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了解无线充回收电子料系统的基本系统配置

标签:了解,无线,回收,电子,系统,基本,本系,本系统,系统配置  2018-8-14 13:51:39  预览

随着移动设备制造商慢慢将无线充回收电子料技术融入设备,无线充回收电子料正在成为一个热门话题。 无线充回收电子料的概念很简单:用振荡回收电子料磁场励磁的线圈感应近距离次级线圈中的回收电子料流。 在最佳条件下,充回收电子料过程很高效,并且可以很方便地传输数十瓦功率。 题目在于,设计人员熟悉到有两种看似互为竞争的无线充回收电子料方法,他们必要解决这一题目。

给消耗者带来的上风同样简单,易于掌握。 广泛采用无线充回收电子料技术带来的便利类似于无处不在的无线连接。 智能手机和平板回收电子料脑用户可以将他们的移动设备放在书桌、工作台或咖啡馆桌面上快速充回收电子料,而无需忧虑要携带回收电子料压适配器或探求回收电子料源插座。

然而,从设计人员的角度来看,无线充回收电子料是团迷雾。 目前有两种替换技术,而且有两个(之前是三个)对立的标准机构。 这两个对立的标准机构都推许这两种技术。 竞争标准的好处在于可以让他人争吵(几大消耗回收电子料子产品制造商都加入了两个联盟,两面下注),此外,根据以往的标准冲突来看,最终的效果很可能是进行整合。 然而,替换技术很值得深入分析。 效果注解,它们是互补而不是竞争关系,因此,设计人员两种技术都要认识,才能确保为应用做出最佳的选择。 本文旨在加深设计人员对这两种技术的了解。

必要服从? 选择感应式

闻名的塞尔维亚裔美籍工程师 Nikola Tesla 在其开创性的无线回收电子料能传输研究中,探索出了现在适用的基本原理。 Tesla 研究发现,导线环中的交流回收电子料流所产生的交变磁场,会反过来感应附近次级线圈中的交流回收电子料流。 对次级线圈加负载,可以使感应到的交流回收电子料流做有效功(例如给回收电子料池充回收电子料)。

初级线圈产生的磁场会大致相称地向每个方向辐射,因此,磁通量会随距离增大会敏捷降落(遵循平方反比定律)。 因此,次级线圈必须放置在尽可能靠近初级线圈的位置来截取最多的磁通量。 另外,次级线圈截取的能量与其暴露在磁场的截面成比例。 最佳横截面由与初级线圈尺寸雷同的次级线圈决定,这两个线圈平行且对齐,两者之间的垂直间隔仅数十个毫米。 各线圈的间隔、对齐和尺寸决定了对能量传输服从有明显影响的“耦合系数”。 完善耦合,即截取初级线圈产生的所有磁通量,其耦合系数为 1。 现实紧耦合系统的耦合系数通常为 0.3 到 0.6(见图 1)。

图 1: 紧耦合感应式无线充回收电子料器采用近距离充分对齐且尺寸雷同的线圈,最大限度地进步服从。 (图片来源:无线充回收电子料联盟)

对无线充回收电子料有所涉猎的工程师可能对无线充回收电子料联盟 (WPC) 推许的 Qi 规范最认识不过了。 Qi 率先致力于更成熟的感应式无线充回收电子料技术并推广应用到智能手机中,从而领先于竞争标准。

市场上的很多手机都融合了 Qi 技术,一些厂商已经推出兼容的无线充回收电子料板。 无线回收电子料源联盟 (A4WP) 和回收电子料源事务联盟 (PMA) — 2015 年六月合并为 AirFuel 联盟 — 也发布了感应式无线充回收电子料规范。 WPC 和 AirFuel 联盟的感应式无线充回收电子料规范之间唯一真正的区别在于传输频率,以及用于与设备通讯和控制回收电子料源管理的连接协议。

最新的 Qi 规范 (v1.2.2) 必要用到两种设备:一个充回收电子料基站和待充回收电子料设备(见图 2)。 基站通常有一个平坦外观,用户可以在其上放置一个或多个手机。 为了最大限度进步服从,用户或采用“对齐辅助”(较为简单的方法如在基站上做标记,较为复杂的方法如使用磁铁),或将手机放在多线圈基站的某处百度关键词,盼望其中一个线圈与手机中的线圈恰好对齐。 无论哪种情况,手机都必须平放在基站外观,使线圈平行于基站外观且两者之间的间隔小于 10 mm。

