任何能免除設(shè)備的電源線和墻上插座的技術(shù)都肯定會賦予電子設(shè)備一種明顯的銷售優(yōu)勢。能從無線電源獲得利益的應(yīng)用包括各種便攜式消費(fèi)電子設(shè)備，如手機(jī)和 MP3 播放機(jī)，它們可以丟棄自己的墻上插座和電源適配器；低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它們可以免除頻繁更換電池的麻煩；另外還有病人的醫(yī)用植入設(shè)備，以避免更換電池的手術(shù)。

但我們距離真正實用的電源線替代目標(biāo)還有多遠(yuǎn)，有哪些選項？這些選項對功率大小、頻率和設(shè)備位置有什么限制？最后，遠(yuǎn)距傳輸功率是否會損害健康？

使用可充電電動牙刷的人都熟悉一種無線技術(shù)，即電感耦合，它與其充電部件之間沒有導(dǎo)電觸點(diǎn)（圖 1a）。充電部件連接到交流電源上，底座內(nèi)是一個變壓器的初級線圈，變壓器次級線圈位于手持的牙刷中，其中嵌入了一個鐵芯鍵。當(dāng)你刷完牙后，一般會將刷頭從牙刷部件上取下，并將牙刷部件放回充電底座。牙刷部件（有一個鐵芯鍵）可完全套在初級上。該鍵配合一個通過牙刷部件次級中心的孔（圖 1b）。這種鍵式結(jié)構(gòu)保證了初、次級線圈在 x、y、z 平面上的物理對準(zhǔn)。這種精密對準(zhǔn)是必需的，如果初、次級之間錯位幾分之一英寸，則功率傳送就將無效。手機(jī)制造商也可以使用類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行充電，而不必采用充電部件。不過，對于那些必須裝在錢包或口袋中（而不是放在浴室臺面上）的消費(fèi)設(shè)備來說，變壓器次級過于龐大。并且，牙刷座采用電感式電源耦合的主要原因并不是易于連接，而是因為底座處在潮濕環(huán)境中，必須采用密封式的功率耦合。

為避免電感耦合方式要求接近、精確對準(zhǔn)的局限，eCoupled 推出了“自適應(yīng)電感耦合”方式，其中功率電路會從兩個線圈最優(yōu)定位檢測到任何變動，然后尋找最佳工作點(diǎn)。電路負(fù)載的移動會造成電路阻抗以及電路共振頻率的變化。另外，eCoupled 還增加了一個數(shù)字控制回路，以響應(yīng)變壓器耦合器件以外的負(fù)載變化。據(jù) eCoupled 先進(jìn)技術(shù)總監(jiān) Dave Baarman 稱，這種自適應(yīng)電感耦合與數(shù)字回路的結(jié)合意味著，即使設(shè)備在 x 和 y 方向偏離數(shù)英寸，而沿 z 軸偏離不到 1 英寸時，電源電路仍可以維持對設(shè)備的供電。

表皮厚度

但這種不到一英寸的限制性并不像乍看起來這么嚴(yán)重。Baarman 解釋說：“你需要的（z 軸）距離只不過是 MP3 播放機(jī)或手機(jī)的‘表皮厚度’”。這足以使人們隨意地將某個設(shè)備放在一個臺面上的充電區(qū)。你可以通過磁性感受到設(shè)備是否與充電點(diǎn)對準(zhǔn)，從而保證臺面上 x、y 方向的對準(zhǔn)。該公司已宣布了多家獲得自適應(yīng)電感耦合許可的伙伴公司，如摩托羅拉、Visteon 和 Herman Miller，不過這些公司還沒有公布任何采用自適應(yīng)電感耦合技術(shù)的產(chǎn)品。但據(jù) Herman Miller 的企業(yè)通信經(jīng)理 Mark Sherman 稱，該公司在 2008 年初將發(fā)布產(chǎn)品。該技術(shù)還有一個成績：eCoupled 的子公司 Fulton Technologies 從 2002 年起就使用自適應(yīng)電感耦合技術(shù)為其水凈化系統(tǒng)中電子設(shè)備供電。Baarman 稱 eCoupled 已經(jīng)在高達(dá) 1400W 的功率上測試了自適應(yīng)電感耦合技術(shù)。

電感耦合的特點(diǎn)是有相對較高的功率電平，但距離短。對于像無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這類應(yīng)用，你可能希望用更遠(yuǎn)的功率傳輸范圍來換取大功率。發(fā)射 RF 能量可能是針對這些應(yīng)用的一種考慮。Powercast 開發(fā)了 Powercaster 發(fā)射機(jī)和 Powerharvester 接收機(jī)芯片，它們工作在 900 MHz，你可以用它們來散播和接收能量（圖 2）。它們的工作距離為數(shù)米，而功率電平可高達(dá) 100 mW。這種低功率電平可能不會成為局限性：如果你的設(shè)備（如一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的某個節(jié)點(diǎn)）在長時間睡眠狀態(tài)后需要較高功率，則應(yīng)考慮為設(shè)備增加電池，并使用 RF 功率接收機(jī)作涓流充電。該器件銷售單價不到 5 美元（大批量）。

