無線電力傳輸 (WPT) 應(yīng)用涉及在無物理連接的情況下將電力從電源傳輸?shù)截?fù)載。此類應(yīng)用通常采用電感耦合等技術(shù)，通過電磁場來傳輸電力。本文將討論在 WPT 應(yīng)用中，電源對(duì)于確保高效、安全的電力傳輸所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

WPT 在眾多應(yīng)用領(lǐng)域都是一個(gè)熱門選擇。它已廣泛應(yīng)用于從智能手機(jī)到電動(dòng)牙刷等的消費(fèi)電子領(lǐng)域。此外，在醫(yī)療領(lǐng)域，WPT 在為心臟起搏器和胰島素泵等植入式設(shè)備供電方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在工業(yè)領(lǐng)域，WPT 技術(shù)已集成到電動(dòng)工具、自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV) 等產(chǎn)品中，為該領(lǐng)域帶來了益處。

圖 1：感應(yīng)式 WPT 設(shè)計(jì)中的主要元件

WPT設(shè)計(jì)需要一個(gè)發(fā)射線圈和一個(gè)接收線圈，如圖 1 所示。電力通過發(fā)射器和接收器之間的磁場進(jìn)行無線傳輸。

在發(fā)射端，直流輸入電源通常饋入半橋或全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而為直流到交流電源逆變器供電。逆變器利用 LC 串聯(lián)諧振腔產(chǎn)生交變磁場，向接收器傳輸電力。在接收端，串聯(lián)諧振元件將接收到的磁場轉(zhuǎn)換為電流，再通過高功率整流器將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電壓。輸出穩(wěn)壓器用于向負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓。

根據(jù)應(yīng)用和電力耦合類型的不同，線圈配置也存在較大差異；通常使用諧振和非諧振電感耦合。

消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用的 WPT 技術(shù)應(yīng)符合感應(yīng)充電的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。無線充電聯(lián)盟 (WPC) 推出的 Qi（發(fā)音為“chee”）系統(tǒng)十分高效，但要求發(fā)射線圈和接收線圈的位置對(duì)準(zhǔn)。其競爭對(duì)手 AirFuel 聯(lián)盟采用磁共振電力傳輸技術(shù)，其調(diào)諧線圈對(duì)錯(cuò)位不太敏感，且支持長達(dá)數(shù)米的長距離傳輸。

Qi 和 AirFuel 系統(tǒng)之間還存在其他顯著差異。例如，Qi 無線充電標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于低功率應(yīng)用 (5 W) 的頻率范圍為 110–205 kHz，對(duì)于中等功率應(yīng)用（最高 120 W）的頻率范圍為 80–300 kHz。AirFuel 標(biāo)準(zhǔn)則使用更高的 6.78 MHz 頻率。

發(fā)射線圈和接收線圈的設(shè)計(jì)、距離和對(duì)準(zhǔn)對(duì) WPT 設(shè)計(jì)的效率至關(guān)重要。在電動(dòng)牙刷等最簡單的低功率 WPT 應(yīng)用中，發(fā)射線圈和接收線圈的相對(duì)位置受到嚴(yán)格控制，但在更高功率的系統(tǒng)中，情況則大相徑庭。

圖 2：線圈錯(cuò)位及其對(duì)感應(yīng)充電WPT (Qi) 系統(tǒng)效率的影響

圖 2 顯示了發(fā)射線圈和接收線圈之間的各種錯(cuò)位對(duì)效率的影響。

無線電力傳輸應(yīng)用對(duì)電源的主要要求

穩(wěn)定性和精確度

電源必須提供穩(wěn)定且精確的輸出電壓或電流，以確保電力傳輸?shù)囊恢滦院透咝?。如果出現(xiàn)波動(dòng)，可能會(huì)影響無線電力傳輸系統(tǒng)的效率和可靠性。

