谈无线充电三大标准优缺点及合并挑战
发布时间：2015-6-10 10:41
发布者：designapp
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根据HIS的预估，全球无线充电市场预计将从2013年的2.16亿美元，增加40倍，到2018年达到85亿美元（参考文献1）。但是，这个产业的发展会受到几个现存互不兼容标准的影响。展望未来，许多开发商的问题是，是否所有这些标准可以在一个作为无线充电之用的统一、经济实惠且高效的标准下共存。 虽然无线功率转移的概念是在一个多世纪之前形成的，但在过去的几年里，尤其是在像无线充电联盟（WPC，成立于2008年成立）、电力事业联盟（PMA，成立于2012）、无线电力联盟（A4WP，又名Rezence，成立于2012年）等标准出现后，无线功率转移已经开始有了实质的作用。 价值链中的关键利益相关者有设备制造商、原始设计制造商（ODM）、半导体公司及基础设施公司；诸如三星、微软（诺基亚）、HTC和LG是设备制造商；原始设计制造商（ODM）有Primax、Uway、和三星机电等；半导体公司则像是TI、IDT、飞思卡尔、高通、英特尔、联发科、博通等；至于基础设施公司则是像麦当劳、Marriott、和星巴克，这些业者借着采用无线充电来为其客户提供一种增值服务。 除了作为一个消费电子配件之外，无线充电还可将其应用扩展到家居饰品、医疗、汽车、工业和国防应用。瑞典家具公司宜家（Ikea）最近宣布推出内嵌在其台灯之内的一批无线充电产品（参考文献2）。无线电力充电连同它的应用和使用情境，已成功地获得消费者的青睐，但大量采用该技术而跃居成市场主流的情况，仍未达到预期的水平。造成这种情况的其中一项主要原因是由于标准不一，以及支持相互竞争标准的各大营运商（在美国）。  上图为各种无线充电应用的使用场景。 在目前的标准环境中可望会浮现出两种可能性： ● 出现一个单一的标准，这将可加快无线充电技术被采用的速度。 ● 支持多模式无线充电的解决办法，其中，单一的发射器/接收器可以支持多个（WPC / PMA / A4WP）标准。 如果我们检视一下从技术规范（来自标准机构）到概念验证、产品开发、制造、以及成品的整个价值链，有几项因素会构成在开发某一特定技术时的创造、提供和截取价值的良好整体经验。这些都是要让该技术茁壮成长的基础。具体到无线充电，按优先级排列的关键因素如下： ● 经济上的可承受性：成本效益，从批发和零售的角度来看，开销要少 ● 可用性：增强易用性，像是可以自由摆放、可同时多部器件充电，和在相当距离外充电的潜在能力 ● 质量和安全性：符合特定产业对安全使用该技术的指导方针 ● 互操作性/向后兼容性：标准之内和跨标准 ● 技术扩散：通过定制和/或优化将使用情境扩展至其它应用 现有标准的比较 无线充电联盟 WPC（Wireless Power Consortium）在2008年宣布的无线充电标准被称为 “气（Qi）”，这是无线充电技术针对主流消费电子设备商业化的一大步。 气采用的原理是变压器电路的磁感应，其中，发射器和接收器线圈以非常接近的形式接合，从而实现电力的转移（参考文献4）。发射器在低工作电压下工作，视线圈的类型而定。在发射器（主）线圈中产生的电流将会产生一磁场，这又会在接收器（辅助）线圈感应出电流。接收到的电流可为接收器设备的电池供电，像是移动电话、平板计算机、照相机和智能手表等。发射器可为接收器提供一致的功率和电压电平。 Qi标准定义了通信协议，其中电力转移和接收到的量是最佳的。在接收器和发射器之间会有一通信封包传送协议，它与一些因素相关，例如，发射器发现到的接收器、接收器的状态和配置信息、接收器所要求的功率电平和电力传输的结束。 效率水平要视正确线圈的排列、Z的距离、和线圈类型的选择而定。典型效率范围为65％至75％之间。目前规范的版本是1.1版，未来还会继续推出多个版本，其中将会规定多台设备同时充电的支持、Z距离的增加，而焦点则会倾向磁共振。  这些都是以电感为基础的无线充电系统之典型的发射器和接收器线。 