Understanding Wireless Power
David W Baarman，富尔顿创新公司（Fulton Innovation LLC）先进技术总监
Joshua Schwannecke，富尔顿创新公司（Fulton Innovation LLC）研究科学家
2009年12月

无线供电正从技术转向工业应用，随着专利产品推向市场和无限供电标准的推出，产生了许多问题，从消费者真正期待什么，到哪种技术是最安全最有效的解决方案，这些疑问导致争论越来越多。随着无线供电达到一个转折点，开发商和消费者，了解不同技术方案的真相，特别是他们关心的安全和效率问题，以及这种技术现状和迅速发展后的未来状态是很重要的。

研究显示，无线供电是最吸引消费者的新技术之一。但是，在消费者真正期待技术带来什么方面，在媒体报道和市场上有很多误解。为了行业的完全发展和实现大规模应用，需要对无限供电技术的不同具体体现有更全面的认识，并需要更明确地定义效率（特别是如何测量效率）、安全和技术的不同具体消费产品体现，包括垫子、适配器解决方案和无线供电规格。

根据这些考虑、该技术的生存能力、以及无线供电行业的不断增长，有必要教育开发商和消费者，让他们都了解这种技术并共同合作，建立今天有可能获得的最佳解决方案，为无线供电的今后发展定好位。

了解消费者的真正期望

研究指出，消费者需要无线供电的目的，是希望简化供电和充电工作，提高日常生活的方便性。同时，随着最新一波的无线供电产品进入市场，该技术的生机扩展到工业水平，也需要普及无线供电以及它是如何融入日常生活方面的知识。

在消费者真正需要什么方面，一直有一定程度的误解。研究发现，如果消费者过去知道未来会出现集成无线供电解决方案，他们那时就会支持今天的垫子和适配器解决方案。近一半接受调查的消费者表示，为了能让电子装置使用上无线供电技术，他们可以等两年。不过，大约三分之一的受访者愿意购买适配器，大约四分之一的人想购买并使用独立的充电器（垫子），直到用嵌入式技术代替这些产品。但是，这个研究也发现，存在一个明确的价格点，一旦超过，适配器解决方案就不再具有吸引力，即便愿意尽早使用产品的发烧用户也是这样。此外，考虑到适配器市场规模，以及更广阔的全部消费电子产品和基础设施，认为专利充电垫和适配器，只是在消费者期望的通用、集成、全世界都可使用的解决方案无法实现时的临时短期选择是不合理的。

根据对市场的这种理解，基于观察到的不断发展的消费观点，推出了许多不成熟的和背离常规的想法，从在房间的任何地方任何位置广播供电和对任何装置充电，到杠杆放大装置与建在周围基础设施内的充电热点相互作用的近场解决方案。

随着行业成熟，更多无线供电技术的疑问和担心也出现了，所以存在必要的活动顺序,这是该技术在世界上大规模应用所需要的。首先是更深地认识可获得的技术、它们的优点和局限性、以及建立全球标准的重要性。这个标准将成为开发能满足消费者需要的通用、集成产品的最有效工具。

过去简单地假设，消费者对无线供电的需要就象对Wi-Fi解决方案一样。最初这个假设适用，但在均衡考虑效率、安全、成本和互操作性后，这就变成了一个复杂的解决方案意见。这是讨论这些意见、折衷和下一步可获得解决方案的主要原因。

可供消费者使用的无线供电的主要体现

无线供电可以用许多方式来传输，从微波、激光、特斯拉的发明，到诸如可充电牙刷这种简单的具体产品，所有这些方法都有局限性，潜在地削弱了大规模应用和商业化。在此提醒，由于微波和激光类型的无线供电系统是典型的点对点电源，所以本文不讨论它们。这就是说，开发团队正在扩展物理学的边界，利用可获得的部件，创造在功率上能与有线解决方案竞争，同时还能提供无线连接便利的系统。本文谈到的解决方案是基于高频广播、中程电感耦合或近场电感耦合技术。可能还会使用“磁共振”等术语，但这个术语只是指调谐好的，可以按各种各样的方式配置的、可能较大的电感耦合的发射机和接收器系统。

在定义感应无线电力传输方面，使用了几个术语，包括磁耦合，它在无线供电传输中通常指近场电感耦合。当讨论如非辐射能量等方面时，这是指磁耦合，更具体说是电感耦合，近场和中程电感耦合都是。本文定义使用较小的一级和次级线圈的系统为近场系统，使用较大的初级线圈用于中程距离的系统为近场远端系统。此外，中程的定义是指发射线圈直径一到十倍左右的距离。

