Understanding Wireless Power
David W Baarman，富爾頓創(chuàng)新公司（Fulton Innovation LLC）先進(jìn)技術(shù)總監(jiān)
Joshua Schwannecke，富爾頓創(chuàng)新公司（Fulton Innovation LLC）研究科學(xué)家
2009年12月

無線供電正從技術(shù)轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用，隨著專利產(chǎn)品推向市場和無限供電標(biāo)準(zhǔn)的推出，產(chǎn)生了許多問題，從消費者真正期待什么，到哪種技術(shù)是最安全最有效的解決方案，這些疑問導(dǎo)致爭論越來越多。隨著無線供電達(dá)到一個轉(zhuǎn)折點，開發(fā)商和消費者，了解不同技術(shù)方案的真相，特別是他們關(guān)心的安全和效率問題，以及這種技術(shù)現(xiàn)狀和迅速發(fā)展后的未來狀態(tài)是很重要的。

研究顯示，無線供電是最吸引消費者的新技術(shù)之一。但是，在消費者真正期待技術(shù)帶來什么方面，在媒體報道和市場上有很多誤解。為了行業(yè)的完全發(fā)展和實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，需要對無限供電技術(shù)的不同具體體現(xiàn)有更全面的認(rèn)識，并需要更明確地定義效率（特別是如何測量效率）、安全和技術(shù)的不同具體消費產(chǎn)品體現(xiàn)，包括墊子、適配器解決方案和無線供電規(guī)格。

根據(jù)這些考慮、該技術(shù)的生存能力、以及無線供電行業(yè)的不斷增長，有必要教育開發(fā)商和消費者，讓他們都了解這種技術(shù)并共同合作，建立今天有可能獲得的最佳解決方案，為無線供電的今后發(fā)展定好位。

了解消費者的真正期望

研究指出，消費者需要無線供電的目的，是希望簡化供電和充電工作，提高日常生活的方便性。同時，隨著最新一波的無線供電產(chǎn)品進(jìn)入市場，該技術(shù)的生機(jī)擴(kuò)展到工業(yè)水平，也需要普及無線供電以及它是如何融入日常生活方面的知識。

在消費者真正需要什么方面，一直有一定程度的誤解。研究發(fā)現(xiàn)，如果消費者過去知道未來會出現(xiàn)集成無線供電解決方案，他們那時就會支持今天的墊子和適配器解決方案。近一半接受調(diào)查的消費者表示，為了能讓電子裝置使用上無線供電技術(shù)，他們可以等兩年。不過，大約三分之一的受訪者愿意購買適配器，大約四分之一的人想購買并使用獨立的充電器（墊子），直到用嵌入式技術(shù)代替這些產(chǎn)品。但是，這個研究也發(fā)現(xiàn)，存在一個明確的價格點，一旦超過，適配器解決方案就不再具有吸引力，即便愿意盡早使用產(chǎn)品的發(fā)燒用戶也是這樣。此外，考慮到適配器市場規(guī)模，以及更廣闊的全部消費電子產(chǎn)品和基礎(chǔ)設(shè)施，認(rèn)為專利充電墊和適配器，只是在消費者期望的通用、集成、全世界都可使用的解決方案無法實現(xiàn)時的臨時短期選擇是不合理的。

根據(jù)對市場的這種理解，基于觀察到的不斷發(fā)展的消費觀點，推出了許多不成熟的和背離常規(guī)的想法，從在房間的任何地方任何位置廣播供電和對任何裝置充電，到杠桿放大裝置與建在周圍基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)的充電熱點相互作用的近場解決方案。

隨著行業(yè)成熟，更多無線供電技術(shù)的疑問和擔(dān)心也出現(xiàn)了，所以存在必要的活動順序,這是該技術(shù)在世界上大規(guī)模應(yīng)用所需要的。首先是更深地認(rèn)識可獲得的技術(shù)、它們的優(yōu)點和局限性、以及建立全球標(biāo)準(zhǔn)的重要性。這個標(biāo)準(zhǔn)將成為開發(fā)能滿足消費者需要的通用、集成產(chǎn)品的最有效工具。

過去簡單地假設(shè)，消費者對無線供電的需要就象對Wi-Fi解決方案一樣。最初這個假設(shè)適用，但在均衡考慮效率、安全、成本和互操作性后，這就變成了一個復(fù)雜的解決方案意見。這是討論這些意見、折衷和下一步可獲得解決方案的主要原因。

可供消費者使用的無線供電的主要體現(xiàn)

