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即將大放異彩的無(wú)線電源傳輸技術(shù)

作者: 時(shí)間:2017-03-13 來(lái)源:eettaiwan 收藏
編者按:無(wú)線電源傳輸技術(shù)勢(shì)必在不久的未來(lái)顛覆我們的電力電子世界;從便攜設(shè)備、中/小型電器到電動(dòng)車,總有一天,它們通通可以擺脫電線與插座的羈絆。

  由美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)獨(dú)立出來(lái)的WiTricity現(xiàn)任總裁EricGiler,曾在2009年曾于TED發(fā)表題為「無(wú)線電力技術(shù)示范」的精彩演說(shuō),展示了如何利用傳輸技術(shù)啟動(dòng)一部小型電視機(jī)──而那是2009年,該技術(shù)從那之后持續(xù)演進(jìn),以下讓我們來(lái)看看這個(gè)令人驚嘆的技術(shù)領(lǐng)域,能為設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)什么樣的新機(jī)會(huì)。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201703/345122.htm

  最近,我與宜普電源轉(zhuǎn)換公司(EPC)應(yīng)用工程副總裁Michael de Rooij討論關(guān)于在2017年的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì);我選擇與de Rooij討論這個(gè)議題,除了因?yàn)镋PC是氮化鎵(GaN)功率組件的領(lǐng)導(dǎo)供貨商,該公司也能為設(shè)計(jì)工程師們提供包括開(kāi)發(fā)板、參考設(shè)計(jì)以及教育性的支持,包括de Rooij撰寫(xiě)的《手冊(cè)(Handbook for Wireless Power)》。

  EPC在1月初舉行的年度國(guó)際消費(fèi)性電子展(CES 2017)上,展示了一部43吋平面HDTV,那臺(tái)電視能隔著一道石膏板墻,藉由無(wú)線電源取得電力;在2017年,你將會(huì)看到EPC為業(yè)界帶來(lái)更先進(jìn)的無(wú)線電源相關(guān)解決方案,超越2009年Giler所展示的技術(shù)。

  支持更長(zhǎng)傳輸距離的無(wú)線電源

  我詢問(wèn)de Rooij有關(guān)目前無(wú)線充電方案支持更長(zhǎng)傳輸距離、更高效率時(shí)會(huì)遭遇的限制,以及其可能性;我們?nèi)绾巫屵@種電力傳輸技術(shù)的效率達(dá)到所有消費(fèi)者都能接受的水平? 氮化鎵功率組件(如EPC的eGaN技術(shù))如何能繼續(xù)協(xié)助推動(dòng)無(wú)線電源技術(shù)的進(jìn)展?

  de Rooij首先提到在線圈(coil)設(shè)計(jì)方面的限制;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則,目前若線圈是7吋以上的直徑,性能就會(huì)下降;此外每一組線圈的質(zhì)量因子(Q)和線圈之間的耦合系數(shù)(k)都會(huì)影響長(zhǎng)距離的無(wú)線充電效率,發(fā)射與接收線圈的尺寸和幾何形狀各自都會(huì)大幅影響Q和k的數(shù)值。 圖1是無(wú)線電源傳輸?shù)幕驹怼?/p>

  圖1 無(wú)線電源傳輸?shù)幕驹怼?/p>

  de Rooij提到,無(wú)線電源傳輸?shù)碾姶艌?chǎng)(E-field)方法雖然有技術(shù)上的問(wèn)題,但是可以長(zhǎng)距離傳輸電力──這方面可能還有部份一般會(huì)顧慮到的問(wèn)題,包括產(chǎn)生臭氧(ozone)還有與生物性等其他物質(zhì)產(chǎn)生交互作用);這種充電方法可能更適用能懸浮在充電板上的裝置,如無(wú)人機(jī)。

  電場(chǎng)耦合技術(shù)最直接的展現(xiàn),是在源極(source)和負(fù)載(load)之間采用平行板電容器(parallel plate capacitor),輸入阻抗需與之匹配,才能實(shí)現(xiàn)高效率電源傳輸;也就是說(shuō),有一片板子是放在待充電的無(wú)人機(jī)底部,另一片就是在充電板上(如圖2)。

  圖2 (a)無(wú)線電源傳輸電場(chǎng)耦合架構(gòu);(b)電路模型。

  以磁共振耦合(magnetic resonant coupling)技術(shù)對(duì)空中懸浮的無(wú)人機(jī)進(jìn)行充電也是不錯(cuò)的替代方案,如圖 3所示,該充電板的線圈采用方形設(shè)計(jì),無(wú)人機(jī)上的接收線圈調(diào)整為適合支持著陸(landing),使發(fā)射和接收線圈之間的距離縮至最短,約只有幾公厘(mm),因此使線圈之間的耦合因子得以最大化。


  圖3 以磁共振耦合線圈為懸浮的無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線充電。

無(wú)線電源傳輸線圈技術(shù)的現(xiàn)在與未來(lái)發(fā)展

  de Rooij表示,無(wú)線充電解決方案供貨商N(yùn)uCurrent目前正在開(kāi)發(fā)效率更高的無(wú)線充電線圈;Nucurrent號(hào)稱該公司目前的無(wú)線電源「天線」效率高于市面上任何印刷天線/線圈/共振器,其采用Qi/PMA頻率(~200KHz)的設(shè)計(jì)通常可達(dá)到高20%以上的效率,采用A4WP頻率(6.78MHz)或NFC頻率(13.56MHz) 的設(shè)計(jì)則可達(dá)到高60%的效率。

  若將無(wú)線電源傳輸線圈嵌入地磚中,有助于電場(chǎng)的分布,并可能因此略為拉長(zhǎng)電源傳輸距離;但更重要的是,這樣就可以大幅擴(kuò)增收集電力的范圍──相較于單一線圈的設(shè)計(jì),在相同的覆蓋范圍下,這是一個(gè)效率更高的解決方案。