远场通常是射频（RF）,波长较短，用较短的天线就能有效传输，本文还研究了这些系统的使用和集成问题。作为一般术语，射频和中程无线供电在本文中都被定义为广播供电系统，其中在辐射和非辐射方面，范围又带来其他考虑，如场、敏感度和覆盖范围等。本文讨论的基本术语“广播”是一对多关系，就是说，一个发射线圈向许多接收线圈提供供电。

在广播关系中，设计要求系统中的每个接收机，要承受系统中最苛刻要求的一定偏差，这通常用发射机和接收机之间的损失来表达。在广播系统中，一对多关系的考虑是非常令人感兴趣的，但是它也为系统中的双方带来了许多其它要求。

在接收机方面，它要求任何装置都要有保护，并对最大装置做限制。这在管理电压和供电传输方面，为接收机带来非常注目和具有挑战性的要求。尽管直流对直流转换技术取得了进展，但这种系统的效率还不理想。其他因素包括场中和其它无源元件的额外损失。在密切接近系统，这较容易管理。每个供电频道只按峰值效率请求发送，从而限制了损失。

另外一个关键挑战是广播供电中的各种模式的控制。比如考虑以电池充电器、电源或快速充电器中哪种模式来运行。一对多广播供电系统的一个难题是，在管理电源交互作用同时，还得满足各个时间段对供电系统的不同要求。

所以对大多数广播系统，只把解决方案考虑为一个输出和一个充电是不合理的，这会造成更多浪费。认识到电池通常比供电系统更宽容也很重要。对密切接近系统，更容易实现在一个发射机上扩展到多模式供电。这个问题好像在广播供电中非常具有挑战性，可能限制应用和互操作性。

中程无线供电

这里的中程无线供电，是指延伸到更大影响区域的无线供电。中程无线供电是建立在这种想法上，就是使用共振磁感应或近场远端技术，来在相距几英寸到几英尺距离上的两个线圈之间传输电力。

这个概念的局限性，首先就是发射机的直径。通常一个电感耦合系统能传输的距离与发射机的直径差不多。随着初级和次级Q的额外调谐，再利用阻抗匹配电容或感应器，来达到匹配的磁共振，从而延长距离。目前的论文和实验证明，高度调谐的系统，能用较大的直径，传输非常大的距离。调谐以及在调谐中使用高度工程的超低损失线圈，能扩大距离。应当注意到，迄今为止的讨论，一直是关于延长距离和效率，到大于发射机直径四倍的程度。这并不是说四倍能获得更高的效率，而是只能在此距离上传输电力。许多人非常感兴趣的是，在较短的距离上获得较高的效率，以及获得针对具体应用的合适距离。这点能提供益处，即通过扩大距离同时保持最高的效率，来提供令人激动的机会，同时还能让紧密接近应用获益。在这个领域内的机会令人激动，但还需要额外的思考。

早期射频无线家庭控制技术也曾试图利用同样的想法，但对它的回顾发现，这些系统是在有明显覆盖间隙和铝壁板等限制因素情况下所测试的，为消费者带来额外的混乱和成本。

想象安放在有铝壁板的房子的墙壁内的电力传输线圈，这就是将一个大线圈放入金属表面内6英寸。这不是个容易的解决方案，因为保持灰泥和粉饰的掩蔽物也会给基于射频的供电解决方案带来同样的挑战。广播无线供电面临可能同样的挑战，其中最显著的就是消费者教育。今天，这个技术已经以类似魔术的方式出现，而直正的比较将留待未来产品的设计师做出。

无线供电的装置在具体频率下能很好地调谐和操作。如果装置、印刷电路、半导体或有线电路，被调谐到这个频率，它们会突然从广播的电力中获得电势。这会干扰频道，危及效率以及功能性，为消费者带来使用问题。随着电源和装置之间的距离增加，这些问题也变严重了。此外，在较大区域内，其它的无线电源可能为装置带来易感性和兼容性问题。这可能需要制定规定或标准，以便对装置进行测试和设计，以防止出现额外的可靠性和质量问题。电势敏感性失败有可能立即发生，也有可能以后发生。

在回顾一些人的非辐射能量的结论时，有的人会说它比在磁场中更容易控制，但是在这种场中的发射频率上仍会出现一定的能量，通常在线圈之间最强。

随着距离增加，定向为广播供电带来另外一个挑战因素。在这点上，不能仅考虑具体的发射机和接收机的物理定向和对齐，还需要考虑在广播场中的各种各样的材料的实体的定向和对齐关系。这些情况将改变性能和操作，除非系统能相应地调整和响应。当考虑到高度调谐系统的效率时，这点变得更为重要。适应性智能解决方案，在面对这些问题时能为性