特点： ● 紧密耦合的感应方案 ● 可在100-205千赫的频率范围工作 ● 使用负载调变在2Kbps的带内通信 ● 接收到的功率可达5W（低功率） - 15W（中-功率），而针对高功率应用则有即将会推出的120W ● 支持异物检测（FOD）功能 ● 可定义磁共振的未来规范 ● 超过200家的业者支持，包括三星、LG、德州仪器、松下、东芝、微软、中兴、Verizon和Motorola Mobility 优点： ● 已有建立完成的测试机构和生态系统，695项认证产品（参考文献4），为加速采用走出了一条康庄大道 ● WPC技术已内嵌在三星的Galaxy S6（参考文献5） ● 基于Qi的生态系统和强大且可扩展的平台，使得像宜家公司可利用Qi充电技术，而将它嵌入在家居饰品中 ● 规格非常成熟，2011年以来，就已经有产品上市 ● 提升到未来Qi规格的途径，未来Qi的规格将可支持多台设备同时充电，增加Z距离（>5厘米） ● 因为紧耦合线圈结构的因素，所以可以达到更高的效率 ● 辐射排放量低 ● 有鉴于它是一成熟的标准，市场上有多家的IC和系统供货商，所以它的实现成本最低 缺点： ● 联盟的规模大，可能会因为决策过程缓慢，而使得进步的脚步放缓 ● 在进一步更新规格时，要让现今市场上数以百万计的器件可以达到充分的向后兼容性，将会是一项挑战（然而，其他标准也会面临到同样的问题。） 电力事业联盟(PMA) PMA公司于2012年成立，是一个与Qi竞争的标准，但同样是以相同的磁感应原理来运作。从技术上来讲，这两种标准很相似。 PMA有额外的软件钩（software hook）来定义协议、控制和管理信令，WPC可望在他们的下一个规范版本中把管理信令的能力加进去。在较早的版本中，借着让磁铁托住接收器而让接收器的线圈和发射器的线圈可以对准。然而，据我们的了解，PMA将在不久的将来会把磁铁拿掉，并引入多个发射器的设计，其中有一个或多个线圈。着眼于物联网（IOT）的发展，PMA已与星巴克合作开发应用，它具有基于云端的电源管理功能，可用来对充电站进行定位及管理（参考文献5）。 特点： ● 紧密耦合的感应方案 ● PMA基于磁感应的电力2.0 （power 2.0）技术，未来规范会与A4WP合并 ● 操作的频率范围为277至357千赫 ● 超过100家的业者支持，包括三星、LG、HTC、AT＆T、谷歌、Blackberry、华为、Kyocera和IDT 优点： ● 市场主要的推动力来自产业界的重量级公司，像是Duracell-Powermat、星巴克和AT＆T ● PMA技术已内嵌在三星的Galaxy S6（参考文献5） ● 有5座测试实验室和24项通过认证的产品（参考文献5） ● 基础设施公司的采用为用户提供一个首次使用该技术的经验 ● 因采用Qi的磁感应原理，所以也有类似的技术优势 缺点： ● 在采用和设计灵活性方面，仍然处于早期阶段 ● 针对大规模采用，规格尚未最终确定 ● 在采用A4WP基于磁共振技术的未来版本之规范时, 向后兼容性将会是一个挑战 无线充电标准联盟(A4WP) A4WP （Alliance for Wireless Power），又名Rezence，也是在2012年成立，它是基于磁感应无线充电标准的替代性技术。 A4WP采用磁共振的原理，这种原理不用让一次和二次线圈紧密对准。相反地，发射线圈够大，大到足以产生高磁场，可与在初级线圈附近接近之处的次级线圈接合，且不只是一个，而是多个。这意味着单一发射器可以对多个接收器（电话、平板计算机等）充电。 电力传送单元（PTU）中的系统设计由一个源直流电源（Source DC supply）、共振器、匹配单元、一个功率转换单元，和一个信令和控制单元所组成。而电力接收单元（PRU）则是由一个谐振器、整流器、电源转换单元、信令和控制单元所组成。带有PTU和PRU的系统架构星型拓扑结构，在PTU和PRU之间有双向的信令。  上图是A4WP 技术的典型发射线圈结构（参考文献6） 特点： ● 是一种基于松耦合磁共振的技术 ● 在Bluetooth Low Energy（2.4 GHz ISM的频率范围）的频带之外通讯 ● 电源传输频率为6.78兆赫 ● 所接收到的3.5和6.5W电力，适用于智能型手机之类的应用，预计未来将增加至50W，以涵盖更多的消费性电子设备 ● 相较于电流感应替代方案，承诺会提供更长的Z距离 ● 超过100家的业者支持，包括三星、戴尔、富士通、LG、夏普、佳能、松下、HTC、联想、高通等 优点： ● 相较于电感式替代方案，可以潜在性的更低成本提供最大的自由空间 ● 允许多设备充电 ● 可扩展到更高的功率和穿戴式产品是其一大卖点 缺点： ● 在建立认证和测试机构方面，仍处于早期阶段 ● 因为独立的信令电路，所以通信费用高 ● 电磁干扰增高/辐射高 ● 由于松散耦合的线圈结构，所以效率低 ● 由于额外的通信带宽会增加成本，所以配件有限 影响聚合的因素 长久以来，市场一直在广为讨论，为了让市场起飞，这些标准应该合并。