  而EPC在CES 2017展示的那臺(tái)無(wú)線供電HDTV,是我到目前為止見(jiàn)過(guò)最厲害的無(wú)線電源傳輸應(yīng)用;此外咖啡連鎖店Starbucks現(xiàn)在也有某些門市在店內(nèi)座位提供無(wú)線充電裝置,讓顧客能為智能型手機(jī)充電,如果你的手機(jī)沒(méi)有內(nèi)建無(wú)線充電功能,他們還可以賣轉(zhuǎn)接器給你(如圖4)?!?/p>

  圖4 Powermat的無(wú)線充電解決方案已經(jīng)獲得Starbucks等業(yè)者采用。

  EPC是如何為HDTV提供無(wú)線電源的? 該公司是選用一臺(tái)43吋VizioD43-D1高畫(huà)質(zhì)電視,其最高功率經(jīng)測(cè)試為85W;先前有一些測(cè)試是采用功率較低的20吋電視。

  電視機(jī)是采用基于單位功率因子的交流電(AC),因此電源所提供的所有能量,都是透過(guò)負(fù)載消耗;而因?yàn)殡娨暀C(jī)電子組件需要直流電(DC)電源,不需要所有AC整流器、大型電解電容器及橋式二極管,啟動(dòng)電視機(jī)所需電力低于5W;當(dāng)電視機(jī)所需電力較低,無(wú)線電源傳輸發(fā)射器即可進(jìn)一步節(jié)流。


  圖5 能穿透一片標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格石膏板隔間墻為HDTV無(wú)線供電的無(wú)線電源傳輸設(shè)計(jì)架構(gòu)。

  EPC的CES展示之設(shè)計(jì)電路圖如圖6,設(shè)計(jì)師采用差分ZVSD類放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈(注意:差分架構(gòu),尤其是頻率范圍在300MHz以上,可以在單端設(shè)計(jì)改善EMI;在差分設(shè)計(jì)中,相同的接地負(fù)載功率,有一半的電壓在放大器的輸出轉(zhuǎn)換);不過(guò)本案例只在高度共振的6.78MHz ISM頻段傳輸功率,而且與傳統(tǒng)MOSFET功率組件相較, EPC采用的eGaN FET展現(xiàn)了更卓越性能。

  圖6 EPC在CES 2017展示之HDTV無(wú)線供電方案電路圖。

  消費(fèi)者當(dāng)然會(huì)希望他們的電視機(jī)未來(lái)可以完全「無(wú)線」,如此一來(lái)他們就能更容易地把電視機(jī)掛在墻上,或隨心所欲擺放在任何位置;而除了電視機(jī),無(wú)線電源傳輸應(yīng)用也能延伸至其他實(shí)際上只需要DC功率的白色家電和AC設(shè)備。

  無(wú)線電源傳輸可望實(shí)現(xiàn)更便利的日常生活

  采用無(wú)線電源傳輸技術(shù)的無(wú)人機(jī),對(duì)Amazon、UPS及Federal Express等物流業(yè)者來(lái)說(shuō)會(huì)非常有用,他們都在考慮利用無(wú)人機(jī)送貨。

  在醫(yī)療應(yīng)用方面,目前采用穿透皮膚之電源線的植入式裝置,可利用無(wú)線電源傳輸技術(shù)降低患者受感染的機(jī)會(huì),神經(jīng)刺激器、心臟輔助幫浦等是首選應(yīng)用;心律調(diào)整器以及脊髓、神經(jīng)刺激器都有望在某一天,能于患者睡覺(jué)時(shí)透過(guò)4~5英呎距離的電源進(jìn)行充電。

  從患者端接收訊號(hào)的線圈數(shù)量可以增加,以利用無(wú)線電源傳輸技術(shù)取得更高質(zhì)量的MRI成像,同時(shí)降低成本、免除電源線的使用并降低使用無(wú)線電源傳輸技術(shù)的復(fù)雜性。

  酒吧、咖啡廳及機(jī)場(chǎng)則可將無(wú)線電源傳輸設(shè)備應(yīng)用于下一代的各種家具、桌子設(shè)計(jì)中;如此一來(lái),所有的墻壁、地板與裝潢可以減少電源插座數(shù)量,甚至可以完全不要插座。

  汽車內(nèi)部搭載的電纜不但昂貴、笨重也可能不可靠,而無(wú)線電源傳輸技術(shù)可以為車用照明、音響、電話等設(shè)備供電,也能支持電動(dòng)車充電、啟動(dòng)雷達(dá)及光達(dá)等裝置,讓汽車內(nèi)更多電子裝置擺脫銅線的羈絆;無(wú)線充電也能應(yīng)用于汽車座椅、車門及行李箱等區(qū)域,以模塊化方案取代客制化設(shè)計(jì)架構(gòu),簡(jiǎn)化汽車制造流程。

  此外,無(wú)線電源傳輸還能預(yù)防由危險(xiǎn)的電源火花導(dǎo)致之爆炸、火災(zāi),特別是在加油站、水下,或是滿氧氣的空間,海濱住宅/設(shè)施,以及糧倉(cāng)等充滿粉塵的環(huán)境。

  有一天,高壓電纜線可能會(huì)完全消失,被日常生活無(wú)所不在的高壓無(wú)線電源傳輸技術(shù)替代;de Rooij也透露,在今年將可看到更多關(guān)于無(wú)線電源傳輸技術(shù)的創(chuàng)新成果,電子及電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)終將憑借這種令人驚嘆的新興技術(shù)而被永遠(yuǎn)改變。



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