能带为益处。但是，如果适应性智能系统不是在一开始就嵌入系统，系统就有潜在的技术失败的风险，降低消费者的信心。

除了调谐和定向挑战，中程无线供电解决方案还需要考虑线圈的几何形状。物理定律证明，很好匹配的线圈能提供最佳的电力传输。在飞利浦（Koninklijke Philips Electronics N.V.）的研究者的最新报告中，就能看到这些方法的可能实际应用。本文下面效率部分中提到的所有效率，也考虑到了紧密匹配的发射机和接收机线圈，随后展示了大量发射机直径对接收机直径的不同比值。还需要指出的是，这些效率可能符合这些比值的一些部分，这有可能进一步降低下面提供的这些系统的效率的参考价值，因为这些比值会从提到的效率发生变化。下面的例子是具有一个发射机和一台接收机的系统，两者都各使用一个25cm线圈，系统显示的交流系统效率为15%。通过将接收机线圈从25cm改成25mm（手持装置的典型尺寸），应当对效率有负面影响。预计线圈尺寸的任何改变，都会负面影响调谐，所以这个系统在系统变化时需要高度调谐。考虑到这些变量，再考虑到已经提到的互操作性，存在系统效率在系统水平上比以前降低的可能性。

对中程无线供电系统的另一个考虑是供电控制，它产生另外一个效率问题。当给笔记本电脑、头戴式耳机和手机供电时，传输的电力必须按三者间的最高要求设置。其它装置要么设计成适应这种输入幅度，要么做出其它折衷。这就又有可能带来损失，并需要对已经努力达到高水平集成度的较小装置再进行额外设计和保护。

适应性电感耦合

适应性电感耦合放大了磁感应的物理作用。但是，这种技术目前应用于近场和中程配置，最高设计效率是在不到几英寸的应用中，需要紧密调谐供电和线圈，才能实现能与现有有线供电应用可相比的性能，同时还能以现有的有线供电速度对装置充电或供电的程度。近场适应电感耦合已经证明，调谐能显著提高系统Q，相应地，它能最大化系统性能。这是被认为最大化磁场并因此实现前面讨论的电力传输的一个关键因素。如果系统不是按每种情况调谐，无线供电的物理作用也不能被最大化，这是特斯拉和该技术的早期应用的主要问题。在高度共振系统中实现影响因素的困难，可能是不很十分明显。当发射机和接收机在中程无线供电系统中高度调谐时，可以使用同样的方法。

适应性电感耦合的另外一个价值，就是能在任何距离上更有效地提供电力。在给定的运行环境下，将这种系统调谐到最高性能，将提高性能。没有这个能力，应用的深度和宽度就会受限，因为效率的代价不仅是由增加的零件成本计算的，还包括运行成本。社会压力放大了这点，因为如果不考虑这点，仅仅装置数量就有可能在全世界造成显著影响。

许多消费者对无线供电的期望之一就是，用于笔记本电脑的无线供电发射机，也可以为手机、头戴式耳机、MP3、玩具和许多其它装置供电。这也演变成调谐和供电控制问题，以让每种装置都能获得所需要的电力。当在广播供电中考虑这点时，需要按供电需求最大的装置供电，而其他装置的效率就降低了。密切接近也是这样，唯一不同就是可以独立管理每个装置的最高效率，可以把这个考虑为一个供电控制和通讯频道。

对广播供电，定向是适应性电感耦合的一个问题。所以对广播供电，使用多轴线圈或矩阵来最大化所有方向的耦合，可以最小化间隙。在场中的位置和高Q也能将一些这些因素造成的影响最小化。但是，在适应性电感耦合中，一些挑战更容易出现。为了说明广播解决方案挑战的复杂性，考虑现在的手机接收信号和其它射频通信。当把线圈或矩阵放入装置中，问题变得更为复杂。

用于满足其它法律要求的装置本身的屏蔽，开始显著地限制无线供电的性能。放在其它材料和装置中或靠近其它材料和装置，也会限制性能，改变与电源的耦合。使用近场配置能提供许多解决方案，同时还能在制造商和消费者熟悉的已知配置中，确保提供电力发射和接受的平面。这就是说，当随着距离扩大时，这些复杂因素提高了保证供电的难度，给设备制造商增加了另外一层设计考虑的负担。未来很有可能出现其它的解决方案，但是最好的解决方案是控制这些变量中的部分变量，并简化实施。同时，其它的考虑刚开始实现，可能会带来另外的限制。

无线供电的隐藏问题

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详细阅读，请访问（中文版）http://www.ecoupled.com/ch/pdf/ECOUPLED_understanding_WP_V3_SCH_HiRes.pdf，或者http://www.ecoupled.com/pdf/eCoupled_Understanding_Wireless_Power.pdf（英文版）。