、三星等，并已有一百多款搭载Qi技术的设备上市。Qi基于电磁感应原理进行输电，感应耦合电能传输系统的基本结构如图2所示。这个系统由发射器线圈L1和接收器线圈L2组成，两个线圈共同构成一个电磁耦合感应器。发射器线圈所携带的交流电生成磁场，并通过感应使接收器线圈产生电压。Qi采用了较小的感应线圈，从而能够很容易地在较高频率下传输能量。不过其缺点也很明显，那就是充电的距离比较短，最大仅有几个厘米。所以，采用Qi的无线充电设备都需要将手机等设备放在充电基座上，通常还设有磁性固定装置。而Qi另一个比较大的劣势就是不支持多个设备同时充电。为了改进这些缺点，有人提出在充电输出装置中放置多组小型线圈，以增加充电范围，但耗电量无疑也会随之增加，而且用户依然需要在充电时将手机等设备精确地放置在有感应磁场的区域，以保持和充电基座较强的连接。为了进一步解决耗电量增加的问题，WPC在Qi技术中加入了一种通讯协议。通过这个协议，充电中的设备会“告诉”充电基座需要的电量或是充电已完成，而充电基座可以根据充电设备的需要调节输出功率或者在充电完成后转入节能模式。除此以外，Qi另一个令人诟病的问题是在充电时可能会加热手机等设备内部的导电材料，从而引起发热。Qi现阶段只能为5W以下的电子产品提供无线充电，比如智能手机、平板电脑、相机等等。供电效率也仅有50.2%，相较常用的直流电源适配器72%的平均效率相差甚远，但在无线龙源期刊网充电技术来说已经相当可观。而在远景计划中，WPC计划将Qi充电站植入到家庭、汽车、火车等各个公共场所。2.2PMA无线充电标准PMA标准，全称PowerMattersAlliance，由宝洁与无线充电技术公司Powermat合资经营的DuracellPowermat公司发起，致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备，打造无线供电标准，目前PMA联盟已经有中兴、黑莓、星巴克、AT&T、Goole和金霸王等公司加盟。PMA标准通过两种方式来进行充电，一种是透过内建无线充电芯片，另一种则是采用WiCC无线充电卡（图3），这种卡片非常轻薄，使用方法也非常简单，只需要安装在在移动设备的电池上即可，同时WiCC卡也可以作为NFC（近场通讯）天线使用，看上去它让无线充电技术的未来充满了光明。但是WiCC卡也存在缺陷，充电卡的设计使它不能直接用在像iPhone那样无法拆卸电池的设备上。如果要使用WiCC卡，手机制造商们必须在电池添加一个小的连接头，其中两根导线用于充电、两根用于NFC讯号传送、两根用于数据传输。目前美国星巴克所使用的无线充电设备即采用PMA的标准，如果未来手机支持这种无线协议，恰巧你走到咖啡厅将手机直接放到桌子上就能充电。显然这种来自商家的支持是非常重要的。不过普及开来还需要时间。2.3A4WP无线充电标准A4WP标准，全称AllianceforWirelessPower，是由高通公司、三星公司以及Powermat公司共同创建，它的目标主要是建立电子产品之间统一的标准，甚至与电动汽车等相匹配的机制。A4WP标准采用的是“电磁谐振技术”，这是与其他标准最大的不同。相比于Qi，A4WP采用了更大的输出线圈，能同时为多台设备充电。同时由于设定了精确的共振频率，即使微弱的感应磁场也能为设备充电，这意味着A4WP的充电范围将会比Qi大得多，理论上来说隔着物体也可以充电，同时也不需要准确地将设备摆放在充电基座上。和Qi一样，A4WP也可以根据充电设备的数量和缺电状况自动调整能量分配方案，以达到节能的目的。从其特点来看，A4WP要比Qi方便不少，用户不再需要像使用Qi无线充电设备时那样将手机小心翼翼地摆放好，而且由于A4WP的充电范围较大，将会支持一些形状复杂的设备，比如相机。但是效率低下是它的最大弊端，短时间内很难克服。因为目前还没有采用A4WP技术的设备上市，所以在电力消耗上哪个技术更优秀还不得而知。对于家庭用户来说，设备兼容性和效率才是他们最关心的两个因素，从这个角度来说，Qi和PMA略有优势；而对咖啡厅之类公共场合来说，能够为多个设备同时充电的A4WP无线充电器显然更为实用。不过，最有可能决定谁能胜出的因素还是这三种标准的应用率，而在这方面，有着多家合作伙伴和一百多款上市设备的Qi遥遥领先。3结语龙源期刊网对于无线充电来说，究竟什么才是亟待解决的问题，我认为第一点，“接收电力”的模块必须足够的迷你化，起码能够在手机上作为内置的系统，安装在智能手机的处理器面板上。其实它应该做的更加的微型化，比锂电池还小。这样就能够让现有的数百万的各种家用电子设备都能够自行无线充电。第二点，就目前来说，人们还不得不去习惯这些无线的充电基站，不管是垫子还是盒子，你都得花费大量的时间和精力才能达到充电的效果。比如充电时间要比一般线材充电的长，比如要找到一个比较合适的位置才能让它充上电等等。所以未来这些基站的性能和易用性必须得到提升。最后，在充电过程中，必须保证绝对的安全。毕竟无线充电依然是与电打交道。不管如何，最终无线充电技术会给我们带来一个没有插头和插板的世界，让我们拭目以待。参考文献[1]肖志坚，韩震宇，李绍卓.关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究[J].自动化技术与应用，2007.（12）.[2]张宇，石新春，李琦.无线输电基本原理及应用研究[J].科技资讯，2012.（18）：132-133.[3]QiSystemDescription-WirelessPowerTransfer.2010.08.