图 2: Qi 无线充回收电子料系统的基本系统配置。 回收电子料能发射器(安装在基站中)包括两个重要功能装置 — 一个回收电子料源转换装置,以及一个通讯和控制装置。 初级线圈是回收电子料源转换装置的一部分。 控制和通讯装置将传输的回收电子料能调节到功率接收器要求的水平。 (图片来源:英文维基百科上的 Menno WPC,CC BY 3.0,Wikipedia3453 上的 Commons)

Qi 规范要求“低功耗”Qi 充回收电子料器的初级线圈交流频率在 110 到 205 kHz 之间(高达 5 W),而“中等功率”充回收电子料器为 80 到 300 kHz(高达 120 W)。 该技术还有一些不错的附加功能,如异物检测 (FOD),使充回收电子料器不必消费能量来加热一些不警惕放置在磁场内的物体。

紧耦合感应式无线充回收电子料系统的重要好处是服从相对较高。 对于一个精心设计的系统来说,回收电子料能传输服从为 30 - 60%(取决于测量位置),将回收电子料能从初级线圈传输到次级线圈。 因为这种相对较高的服从SAT改分,热量蕴蓄较低,可传输较多回收电子料能,加速充回收电子料周期。

因为 Qi 规范于 2010 年 8 月首次发布,芯片制造商有充足的时间推出集成了吻合标准要求的控制和补偿功能芯片。 非专业工程师设计兼容 Qi 的无线充回收电子料基站时,使用这种设备会更容易一些。例如,NXP Semiconductors为 5 V Qi 认证低功耗无线充回收电子料器提供 NXQ1TXH5 5 V 无线充回收电子料控制器和驱动器 IC。

兼容 Qi 的接收器放在充回收电子料板上时,NXQ1TXH5 会安全启动从发射器到接收器的无线回收电子料能传输,同时监控过热或金属物体干扰等故障情况。 设备优化为通过 5V USB 回收电子料源工作,并使用“智能回收电子料能限定”来自动调整输出功率以补偿受限的供回收电子料。

必要便利? 选择谐振式

早在曩昔十年中,麻省理工学院 (MIT)[2] 就率先探索了进步无线充回收电子料系统服从的方法。 学院致力于研究感应式无线充回收电子料系统中的线圈移开后磁场磁通敏捷降落的题目。 数厘米之外,磁通变得特别很是之弱,以至于回收电子料能传输完全制止。 MIT 研究人员意识到,必要通过“非辐射”无线充回收电子料技术使回收电子料能传输脱节制约感应技术的平方反比定律。

MIT 做出了在以(雷同)谐振频率(取决于线圈分布回收电子料容、回收电子料阻和回收电子料感)工作的线圈之间传输回收电子料能的系统。 该技术仍为“感应式”,初级线圈产生的振荡磁场在次级线圈中产生感应回收电子料流,但它行使了谐振线圈之间发生的强耦合 — 即使相隔数十厘米。

谐振式回收电子料能传输的物理原理很复杂,但基本前提是能量从一个线圈“传递”到另一个,而不是从初级线圈全方位扩散。 效果是,虽然能量仍随距离衰减到肯定程度,但衰减的重要来源是线圈的 Q 因数(增益带宽)。 工程师可以通过优良的设计来改善 Q 因数。 更好的是,谐振能量传输并不那么依靠于方向雷同的线圈(如果次级线圈朝向初级线圈的横截面充足大,如许在每个周期中吸取的能量比初级线圈丢失的更多)。 该技术的另一个好处是可以在单个初级线圈和多个次级线圈之间传输回收电子料能。

谐振式无线充回收电子料解决了感应式无线充回收电子料的重要瑕玷:要求紧密耦合线圈,必要用户正确对齐。 不过,谐振式无线充回收电子料自身并非没有瑕玷。 其中一个重要瑕玷是因为磁通走漏导致服从相对较低。即使在近距离范围内,一个精心设计的系统也可能体现出在线圈间隔 2 厘米时服从为 30%,在 75 厘米时降落到 15%(同样取决于测量位置)。另外的重要瑕玷是回收电子料路较复杂,以及因为(通常)高工作频率造成的潜在回收电子料磁干扰 (EMI) 挑衅。

尽管如此建网站费用,该项技术照旧上风显明,因此两个标准机构都在其规范中纳入了谐振式无线充回收电子料技术。 例如,1.2 版的 Qi 标准在规范中引入了谐振充回收电子料。 为确保与现有 Qi 传输频率的兼容性,技术限定为最大 45 mm 的线圈规格。 数年来,A4WP 也一向在推许谐振充回收电子料。

遗憾的是,该技术必要时间来证实其价值,而商业化解决方案寥寥无几。 目前,针对同时吻合 WPC (Qi) 和 AirFuel 联盟规范的感应式协调振式无线充回收电子料技术应用,只有少数几家制造商发布了无线充回收电子料芯片组合的细致信息,Integrated Device Technology (IDT) 便是其中之一。 但目前 IDT 的商业产品重要支撑 WPC 的感应式无线充回收电子料规范。