無線供電可以用許多方式來傳輸，從微波、激光、特斯拉的發(fā)明，到諸如可充電牙刷這種簡單的具體產(chǎn)品，所有這些方法都有局限性，潛在地削弱了大規(guī)模應(yīng)用和商業(yè)化。在此提醒，由于微波和激光類型的無線供電系統(tǒng)是典型的點對點電源，所以本文不討論它們。這就是說，開發(fā)團(tuán)隊正在擴(kuò)展物理學(xué)的邊界，利用可獲得的部件，創(chuàng)造在功率上能與有線解決方案競爭，同時還能提供無線連接便利的系統(tǒng)。本文談到的解決方案是基于高頻廣播、中程電感耦合或近場電感耦合技術(shù)。可能還會使用“磁共振”等術(shù)語，但這個術(shù)語只是指調(diào)諧好的，可以按各種各樣的方式配置的、可能較大的電感耦合的發(fā)射機(jī)和接收器系統(tǒng)。

在定義感應(yīng)無線電力傳輸方面，使用了幾個術(shù)語，包括磁耦合，它在無線供電傳輸中通常指近場電感耦合。當(dāng)討論如非輻射能量等方面時，這是指磁耦合，更具體說是電感耦合，近場和中程電感耦合都是。本文定義使用較小的一級和次級線圈的系統(tǒng)為近場系統(tǒng)，使用較大的初級線圈用于中程距離的系統(tǒng)為近場遠(yuǎn)端系統(tǒng)。此外，中程的定義是指發(fā)射線圈直徑一到十倍左右的距離。

遠(yuǎn)場通常是射頻（RF）,波長較短，用較短的天線就能有效傳輸，本文還研究了這些系統(tǒng)的使用和集成問題。作為一般術(shù)語，射頻和中程無線供電在本文中都被定義為廣播供電系統(tǒng)，其中在輻射和非輻射方面，范圍又帶來其他考慮，如場、敏感度和覆蓋范圍等。本文討論的基本術(shù)語“廣播”是一對多關(guān)系，就是說，一個發(fā)射線圈向許多接收線圈提供供電。

在廣播關(guān)系中，設(shè)計要求系統(tǒng)中的每個接收機(jī)，要承受系統(tǒng)中最苛刻要求的一定偏差，這通常用發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的損失來表達(dá)。在廣播系統(tǒng)中，一對多關(guān)系的考慮是非常令人感興趣的，但是它也為系統(tǒng)中的雙方帶來了許多其它要求。

在接收機(jī)方面，它要求任何裝置都要有保護(hù)，并對最大裝置做限制。這在管理電壓和供電傳輸方面，為接收機(jī)帶來非常注目和具有挑戰(zhàn)性的要求。盡管直流對直流轉(zhuǎn)換技術(shù)取得了進(jìn)展，但這種系統(tǒng)的效率還不理想。其他因素包括場中和其它無源元件的額外損失。在密切接近系統(tǒng)，這較容易管理。每個供電頻道只按峰值效率請求發(fā)送，從而限制了損失。

另外一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是廣播供電中的各種模式的控制。比如考慮以電池充電器、電源或快速充電器中哪種模式來運行。一對多廣播供電系統(tǒng)的一個難題是，在管理電源交互作用同時，還得滿足各個時間段對供電系統(tǒng)的不同要求。

所以對大多數(shù)廣播系統(tǒng)，只把解決方案考慮為一個輸出和一個充電是不合理的，這會造成更多浪費。認(rèn)識到電池通常比供電系統(tǒng)更寬容也很重要。對密切接近系統(tǒng)，更容易實現(xiàn)在一個發(fā)射機(jī)上擴(kuò)展到多模式供電。這個問題好像在廣播供電中非常具有挑戰(zhàn)性，可能限制應(yīng)用和互操作性。

中程無線供電

這里的中程無線供電，是指延伸到更大影響區(qū)域的無線供電。中程無線供電是建立在這種想法上，就是使用共振磁感應(yīng)或近場遠(yuǎn)端技術(shù)，來在相距幾英寸到幾英尺距離上的兩個線圈之間傳輸電力。

這個概念的局限性，首先就是發(fā)射機(jī)的直徑。通常一個電感耦合系統(tǒng)能傳輸?shù)木嚯x與發(fā)射機(jī)的直徑差不多。隨著初級和次級Q的額外調(diào)諧，再利用阻抗匹配電容或感應(yīng)器，來達(dá)到匹配的磁共振，從而延長距離。目前的論文和實驗證明，高度調(diào)諧的系統(tǒng)，能用較大的直徑，傳輸非常大的距離。調(diào)諧以及在調(diào)諧中使用高度工程的超低損失線圈，能擴(kuò)大距離。應(yīng)當(dāng)注意到，迄今為止的討論，一直是關(guān)于延長距離和效率，到大于發(fā)射機(jī)直徑四倍的程度。這并不是說四倍能獲得更高的效率，而是只能在此距離上傳輸電力。許多人非常感興趣的是，在較短的距離上獲得較高的效率，以及獲得針對具體應(yīng)用的合適距離。這點能提供益處，即通過擴(kuò)大距離同時保持最高的效率，來提供令人激動的機(jī)會，同時還能讓緊密接近應(yīng)用獲益。在這個領(lǐng)域內(nèi)的機(jī)會令人激動，但還需要額外的思考。