對(duì)不同負(fù)載的適應(yīng)性

WPT 系統(tǒng)可能需要處理不同的負(fù)載，特別是在多個(gè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行無線充電的情況下，電源應(yīng)該能夠適應(yīng)這些負(fù)載變化，以保持最佳性能。

效率和功率因數(shù)

效率對(duì) WPT 應(yīng)用至關(guān)重要，如果能達(dá)到高效率，則可最大限度地降低電力傳輸過程中的能量損耗。高效率電源有助于盡可能提升無線電力傳輸系統(tǒng)的整體性能。

安全考慮

為了安全起見，WPT 系統(tǒng)通常需要在電源與無線電力傳輸元件之間進(jìn)行隔離。電源經(jīng)過隔離后，可以防止出現(xiàn)電氣危險(xiǎn)，確保符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

異物檢測(cè) (FOD)

硬幣、鑰匙或釘子等金屬物體可能無意中位于 WPT 系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場附近，從而構(gòu)成安全隱患并影響 WPT 系統(tǒng)的電氣特性。強(qiáng)磁場還可能對(duì)位于發(fā)射器和接收器之間的生物體產(chǎn)生不良反應(yīng)。識(shí)別這類非預(yù)期物體并避免向其傳輸電力的過程稱為異物檢測(cè) (FOD)。FOD 通常通過計(jì)算接收器接收到的功率值并將其傳回發(fā)射器來完成。應(yīng)用校正因數(shù)后，如果兩個(gè)功率值不匹配，則認(rèn)為是由于異物吸收一部分功率而導(dǎo)致的，同時(shí)這種不匹配會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉。

溫度監(jiān)控和過溫保護(hù)

電源應(yīng)包含溫度監(jiān)控機(jī)制和過溫保護(hù) (OTP)，尤其是在無線充電板或無線充電模塊中。標(biāo)配保護(hù)功能還應(yīng)包括短路保護(hù) (SCP) 和過電壓保護(hù) (OVP)。

頻率匹配

在基于諧振電感耦合的 WPT 系統(tǒng)中，電源頻率必須與系統(tǒng)的諧振頻率相匹配，才能實(shí)現(xiàn)高效的電力傳輸。頻率匹配可增強(qiáng) WPT 的整體性能。

通信控制

WPT 系統(tǒng)通常使用通信接口在發(fā)射器和接收器之間交換信息，例如負(fù)載要求或系統(tǒng)狀態(tài)等。這有助于實(shí)現(xiàn)智能電源管理和控制。Qi 接收器使用幅移鍵控(ASK) 來發(fā)送所需的功率水平和完成 FOD 檢測(cè)；Qi 發(fā)射器則使用頻移鍵控 (FSK)。符合 AirFuel 標(biāo)準(zhǔn)的諧振 WPT 系統(tǒng)使用的協(xié)議基于一種廣泛使用的藍(lán)牙低能耗 (BLE) 標(biāo)準(zhǔn)。

電磁兼容 (EMC)

電源應(yīng)符合電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，防止對(duì)其他電子設(shè)備造成干擾，并確保整個(gè) WPT 系統(tǒng)的可靠性。

適用于無線電力傳輸應(yīng)用的產(chǎn)品

如前文所述，用于 WPT 的理想電源應(yīng)能針對(duì)線路和負(fù)載變化進(jìn)行良好調(diào)節(jié)，同時(shí)具備高效性、隔離特性和保護(hù)功能（SCP、OVP 和 OTP），并滿足相關(guān)的 EMC 要求。

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結(jié) 論

無線電力傳輸應(yīng)用中的電源需要同時(shí)滿足穩(wěn)定性、高效性、安全性和兼容性等要求，確保在從消費(fèi)電子產(chǎn)品到工業(yè)應(yīng)用等各種場景中實(shí)現(xiàn)無縫可靠的電力傳輸。WPT 電源的設(shè)計(jì)考慮因素對(duì)于推動(dòng)無線充電技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。

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