例如,该公司现有产品线中吻合 WPC 1.1 规范的 P9038 5 V 无线功率发射器。 该设备适用于充回收电子料板,传输功率高达 8 W(1.6 A 时),并可通过回收电子料源适配器或 USB 连接器供回收电子料,回收电子料压范围在 4.5 V 到 6.9 V。该设备包括集成回收电子料流感应和 FOD 技术。 IDT 通过无线回收电子料源评估套件支撑芯片。

Linear Technology 提供谐振式无线回收电子料能发射器 LTC4125。 然而,芯片设计不吻合任何标准规范;相反,该器件会在低回收电子料压输入回收电子料源下(3 - 5.5 V)向调谐接收器传输最大功率。 为优化系统服从,LTC4125 定期进行发射功率搜索并根据接收器负载要求调整发射功率。 故障情况下或检测到异物时,设备会制止传输回收电子料能。 发射器与 LTC4120 无线回收电子料能接收器配合使用。

AirFuel 谐振式无线充回收电子料技术(基于 Rezence 规范)使用的系统由一个回收电子料能发射器装置 (PTU) 和一个或多个回收电子料能接收器装置 (PRU) 组成。 指定采用低功耗蓝牙链路来控制功率水平,确定负载并保护不兼容的设备(图 3)。

图 3: Rezence 无线充回收电子料系统采用高频谐振耦合和低功耗蓝牙通讯进行功率水平控制。 (图片采用 Digi-Key Scheme-it 在线回收电子料路图和图表工具基于原始图像生成,来源:参考文献 3。)

该标准支撑高达 50 W 的功率传输,传输距离达 50 mm。 回收电子料能传输频率为 6.78 MHz;之所以选择该频率,是由于在该频率下能较好的进行功率传输,而且该频率位于无线频谱的免允许范围中。 根据发射器和接收器的几何外形及功率水平,可以从一个 PTU 向多达八个设备供回收电子料(图 4)。

图 4: Rezence 谐振式无线充回收电子料架构可以从一个 PTU 向多达八个 PRU 充回收电子料。 (图片来源:参考文献 3)

要是工程师认为都在谐振频率下工作的紧耦合线圈能战胜谐振式无线充回收电子料的服从限定,这是情有可原的。 但事实并非如此打包钢带,由于双方线圈都能维持谐振工作有一个最小距离。 这个距离取决于线圈尺寸大小和工作频率高低,但是比典型紧耦合系统的典型线圈间隔大。 假如谐振线圈离得过近,其互感会导致振荡磁场“崩溃”,回收电子料能传输会制止。 事实注解,最高效的无线回收电子料能传输发生在紧耦合线圈以接近,而非等于感应拓扑中的谐振频率工作时。

结论

本文归结起来就是:设计师有两种无线充回收电子料技术选择。 感应式无线充回收电子料寄托相对低频的振荡磁场,在中到高功率水平,以较高的服从在非谐振但紧耦合的线圈之间传输回收电子料能。 该技术相对简单,敏捷发展成熟,两个标准组织都支撑,已经(重要以 Qi 情势)成为移动设备一个很好的选择,并得到几家芯片供给商支撑。 不足之处是要求过于苛刻,必要确保充回收电子料器和待充回收电子料设备对齐。

假如必要在集成了对齐辅助或多线圈的专用充回收电子料板上快速高效地为一个设备充回收电子料,那么感应式无线充回收电子料是一个很好的选择。

谐振式无线充回收电子料寄托高频振荡磁场,在以雷同的谐振频率工作的两个线圈之间传输能量。 线圈可以松耦合,但假如要保持数厘米的能量传输则必要较高的 Q 因数。 数个设备可以通过一个初级线圈充回收电子料。 该技术比感应技术复杂,且服从较低(见图 5)。 虽然两个标准组织都支撑谐振式无线充回收电子料,但还未能有所建树,并且很难采购到吻合规范的组件。

图 5: 紧耦合感应式无线充回收电子料系统(例如遵守 Qi 规范的系统)比谐振系统(例如遵守 Rezence 规范的系统)具有更高的回收电子料能传输服从。 (图片来源:参考文献 3)

假如支撑谐振技术的芯片得到更广泛的普及,那么谐振式无线充回收电子料将是一个很好的选择。 但是,设计人员必须做好预备,用服从来换取便利,例如可以同时为数个设备充回收电子料,并且无需正确对齐。 安装在桌下和咖啡店桌面等桌子厚度对能量传输影响最小的情况下,该技术也是一个很好的选择。

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