无线充电设计的五大要素

在设计无线充电系统时，影响设计的关键考虑因素通常是用户体验、效率、功率大小、标准 、元件选择/可用性和成本。一个设计良好的系统可以提供诸多好处，从改进的功能（比如智能手机不再需要插电）到支持新的技术（比如放在放射性环境中的传感集中器，在这种情况下无法通过有线充电，而且人机交互也是不安全的）等等。使用磁场耦合技术的无线充电系统从19世纪00年代晚期就已经出现了，但直到最近元件、芯片和系统架构的最新进展才使得工程师能在他们的设备中真正实现实用的无线充电系统来改善用户体验。下面让我们讨论一下有关无线充电设计的前五个要素。

1:用户体验

用户如何与设备交互是每个优秀的工程师在项目启动时要问的最基本问题之一。客户需要快速充电吗？需要对准方面的灵活性吗？是不是要求发热量低？需要长距离充电吗？需要大功率吗？每个发射器需要多个接收器？需要很小的外形尺寸吗？

所有这些选项都是可以满足的，但通常需要进行折衷考虑。例如，大功率和低发热量并不总是能够同时满足。距离和效率基本上是背道而驰的。因此在为某种设备设计无线充电系统时理解用户需要什么以及如何对这些需求排定优先级是很重要的第一步。

2:效率

在用于衡量无线充电系统性能的指标中，效率永远是第一位的。天生高效的系统可以提供更远的距离、更好的方向灵活性、更低的发热量、更小的尺寸以及更小的电源漏电流。下面是无线充电系统中对效率有决定性影响的三个主要模块：

图1:无线充电系统的三大模块

如果所有三个模块都工作在最低的估算效率（即图中所示的80%，70%和80%），那么总的系统效率约等于45%。对于一个5W的设备来说，需要用11W的发射功率才能提供全速充电，大约6W消散于设备本身（作为热量散发掉）和周围环境中，包括空气、装置和人体组织。在低功率情况下，这也许是安全和可接受的。但在较高功率时，比如电动汽车的充电，此时典型的充电功率至少要5kW，那么有6kW要损失在发射器、汽车和周围环境中，因此会引起严重的发热和安全问题。

当无线充电系统的所有三个模块都工作在最高估算效率（即95%，90%和95%）时，总的系统效率大约为82%。在这种情况下，一个5W的设备只需发射器提供约6W的充电功率，只有1W因无效而损失掉。为了提高系统效率，设计师应专注于高效率元件，提高发射器与接收器之间的耦合程度。

3:功率电平

使用磁场耦合的无线充电系统可以给从毫瓦到千瓦级的设备充电。对于毫瓦级设备来说，能量收集或射频无线功率也许是更具吸引力的充电方案。设备的功率要求将决定你的元件选择、可以在设计上跟你合作的公司以及设备尺寸。

4:标准与法规

在电子设备的无线充电方面目前已有多种标准，包括无线电力联盟（A4WP）、电力事件联盟（PMA）和无线充电联盟（WPC）。这些标准组织存在的目的就是提供发射器和接收器之间的互操作性平台，同时为满足法规要求的产品和元件创新提供指导。

如果你的设备要求互操作性（用户需要在机场或当地咖啡店充电吗？），那么你的设计就应该围绕某个标准展开。一般来说，A4WP针对“松散耦合”系统提供了技术上最先进的解决方案，WPC则拥有商用化程度最高的开发工具和组件，但它是“紧密耦合”系统（至少现在是这样）。PMA正在与A4WP合并，为它的共享标准提供“紧密耦合”技术。

如果你的设备不要求互操作性，用户的设备总是使用同一种发射器，那么你就能灵活地开发私有、封闭的解决方案。当然，这种情况下利用标准组织推荐的现成组件和技术仍然具有重要意义，至少在开发方便性和资源可用性方面给你提供了一个很好的起点，不过你不必非要满足全部的标准规范。如果你的设备满足自己的要求，并且在法规范围之内，你的设计就是成功的。

5:元件选择

由于效率为王，而元件又决定了效率，那么在选择元件时了解你自己的想法就非常重要了。在无线充电领域中，开发高效率、前沿技术的元件公司有许多。举例来说，宜普（EPC）公司开发的增强型氮化镓（eGaN）晶体管具有高效率的开关性能，可以用来实现高性能的功率放大器。在天线方面，NuCurrent公司开发的天线结构可以实现高效率、高度灵活的小型天线。与此同时，像IDT、博通、TI和其他一些IC公司正在开发可以支持多种标准、各种功率电平和小型尺寸的IC.因此可选的余地很大，如果你是无线充电设计的新手，最好的方法是与元件供应商或设计咨询公司一起合作，因为他们理解无线充电的前景，可以帮助你快速跟踪设计需求，并把你介绍给战略开发合作伙伴。