1. 介绍
尽管无线能量传输的技能原理现已有超越120年的前史， 为什么到现在才闪现重要性？ 在曩昔的两年中，智能手机与平板电脑的运用者行为现已明显改动。人们不断地发送邮件，短消息，发布信息至交际网络以及进行在线游戏。很少能有普通用户运用一块电池板坚持一天，这是因为巨大的显现屏，快速处理器以及高清图画耗费很多的电量。公共无线充电基站则是这一问题的有用解决方案。 例如，用户只要将智能手机放置于配备无线充电器的餐厅桌面上，就可轻松充电。为了抵达到功的用户体会，充电器有必要便利有用、快速高效，可是更重要的是其功能有必要可与传统的有线充电器比美。
一旦由消费产品的规划和需求所推进的技能老练建立， 在其他范畴将会闪现许多新的不同运用。 例如，在医疗范畴，充电器接头，如插头或许插座很简单遭到液体消毒剂的腐蚀。可是运用全体无线充电技能，医疗器械能够彻底被密封以防止污染和腐蚀。 此外，在尘埃、粉尘或许易燃资料的工业环境中，无线电源能够消除与充电触摸相关的许多危险和质量操控问题。
2. 三大干流规范
这些解决方案的成功无疑是取决于不管是发射器仍是接纳器都遵从规范兼容协议。因而，不管制作商是哪一家，一旦确认配备能够在一切兼容站得到充电，那么这项技能就会变得盛行。所以，了解市场上规范协议以及支撑技能至关重要。
2.1. 无线充电联盟 （WPC）发布严密耦合的Qi规范
• 经过理性耦合器进行短间隔能量传输—一般是在毫米规模间隔内
• 发射器（Tx） 和接纳器 （Rx） 是经过磁场耦合的线圈。
• 磁场集合在发射器和接纳器线圈之间的小区域规模之内
• 单一发射器每次只能向一个接纳器供给能量
• 接纳到的不同功率水平可达5至15W，方案发展到2.5KW高功率
• 频率规模在100 到 205 千赫之间
• 线圈的形状规范由铁氧体绕线或许电路板上印刷线圈组成
• Qi是现在市场上最老练的解决方案，在超越230种设备上得以同意运用
• 获批设备的出售数量在全球规模内已达一千六百万台
2.2. 无线电力联盟（A4WP）推出的松懈耦合（LC）无线电力传输规范（磁共振） • 发射线圈在与承受线圈相同的振荡频率下传输能量。接纳器被调整到共振频率以高效接纳能量。这种现象称之为磁共振。
• 可远间隔作业 – 一般50毫米规模
• 接纳器无需精确对位 – 笔直或许水平放置不重要。
• 单一发射器能够对多个接纳器一起充电。
• 可为智能手机和平板电脑供给电力，现在电力为最大22W
• 充电频率规模为6.78 兆赫（ISM 频率规模）， 2.4 吉赫通讯 （低功耗蓝牙）
• 数据传输频率规模为2.4 吉赫 （低功耗蓝牙）
• 规范还未经过，市场上还无商业化产品。
• 与WPC或许PMA不兼容
2.3. 电力工作联盟 （PMA）
• 与WPC类似的解决方案 – 短间隔感应耦合
• 某些充电器或许充电适配器可与PMA和WPC设备相兼容 – 如智能手机，可是这并不意味着规范运用彻底相同的技能。
• PMA 解决方案运用不同的协议，而且传输频率规模超越WPC。
• 协议特点与频率规模仅对PMA 成员有用
• 与WPC或许A4WP不直接兼容
比如IDT和TI等一些半导体制作商都测验供给可与WPC（Qi）和PMA规范兼容的芯片解决方案。 这些芯片能够辨认线圈品种以及发射器或许接纳器旁的收发器，而且传输能量能够在Qi或许PMA频率之间进行调整。
现在，这些规范由消费市场主导，而且局限于20W的解决方案。只要WPC提出过最大抵达2.4kW，适用于例如无线厨房设备的运用。一旦200W，800W以及2.4kW主张规范得以明晰，这些解决方案就不只是局限于厨房设备，还可用工业、医疗和消费市场的广泛运用。
除此之外，还有很多具有特定额定功率的定制化解决方案。首要的运用范畴在于工业设备以及大型蓄电池充电。这些大多是小批量或中等生产量的感应解决方案，他们之间不行兼容，而且还需求他们自己共同的同意和认证。该文件没有讨论于专门用于汽车工业的电动汽车充电解决方案。
3. Qi 体系
