在設計無線充電系統時，影響設計的關鍵考慮因素通常是用戶體驗、效率、功率大小、標準 、元件選擇/可用性和成本。一個設計良好的系統可以提供諸多好處，從改進的功能（比如智能手機不再需要插電）到支持新的技術（比如放在放射性環(huán)境中的傳感集中器，在這種情況下無法通過有線充電，而且人機交互也是不安全的）等等。使用磁場耦合技術的無線充電系統從19世紀00年代晚期就已經出現了，但直到最近元件、芯片和系統架構的最新進展才使得工程師能在他們的設備中真正實現實用的無線充電系統來改善用戶體驗。下面讓我們討論一下有關無線充電設計的前五個要素。

 

 

用戶如何與設備交互是每個優(yōu)秀的工程師在項目啟動時要問的最基本問題之一?？蛻粜枰焖俪潆妴幔啃枰獙史矫娴撵`活性嗎？是不是要求發(fā)熱量低？需要長距離充電嗎？需要大功率嗎？每個發(fā)射器需要多個接收器？需要很小的外形尺寸嗎？

 

所有這些選項都是可以滿足的，但通常需要進行折衷考慮。例如，大功率和低發(fā)熱量并不總是能夠同時滿足。距離和效率基本上是背道而馳的。因此在為某種設備設計無線充電系統時理解用戶需要什么以及如何對這些需求排定優(yōu)先級是很重要的第一步。

 

 

在用于衡量無線充電系統性能的指標中，效率永遠是第一位的。天生高效的系統可以提供更遠的距離、更好的方向靈活性、更低的發(fā)熱量、更小的尺寸以及更小的電源漏電流。下面是無線充電系統中對效率有決定性影響的三個主要模塊：

圖1：無線充電系統的三大模塊

 

如果所有三個模塊都工作在最低的估算效率（即圖中所示的80%，70%和80%），那么總的系統效率約等于45%。對于一個5W的設備來說，需要用11W的發(fā)射功率才能提供全速充電，大約6W消散于設備本身（作為熱量散發(fā)掉）和周圍環(huán)境中，包括空氣、裝置和人體組織。在低功率情況下，這也許是安全和可接受的。但在較高功率時，比如電動汽車的充電，此時典型的充電功率至少要5kW，那么有6kW要損失在發(fā)射器、汽車和周圍環(huán)境中，因此會引起嚴重的發(fā)熱和安全問題。

 

當無線充電系統的所有三個模塊都工作在最高估算效率（即95%，90%和95%）時，總的系統效率大約為82%。在這種情況下，一個5W的設備只需發(fā)射器提供約6W的充電功率，只有1W因無效而損失掉。為了提高系統效率，設計師應專注于高效率元件，提高發(fā)射器與接收器之間的耦合程度。

 

使用磁場耦合的無線充電系統可以給從毫瓦到千瓦級的設備充電。對于毫瓦級設備來說，能量收集或射頻無線功率也許是更具吸引力的充電方案。設備的功率要求將決定你的元件選擇、可以在設計上跟你合作的公司以及設備尺寸。

 

 

在電子設備的無線充電方面目前已有多種標準，包括無線電力聯盟（A4WP）、電力事件聯盟（PMA）和無線充電聯盟（WPC）。這些標準組織存在的目的就是提供發(fā)射器和接收器之間的互操作性平臺，同時為滿足法規(guī)要求的產品和元件創(chuàng)新提供指導。

 

如果你的設備要求互操作性（用戶需要在機場或當地咖啡店充電嗎？），那么你的設計就應該圍繞某個標準展開。一般來說，A4WP針對“松散耦合”系統提供了技術上最先進的解決方案，WPC則擁有商用化程度最高的開發(fā)工具和組件，但它是“緊密耦合”系統（至少現在是這樣）。PMA正在與A4WP合并，為它的共享標準提供“緊密耦合”技術。

 

如果你的設備不要求互操作性，用戶的設備總是使用同一種發(fā)射器，那么你就能靈活地開發(fā)私有、封閉的解決方案。當然，這種情況下利用標準組織推薦的現成組件和技術仍然具有重要意義，至少在開發(fā)方便性和資源可用性方面給你提供了一個很好的起點，不過你不必非要滿足全部的標準規(guī)范。如果你的設備滿足自己的要求，并且在法規(guī)范圍之內，你的設計就是成功的。

 

 

由于效率為王，而元件又決定了效率，那么在選擇元件時了解你自己的想法就非常重要了。在無線充電領域中，開發(fā)高效率、前沿技術的元件公司有許多。舉例來說，宜普（EPC）公司開發(fā)的增強型氮化鎵（eGaN）晶體管具有高效率的開關性能，可以用來實現高性能的功率放大器。在天線方面，NuCurrent公司開發(fā)的天線結構可以實現高效率、高度靈活的小型天線。與此同時，像IDT、博通、TI和其他一些IC公司正在開發(fā)可以支持多種標準、各種功率電平和小型尺寸的IC.因此可選的余地很大，如果你是無線充電設計的新手，最好的方法是與元件供應商或設計咨詢公司一起合作，因為他們理解無線充電的前景，可以幫助你快速跟蹤設計需求，并把你介紹給戰(zhàn)略開發(fā)合作伙伴。