早期射頻無線家庭控制技術(shù)也曾試圖利用同樣的想法，但對它的回顧發(fā)現(xiàn)，這些系統(tǒng)是在有明顯覆蓋間隙和鋁壁板等限制因素情況下所測試的，為消費者帶來額外的混亂和成本。

想象安放在有鋁壁板的房子的墻壁內(nèi)的電力傳輸線圈，這就是將一個大線圈放入金屬表面內(nèi)6英寸。這不是個容易的解決方案，因為保持灰泥和粉飾的掩蔽物也會給基于射頻的供電解決方案帶來同樣的挑戰(zhàn)。廣播無線供電面臨可能同樣的挑戰(zhàn)，其中最顯著的就是消費者教育。今天，這個技術(shù)已經(jīng)以類似魔術(shù)的方式出現(xiàn)，而直正的比較將留待未來產(chǎn)品的設(shè)計師做出。

無線供電的裝置在具體頻率下能很好地調(diào)諧和操作。如果裝置、印刷電路、半導(dǎo)體或有線電路，被調(diào)諧到這個頻率，它們會突然從廣播的電力中獲得電勢。這會干擾頻道，危及效率以及功能性，為消費者帶來使用問題。隨著電源和裝置之間的距離增加，這些問題也變嚴(yán)重了。此外，在較大區(qū)域內(nèi)，其它的無線電源可能為裝置帶來易感性和兼容性問題。這可能需要制定規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)，以便對裝置進(jìn)行測試和設(shè)計，以防止出現(xiàn)額外的可靠性和質(zhì)量問題。電勢敏感性失敗有可能立即發(fā)生，也有可能以后發(fā)生。

在回顧一些人的非輻射能量的結(jié)論時，有的人會說它比在磁場中更容易控制，但是在這種場中的發(fā)射頻率上仍會出現(xiàn)一定的能量，通常在線圈之間最強(qiáng)。

隨著距離增加，定向為廣播供電帶來另外一個挑戰(zhàn)因素。在這點上，不能僅考慮具體的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的物理定向和對齊，還需要考慮在廣播場中的各種各樣的材料的實體的定向和對齊關(guān)系。這些情況將改變性能和操作，除非系統(tǒng)能相應(yīng)地調(diào)整和響應(yīng)。當(dāng)考慮到高度調(diào)諧系統(tǒng)的效率時，這點變得更為重要。適應(yīng)性智能解決方案，在面對這些問題時能為性

能帶為益處。但是，如果適應(yīng)性智能系統(tǒng)不是在一開始就嵌入系統(tǒng)，系統(tǒng)就有潛在的技術(shù)失敗的風(fēng)險，降低消費者的信心。

除了調(diào)諧和定向挑戰(zhàn)，中程無線供電解決方案還需要考慮線圈的幾何形狀。物理定律證明，很好匹配的線圈能提供最佳的電力傳輸。在飛利浦（Koninklijke Philips Electronics N.V.）的研究者的最新報告中，就能看到這些方法的可能實際應(yīng)用。本文下面效率部分中提到的所有效率，也考慮到了緊密匹配的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)線圈，隨后展示了大量發(fā)射機(jī)直徑對接收機(jī)直徑的不同比值。還需要指出的是，這些效率可能符合這些比值的一些部分，這有可能進(jìn)一步降低下面提供的這些系統(tǒng)的效率的參考價值，因為這些比值會從提到的效率發(fā)生變化。下面的例子是具有一個發(fā)射機(jī)和一臺接收機(jī)的系統(tǒng)，兩者都各使用一個25cm線圈，系統(tǒng)顯示的交流系統(tǒng)效率為15%。通過將接收機(jī)線圈從25cm改成25mm（手持裝置的典型尺寸），應(yīng)當(dāng)對效率有負(fù)面影響。預(yù)計線圈尺寸的任何改變，都會負(fù)面影響調(diào)諧，所以這個系統(tǒng)在系統(tǒng)變化時需要高度調(diào)諧�？紤]到這些變量，再考慮到已經(jīng)提到的互操作性，存在系統(tǒng)效率在系統(tǒng)水平上比以前降低的可能性。