WPC Qi规范是怎样的体系？小功率解决方案由发射器向接纳线圈供给5W的电力。发射器与接纳器之间经过特别的电力办理协议（图１）进行通讯。在线圈间传递的电力频率规模为100至205千赫。接纳器向发射器要求需求的能量，而发射器依据需求进行调整。电力办理体系监控和改动能量传输。假如接纳器不再需求能量，体系会进入待机形式。半导体制作商供给规划者评价东西以及参阅规划。比如说，这张图德州仪器供给的bq500211AEVM-210发射器电路板上有Würth Elektronik （760 308 111）的发射器线圈。
图1： WPC Qi 规范的原理
来历： 2012无线电力联盟
发射器与接纳器线圈的特点关于达到低功率传输损耗至关重要。发射器与接纳器线圈正确的挑选与对齐是影响能量传输功率的首要要素。
图 2： 德州仪器（TI）供给的发射器电路板 bq500211AEVM-210
来历： Würth Elektronik 相片
图3： 依据WPC Qi 规范挑选的发射器和接纳器线圈
来历： Würth Elektronik
4. 线圈的首要要素
决议低能量传输损耗最佳解决方案的系列要害要素。
4.1. 线圈的放置
发射器与接纳器线圈需求精确地对准以最小化损耗。旁边面，歪斜和竖直错位尤为不利于能量传输。 （图。 4）.
图4： 发射器与接纳器线圈错位的类型
来历： 无线资源操控（RRC）电力解决方案的陈说
杰出的耦合与最大能量传输取决于在发射器线圈磁场中接纳器线圈有用规模的巨细。别的，它还取决于z间隔。假如接纳器线圈与发射器线圈中心对位，而且没有歪斜、Z间隔尽可能的小，那么传输损耗就有可能是最小的。 图一的耦合要素是最理想化的。这就意味着接纳和发射线圈的传输的有用区域是持平的。
4.2. 耦合系数
为了弥补错位损耗，规划具有高质量要素和耦合系数的线圈非常重要。 在传输和接纳线圈间的耦合系数由以下参数组成：
L1 和L2是线圈的自感系数。M为线圈间的互感系数。 线圈的质量要素取决于电阻丢失RL和电抗XL
铁氧体板上的空心线圈具有100到300间的典型质量要素。线圈电阻和导线欧姆电阻受多种要素影响。
4.3. 趋肤效应
导体内部电流散布从中心到外表活动的现象称为趋肤效应。这种现象发生于带有沟通电的导体中。趋肤效应取决于沟通电的频率。当沟通电的频率上升，则集合在导体外表的电流密度添加。因而，高频沟通电搬运或许“迫使”电流接近外表处。在这种情况下，导体中心的电流密度比外表低。趋肤深度δ可经过下列公式描绘：
ρ 电阻系数
ω 角频率
µ 磁导率 （e.g.： 100）
趋肤深度测量办法是由导体外表抵达的径向深度，50赫兹频率的穿透深度大约在10.4 毫米， 10 千赫在 0.73 毫米 ， 100 千赫在 0.23毫米。 从这些核算中能够证明趋肤效应使导体中经过电流时有用截面积减小，从而使有用电阻变大。高电阻意味着高功率损耗。
在传输和接纳器线圈中经过运用高频导线，趋肤效应能耗丢失可明显削减。高频率导线由两股或许多股小截面导线组成的导线束构成。导线束中的每根导线都担任总电流的一部分。这能够协助趋肤效应最小化，因而更多能量能够得到有用运用。
4.4. 附近效应
另一个影响线圈能耗丢失的要素是附近效应。附近效应导致导体在相邻侧电流会集或许搬运电流，从而使导体都发生漏磁。多股线结构、绕线技能以及导线绝缘结构能够削减线圈中无用的涡流。
4.5. 损耗系数
无线能量传输受限于体系中的功率损耗系数。损耗系数公式为：
这个系数表现了所转化能量相关的一切损耗总合与传输能量数量之比值。 首要目的是尽可能的最小化体系的损耗系数。一旦发射器和接纳器线圈配备得以优化，就可获得最小的损耗系数。可是，一般来说，损耗系数从本质上仍是受体系质量要素和耦合系数的影响。
方程式显现产品的质量要素与耦合要素可作为判别体系质量系数（优值系数， FOM）的目标。较低的损耗要素，如因为低的耦合系数而形成，能够经过进步线圈的质量要素完成线性补偿。 （图5）
图5： 损耗系数与优值系数的联系图
来历： 无线充电联盟2012年
4.6. 磁场散布