将感应和共振技术相结合真的有意义吗？ 在生态系统的层级，更多还没有 决定要投身那一种特定技术的组件供货商，将可驱动生态系统来满足所有的技术。有鉴于三星在智能型手机市场拥有很大的市场占有率，它在Galaxy S6中内建了Qi 及PMA 技术，此举将进一步推动对无线充电发射器的需求。此外，宜家推出超过15款支持Qi标准的产品，也将可让无线充电深入到日常的家庭中，为无线充电联盟带来很大的优势。 Gartner的数据指出，手机和平板计算机2015年的出货量预计将可达22.6亿台（参考文献3）；所以最终，我们可以看到会有大量的产品推出上市。在我们针对可能性而进行脑力激荡时，有必要从接收器和发射器的角度了解其中所涉及的挑战。  上图的比较显示感应无线充电和谐振无线充电两者之间的差异（参考文献7）。 从聚合/协作的角度来看，发射器和接收器的设计有三种可能的类型。它们是： ● 多模式：MI-MI（WPC-PMA） - 纯感应模式，与Qi和PMA标准兼容 ● 多模式：MI-MR（WPC-A4WP / PMA-A4WP） - 与磁感应（Qi / PMA）和磁共振（A4WP）标准的组合兼容 ● 三模式（WPC-PMA-A4WP） - 与所有三种无线充电标准兼容 接收端 现在有TI、飞思卡尔、IDT及Broadcom等公司可以提供单模的接收器芯片。三星的Galaxy S4即采用TI的接收芯片来进行无线充电（参考文献7）。 支持Qi和PMA标准的纯感应多模式因为技术的相似性，所以挑战较少。不过，要开发一个在Qi和PMA之间优化的系统，在其中一种情况下，效率都会略低。 IDT在2013年宣布推出其业界首创的双模式接收器，它可支持Qi和PMA标准（参考文献9）。另外，TI和Triune systems也已经掌握到了其中的开发要诀。 联发科今年早些时候宣布推出一款多模的芯片（MT3188），它可同时支持PMA和A4WP 标准（参考文献10）。而在一些论坛上也讨论过支持所有3种标准的接收器版本，且解决方案也开始在市场上推出。 Broadcom公司就在最近才刚发表过一则这样的声明（参考文献11）。 将A4WP系统与感应系统整合的挑战是，A4WP使用Bluetooth Low Energy堆栈。有几个例子所指出的挑战是，在电池没电后，又或BLE一直处在待机的情况下，器件何时被唤醒。博通说明了其芯片内的嵌入式频率检测器可以在多个标准之间进行选择（参考文献11）。随着时间的发展，像英特尔、高通、博通等公司将有机会以创新的方法改变这种情形。但今天在配件市场，我们必须有独立的BLE芯片。这显然会对成本造成影响。一般情况下，在一单独的信道上进行带外通讯（out-of-band communication）的成本是很高的。 发射器端 在发送器端所面临到的挑战是不一样的。然而，一个纯粹感应的施作方式是很简单的，像飞思卡尔半导体和Triune Systems公司已经有可用的解决方案了。当我们探索多模式发射器时，将低频发射器与高频发射器结合在一起是一件相当复杂的工作。将低频线圈嵌入到高频线圈系统会有一些问题，如电源耦合的问题、调谐挑战、及MI和MR之间的耦合等。因此开发原型是可以做的，但要实际施作则需要深思熟虑。 如何弥补今天这个差距？ 在前面的章节中，我们谈到了在开发多模/三模系统的技术挑战。此外，随着时间的发展，标准可能也会聚合，但关键的问题是，我们今天能做什么，让消费者可以享受到无线充电的好处？正如前面的讨论，一种可能性是把多个标准放在接收器之中，但它必定会对成本和尺寸造成影响。我们在引言部分讨论过产品的整体体验，一项确定的关键因素之一是经济上的可承受性（Affordability）。我们可以做出消费者负担得起的产品，且还克服了所有的挑战吗？ 这将我们带进到一个思考领导力的有趣领域。除了技术上的挑战，这些联盟基本上也在试图解决一组与挑战性相关的可用性问题。下面的示意图标识出了这类重要的挑战，以及针对这些挑战所完成的规范。  无线充电联盟面对的重要的挑战。 