小功率無線電源技術淺析（一）

0 引言

隨著科學技術的發展，各種便攜式電子產品越來越多，現代的無線技術使它們變得越來越輕便，越來越容易聯網，似乎把數字時代迅速地發展到了無線時代，然而電源線妨礙了我們進入這個無線時代。

在現實生活中，每個電子產品都有一個與之匹配的充電器，每年全球設計、生產、使用、制造、運輸乃至回收數以十億計算的電源適配器引發了一系列的問題，既增加產品的成本，又浪費資源、不利于環保，給使用者帶來了相當大的困惑。具有統一標準的無線電源技術能夠方便地解決這一系列的問題。

1 無線電源技術現狀

無線電源技術是一種利用無線電技術傳輸電力能量的新技術，電能可以無接觸地傳輸給負載。早在20 世紀70 年代美國就有相當多的人在研究這個問題了，但國內研究的人極少。2008 年12 月17 日，由Convenient Power Limited、Fulton Innovation LLC、Logitech SA、國家半導體、奧林巴斯、飛利浦、三洋、桑菲電子和德州儀器等公司成立了全球首個推動無線充電技術標準化的無線電源聯盟(Wireless PowerConsortium,簡稱WPC)，之后三星和諾基亞也加入到這個聯盟。2009 年1 月，全球無線電源聯盟首次會議在香港科學園召開，并啟動了提高電子產品充電便利性的最新全球計劃。2010 年7 月23 日，該聯盟制定了Qi 標準，確定了低功率(不超過5W)技術規范，定義了界面規范、測試程序以及最低性能，2010 年8 月14 日認證了第一批產品。2010 年8 月31 日，WPC 將Qi 標準正式引入中國，并開始了在國內的推廣，之后WPC 陸續在香港和歐美多個城市，舉辦了標準發布活動。目前Qi 標準已被WPC的126 家行業領先成員公司支持并采用，其中有30%是中國公司，包括海爾、華為和桑菲通信等。

2 無線電源技術原理

無線電源技術是一種利用無線電傳輸電力能量的技術，它要求傳輸效率盡可能高，傳輸功率盡可能大，這樣才能滿足對電力的需求。其研究應用領域涉及廣泛，傳輸功率相差較大，小到用于生物移植的幾十毫瓦、小型設備幾十瓦功率，大到電動汽車或運動機器人的上千瓦功率以及磁懸浮列車應用的上兆瓦功率。目前存在三種解決技術：電磁感應技術、無線電波技術和電磁共振技術。

2.1 電磁感應技術

此技術類似電力系統中常用的變壓器技術。在變壓器的原邊通入交變電流，副邊由于電磁感應原理會產生感應電動勢，若副邊電路連通，即可出現感應電流，其方向遵從楞次定律，大小可由麥克斯韋電磁理論解出。相對于無線電源而言，變壓器的原邊相當于電源發射線圈，副邊相當于電源接收線圈，這樣就可以實現電能從發射線圈到接收線圈的無線傳輸。這種非接觸式無線電力傳輸方式制造成本較低、結構簡單、技術可靠、傳輸功率可從幾瓦到幾百瓦。

但是傳送距離小于1cm,被充電產品必須置于充電器附近，充電器必須具備對被充電產品進行辨識的能力，否則會向附近任意金屬傳輸能量，導致其發熱并產生危險。

2.2 電磁共振技術

這種技術基于電磁共振耦合原理，需要的發射和接收兩個共振系統可分別由感應線圈制成。通過調整發射頻率使發射端以某一高頻率振動，其產生的不是彌漫于各處的普通電磁波，在兩個線圈間形成一種能量通道。接收端的固有頻率與發射端頻率相同，因而發生了共振。隨著每一次共振，接收端感應器中會有更多的電壓產生。經過多次共振，感應器表面就會集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射磁場中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉換，實現了電能的無線傳輸。這種非接觸式無線電力傳輸方式傳輸功率可達幾千瓦、傳送距離可達3~4 米，但是必須對所需頻率進行保護，在幾米范圍內進行傳輸需要幾MHz 到幾百MHz 的頻率。

2.3 無線電波技術

這種技術是利用微波或激光形式來實現電能的遠程傳輸，系統由電磁波發生器、發射天線、接收天線、高頻電磁波整流器、變電設備和有線電網組成。

電磁波發生器是微波源或激光器，把電源傳送的電能轉變為大功率、高頻的電磁波，饋送給發射天線;發射天線將電磁波發送出去;接收天線收集電磁波的能量并輸入高頻電磁波整流器，產生的高壓直流電經逆變后送入有線電網。這種非接觸式無線電力傳輸方式傳送距離可達10m,但是傳輸功率小(最高100mW)、功效低，發射器無線電波發送的大量功率以無線電波的方式被浪費掉。