别的一个对线圈功率发生影响的要素是磁场特性。磁场特性决议了对周围的不必要辐射。而对周围的不必要辐射又对体系功率有明显影响。
图6 显现在最佳耦合状况之下，传输和接纳线圈的磁场强度与磁通密度
图6： 特氧体电感耦合线圈磁场强度和磁通密度的模拟图
来历： Würth Elektronik
清楚明了，磁场被挑选性地约束在线圈间的空间。实际上对周围并无影响。磁通密度的模拟图显现了铁氧体平板的影响。磁通量会集在铁氧体内。图7显现了传输线圈和接纳线圈旁边面错位（28%）情况下，磁场强度和磁通密度
图7：
来历： Würth Elektronik
因为这个错位，磁场以及磁通量首要被约束在两个线圈的全体结构中。Z方向上没有磁场的添加。能够推断出经过运用适宜的铁氧体屏蔽，电感耦合中的磁场被约束在线圈间的区域，因而，不需求额定的屏蔽设备。
除此之外，Qi 规范的规矩防止线圈错位所发生的巨大损耗。例如，当衔接的能量传输功率将至低于70%，电力办理体系就会间断传输。只要在能量传输功率大于70％的线圈对位情况下，才干开端能量传输。
别的， WPC Qi规范还具体规则了传输线圈的几许形状以及资料。因为比如传输线圈，电力办理体系和芯片等组件有必要恪守规范，因而整个体系的协同作业能力得以保证。设备的Qi认证包括了独立测验实验室核对新产品与之前认证配备的协同作业能力。
现在Qi规范关于传输线圈有22个不同的规划规则。这些规划被分为两种规范。一种是包括有铁氧体环绕线圈的规划。别的一种规范则由印刷有线圈的电路板或许混合解决方案。在每个规范中，线圈的分类取决于线圈数量（单一、摆放）、尺度、形状、电压和操控机制的品种（电压、负载、频率）。还有具有中心永久磁铁的线圈规划。永久磁铁目的将轻浮型的接纳器主动与传输线圈中心对位。这种对位办法的缺陷在于：线圈磁场中的永久磁铁严重影响体系的质量要素，这是因为在磁铁内部有涡流发生。而这些电流耗费有用的能量。
4.7. 规范线圈的改进和优化
能够经过运用高质量资料，规划高效的绝缘线束而且优化绕线技能以最小化线圈的寄生电阻。 这些方面的改进从底子上提升了体系的质量要素。 如此有用的线圈为工业或许医疗运用带来更好的功能。Würth Elektronik 供给的各类传输和接纳线圈满意Qi要求，具有低直流电阻（RDC）和高质量要素。
5. 总结
当恪守明晰认义的规范时，无线能量传输是最有用的。特别是在Qi规范里有对线圈能量传输发生积极影响的多种办法。 最佳线圈的挑选，慎重的体系规划以及明晰辅导用户怎样在传输站放置配备的运用指南可赋予设备制作商的竞赛优势。 从规范化主体来看， 更好的优化组合界说正在进行中，这将引领下一代体系功能改进。
可是， 传输和接纳线圈在无线传输中仍是要害组件，是整个体系功率的底子。
6. 文献
无线电力联盟： http://www.a4wp.org/technology.html
Elektroniknet.de： Peter Wambsganß and Prof. Dr.-Ing. Nejila Parspour HF Feld的电源 （德国） http://www.elektroniknet.de/power/power-management/artikel/1644/1/
电力工作联盟： http://www.powermatters.org/
RRC 电力解决方案： 研讨会： 电感能量传输的根底原理， Qi 规范和体系解决方案2012
德州仪器评价东西： http://www.ti.com/ww/en/analog/wireless_power_solutions/tools.htm
无线电力联盟： www.wirelesspowerconsortium.com/technology
Würth Elektronik： 电感远见的三部曲，2008
Würth Elektronik： 数据表760308111， 760308201， 760308106
Würth Elektronik： 无线电力线圈： http://katalog.we-online.de/de/pbs/WE-WPCC