由于标准的讨论将会继续发生，因此会有一个虚拟沙盒（virtual sandbox）的空间，在其中，系统公司可以探讨通过创新的施作来弥补技术上的差距。今天，PowerSquare正朝着这个方向在努力，在同一时间，这也与这些集团的发展十分同步。正如前面所提到的，本文的内容试图涵盖无线充电标准的过去、现在和未来，并分析这些标准在整合时的技术挑战。 所有这些无线标准是否可以共存？从技术角度来看，其中是有些挑战的。对于WPC和PMA，一款TX和RX的解决方案是非常简单的，因为它们是纯感应式的。 A4WP带PMA和/或Qi可以通过开发多模式的接收器而共存。然而，主要的挑战将是开发多模式的TX解决方案。 PMA与A4WP之间最近宣布的合并正是朝着聚合方向发展的一步。但是，有鉴于前文所讨论到的挑战，对于这些联盟计划如何处理各自的感应和谐振技术，仍有待观察（参考文献5）。 在另一方面，WPC针对其即将推出的规范更新已公布它的多设备支持以及Z距离的增加，让RX可从TX充电，而不需要线圈对线圈接触（参考文献12）。在生态系统的利益相关者支持下开发多模解决方案，将是解决竞争标准间难题的最佳途径。随着这样的尝试持续下去，将就会有一个可以让技术供货商创新的沙盒空间。 无线充电无疑是下一个最好的智能创新，这不仅是纯粹的市场预测，同时也是它能带给消费者的好处。如果能有一个单独的标准存在，则就能将设计的开销降到最低，这是大家所认同的，也是实际且最方便的做法，果真如此，无线充电市场就可以成长到来自不同市场研究机构所做的各项商业预估规模。 参考文献 1. Global Market Revenue for Wireless Charging to Rise by Nearly Factor of 40 by 2018, IHS, March 2014. 2. IKEA Launching Qi-Friendly Wireless Charging Furniture, PC Mag, March 2015. 3. Gartner Says Worldwide Traditional PC, Tablet, Ultramobile and Mobile Phone Shipments to Grow 4.2 Percent in 2014, Gartner Inc, July 2014. 4. System Description, Wireless Power Transfer, Volume I: Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.1.2, Wireless Power Consortium, June 2013. 5. Power Matters Alliance 6. A4WP Wireless Power Transfer System Baseline System Specification (BSS) A4WP-S-0001 v1.2, Rezence, January 2014. 7. The convenience of wireless charging: It’s just physics, MediaTek, October 2013. 8. TI set to release a next generation of wireless charging chip for one-to-many interface, iTers News, June 2013. 9. IDT product page 10. MediaTek MT3188 Multi-Mode Wireless Charging ASIC Supports Inductive and Resonant Modes, MediaTek, February 2014. 11. B'com Powers 3 Wireless Charging Approaches, EE Times, May 2014. 12. With Qi wireless charging, you'll soon be able to charge your device from a short distance, Engadget, July 2014. |
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