對中程無線供電系統(tǒng)的另一個考慮是供電控制，它產(chǎn)生另外一個效率問題。當(dāng)給筆記本電腦、頭戴式耳機(jī)和手機(jī)供電時，傳輸?shù)碾娏Ρ仨毎慈唛g的最高要求設(shè)置。其它裝置要么設(shè)計成適應(yīng)這種輸入幅度，要么做出其它折衷。這就又有可能帶來損失，并需要對已經(jīng)努力達(dá)到高水平集成度的較小裝置再進(jìn)行額外設(shè)計和保護(hù)。

適應(yīng)性電感耦合

適應(yīng)性電感耦合放大了磁感應(yīng)的物理作用。但是，這種技術(shù)目前應(yīng)用于近場和中程配置，最高設(shè)計效率是在不到幾英寸的應(yīng)用中，需要緊密調(diào)諧供電和線圈，才能實現(xiàn)能與現(xiàn)有有線供電應(yīng)用可相比的性能，同時還能以現(xiàn)有的有線供電速度對裝置充電或供電的程度。近場適應(yīng)電感耦合已經(jīng)證明，調(diào)諧能顯著提高系統(tǒng)Q，相應(yīng)地，它能最大化系統(tǒng)性能。這是被認(rèn)為最大化磁場并因此實現(xiàn)前面討論的電力傳輸?shù)囊粋�關(guān)鍵因素。如果系統(tǒng)不是按每種情況調(diào)諧，無線供電的物理作用也不能被最大化，這是特斯拉和該技術(shù)的早期應(yīng)用的主要問題。在高度共振系統(tǒng)中實現(xiàn)影響因素的困難，可能是不很十分明顯。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在中程無線供電系統(tǒng)中高度調(diào)諧時，可以使用同樣的方法。

適應(yīng)性電感耦合的另外一個價值，就是能在任何距離上更有效地提供電力。在給定的運行環(huán)境下，將這種系統(tǒng)調(diào)諧到最高性能，將提高性能。沒有這個能力，應(yīng)用的深度和寬度就會受限，因為效率的代價不僅是由增加的零件成本計算的，還包括運行成本。社會壓力放大了這點，因為如果不考慮這點，僅僅裝置數(shù)量就有可能在全世界造成顯著影響。

許多消費者對無線供電的期望之一就是，用于筆記本電腦的無線供電發(fā)射機(jī)，也可以為手機(jī)、頭戴式耳機(jī)、MP3、玩具和許多其它裝置供電。這也演變成調(diào)諧和供電控制問題，以讓每種裝置都能獲得所需要的電力。當(dāng)在廣播供電中考慮這點時，需要按供電需求最大的裝置供電，而其他裝置的效率就降低了。密切接近也是這樣，唯一不同就是可以獨立管理每個裝置的最高效率，可以把這個考慮為一個供電控制和通訊頻道。

對廣播供電，定向是適應(yīng)性電感耦合的一個問題。所以對廣播供電，使用多軸線圈或矩陣來最大化所有方向的耦合，可以最小化間隙。在場中的位置和高Q也能將一些這些因素造成的影響最小化。但是，在適應(yīng)性電感耦合中，一些挑戰(zhàn)更容易出現(xiàn)。為了說明廣播解決方案挑戰(zhàn)的復(fù)雜性，考慮現(xiàn)在的手機(jī)接收信號和其它射頻通信。當(dāng)把線圈或矩陣放入裝置中，問題變得更為復(fù)雜。

用于滿足其它法律要求的裝置本身的屏蔽，開始顯著地限制無線供電的性能。放在其它材料和裝置中或靠近其它材料和裝置，也會限制性能，改變與電源的耦合。使用近場配置能提供許多解決方案，同時還能在制造商和消費者熟悉的已知配置中，確保提供電力發(fā)射和接受的平面。這就是說，當(dāng)隨著距離擴(kuò)大時，這些復(fù)雜因素提高了保證供電的難度，給設(shè)備制造商增加了另外一層設(shè)計考慮的負(fù)擔(dān)。未來很有可能出現(xiàn)其它的解決方案，但是最好的解決方案是控制這些變量中的部分變量，并簡化實施。同時，其它的考慮剛開始實現(xiàn)，可能會帶來另外的限制。

無線供電的隱藏問題

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詳細(xì)閱讀，請訪問（中文版）http://www.ecoupled.com/ch/pdf/ECOUPLED_understanding_WP_V3_SCH_HiRes.pdf，或者http://www.ecoupled.com/pdf/eCoupled_Understanding_Wireless_Power.pdf（英文版）。