任何一種須使用電力的應用都可能采用無線充電方案,然而要如何選擇采用mi或mr無線充電技術,則須要先檢視二者的基本原理。
mi和mr在技術架構上有很多相似之處,例如兩者皆使用磁場做為電力傳輸?shù)臉蛄?,同時電流都會在共振電路感應,產(chǎn)生傳輸電源的磁場。磁力參數(shù)對電磁場如何形成有深遠的影響;磁通量可藉由直接使用電磁防護和/或變更磁芯的實際形狀加以控制。磁通量的密度和容量則可藉由改善電磁場防護的穿透性加以提升(圖1)。
圖1 無線充電磁場
成本和厚度是選擇適當電磁防護的關鍵因素。電流場接收和傳輸線圈的排列,和兩者間的距離,將決定電力傳輸?shù)男剩粋鬏敽徒邮站€圈的距離越大,電力傳輸?shù)男试降?。其他對能量傳輸效率有重大影響的因素,還包括共振頻率、傳輸及接收線圈尺寸比例、耦合系數(shù)、線圈阻抗、集膚效應、交流(ac)及直流(dc)組件和線圈的寄生。
當x、y和z分離且傳輸及接收線圈的比例角增加時,將對能量的損失和效率產(chǎn)生很大影響。在wpc規(guī)格中,對接收器(rx)線圈在傳輸器(tx)上的位置有特定需求,以維持其效率,并達到兩線圈間最高耦合系數(shù)。但在mr技術方面,擺放位置具有自由度,并可在磁場中放置單一或多個裝置,可讓用戶更為便利;然而,當耦合裝置間的間隔距離增加時,對傳輸效率亦將會產(chǎn)生影響。
依照不同需求,包含成本和尺寸的考慮,所有的無線充電技術皆能使用單一或多個線圈解決方案。依據(jù)wpc和pma規(guī)格的mi技術,傳輸電力的頻率范圍很廣。電力傳輸?shù)墓舱耦l率會依負載阻抗選擇,因為此變量與mr解決方案相比,q系數(shù)相對較低,僅能在指定的頻率和負載阻抗,達到最佳效率。
對mr技術而言,因為電力只能由特定共振頻率傳輸,因此q系數(shù)較大,且需要接收器和傳輸器間極相近的共振阻抗網(wǎng)絡匹配。在mr和mi技術中,匹配網(wǎng)絡參數(shù)的變量須要嚴格控制,因為會直接影響電力傳輸。
在wpc 1.1標準中,可于100k-205khz的范圍中選擇共振頻率。在pma的情況類似,其頻率范圍為277k-357khz.然而,近期頻率范圍已有變更,現(xiàn)在取決于輸入供電電壓。這些解決方案中,典型的q系數(shù)范圍為30-50(圖2)。
圖2 q系數(shù)百分比
在a4wp規(guī)格的解決方案中,因為頻率固定,傳輸器和接收器間的共振頻率和阻抗網(wǎng)絡需要更為精準匹配。典型的mr解決方案與mi解決方案相較,需要較高的q系數(shù)(50-100)。
電源管理影響無線充電效能
高效能電源管理架構的發(fā)展,對mr和mi解決方案成功的建置有重大影響。對傳輸器而言,為了在共振電路感應電流,須進行dc到ac的轉(zhuǎn)換,在mi技術中,會在此轉(zhuǎn)換使用半橋或全橋變頻器;而在mr技術中,是透過功率放大器(pa)感應電流。
功率放大器的架構和分類會因各應用的頻率、靜態(tài)電流、效率、尺寸、成本和整合需求而有不同,轉(zhuǎn)換時須謹慎考慮如何降低閘極驅(qū)動器損失、切換、導電、偏壓、內(nèi)接二極管損失,以及外部組件等效串聯(lián)電阻(esr)和等效串聯(lián)電感的寄生(esl)。這些是開發(fā)高效能整合解決方案所遭遇的部分重大挑戰(zhàn)。
根據(jù)輸入電壓需求和設計架構流程,制程選擇對整合型解決方案優(yōu)化有重大的影響。系統(tǒng)中有多個控制循環(huán),而完整控制循環(huán)的穩(wěn)定性對高效能解決方案的整體效果有非常大的影響。在mi和mr技術中,可藉由有效的電源管理達到相近的效能和效率。