該器件用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個實例是匹茲堡動物園企鵝展館與 PPG 水族館內(nèi)的溫度與濕度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。在這種寒冷潮濕的環(huán)境中，不能用電源，展館的開發(fā)者不能拉電纜。他們最初建立傳感器網(wǎng)絡(luò)時采用堿性電池為節(jié)點(diǎn)供電，但電池數(shù)周內(nèi)就會耗盡。Powercast 用 Powerharvester 接收機(jī)改造了這些節(jié)點(diǎn)，用于電路供電，并在展館天花板上距接收機(jī)約 30 英尺遠(yuǎn)的地方放置了一個 Powercaster 發(fā)射機(jī)及接插天線。每過兩分鐘，發(fā)射機(jī)的一個脈沖會喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)返回溫度、濕度和充電狀態(tài)信息。然后又回到睡眠狀態(tài)。但它們?nèi)圆粩嘤砂l(fā)射的 RF 功率充電，使可充電堿性電池的電壓保持在恒定 3V。

安全的功率電平

據(jù)Powercast 銷售與營銷副總裁 Keith Kressin 說，聯(lián)邦通信委員會的工程與技術(shù)辦公室的65 號通報負(fù)責(zé) RF 安全事項。該公報會告知你一臺傳送RF的設(shè)備允許多大的功率。微波爐的泄漏功率為 50 mW/cm2 ，與一部手機(jī)輻射的 RF 能量相當(dāng)。電視/電臺發(fā)射機(jī)輻射能量為 10 mW/cm2，而 RF 功率發(fā)射機(jī)的輻射大約為 20 μW/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日常生活中的一般水平。

能量采集環(huán)境中的 RF 功率是 RF 功率傳輸?shù)牧硪环N可能選項，但是，天下沒有免費(fèi)的午餐，你應(yīng)特別小心地估計來自 RF 能量的可用功率。Zoya Popovic 博士是 Colorado—Boulder 大學(xué)的一名電子與計算工程教授，他建議應(yīng)牢記三點(diǎn)：首先，環(huán)境功率覆蓋了很寬的頻率范圍。獲得 RF 能量的最佳方式是設(shè)計一款專門針對某頻率的天線和功率電路；你需要一種可以工作在該環(huán)境下的天線和功率電路，這意味著它必須是寬頻帶的，或至少是多頻段的。

其次，當(dāng)采集環(huán)境 RF 時，你并不知道電磁波的極性。Popovic 給出了一個例子：“如果你用一根線狀天線，從房間的一角發(fā)射一個垂直極化波，當(dāng)能量在房間中碰撞并到達(dá)另一側(cè)時，功率會在水平極化和垂直極化兩個方向平均分配。如果你希望高效地捕捉能量，就必須針對兩種極化作設(shè)計?！?/p>

第三，由于存在多路徑的環(huán)境，RF 接收機(jī)的功率不僅隨頻率和極化方式而變化，而且在功率電平上也有變動。Popovic 的團(tuán)隊設(shè)計了帶有“整流天線”（rectennas）的 RF 功率接收機(jī)電路，該天線的整流電路能產(chǎn)生直流電壓。當(dāng)功率電平改變時，天線輸出端的直流電壓也發(fā)生變化。由于能量儲存設(shè)備（如電池和電容器）不能承受寬的電壓擺幅，所以該小組在整流天線和能量儲存元件之間放置了一個功率管理與緩沖級。

另外一種技術(shù)（但不是無接觸式）是 Wildcharge 的無線新技術(shù)。一個帶 Wildcharge 功能的設(shè)備通過一種歐姆觸點(diǎn)（采用光刻工藝制作的一種濺射金屬墊）與充電墊接觸，為手機(jī)或類似消費(fèi)設(shè)備充電。Wildcharge 計劃今年夏季推出一種 40 美元的 15W 充電墊，它可以為多種低功耗設(shè)備充電。設(shè)備使用該充電墊時將需要一個適配器，但它們也可以內(nèi)置 Wildcharge 技術(shù)，并從任何 Wildcharge 墊充電。

新型無線功率傳輸技術(shù)仍處于研究階段。馬薩諸塞州立技術(shù)學(xué)院物理學(xué)家 Marin Soljacic 宣布了一種用于數(shù)米內(nèi)的“非輻射式共振能量傳輸”技術(shù)。該技術(shù)主要依賴于在相同磁場中調(diào)諧為共振的銅線圈。另外，東京大學(xué)的研究人員也開發(fā)了一種帶印刷線圈、有機(jī)晶體管和 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）開關(guān)的四層塑料片，它采用電感耦合方式為帶接收線圈的設(shè)備供電。這兩種技術(shù)都在正在開發(fā)階段，商業(yè)化至少需要數(shù)年時間。

但是，即使是 cCoupled 和 Powercast 的方案也仍很新，有潛在的缺陷和未知數(shù)。另外還應(yīng)記住電池技術(shù)也在發(fā)展。所有的電池在制造時都不是相同的，壽命少于 1 年的堿性可充電電池不是低功耗設(shè)備充電的唯一選項。例如，Tadiran 稱其工業(yè)級和軍用級鋰亞硫酰氯電池的壽命超過 20 年，故障率小于百萬分之一。這些非可充電電池有低的泄漏電流和高容量。例如，Tadiran 的 AA 型大功率鋰電池標(biāo)稱電壓為 4V，而消費(fèi)設(shè)備中的 AA 電池是 1.5V。大功率件的單芯可用凈容量亦可超過 2 Ahr。電池將能為系統(tǒng)連續(xù)供電 20 年，以 3V 的截止壽命電壓計算，年功耗為 81 mAhr。這些電池的價格每只不到 10 美元，或每年不到 50 美分。因此在冒險采用更昂貴的新技術(shù)以前，要考慮工業(yè)級的電池是否能滿足你的設(shè)計要求。

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