[原创] 从小米的隔空充电谈起
2021-02-01
14:00:03
来源: 半导体行业观察
近日，小米发布了其隔空无线充电技术，让无线充电又一次登上了热榜。
根据官方介绍，隔空充电技术通过小米自研隔空充电桩实现，其中内置5个相位干涉天线，用于对手机进行空间定位；另有144个天线构成相位控制阵列，通过波束成形将毫米波定向发射给手机，手机通过天线接收，能实现数米内5瓦远距离充电。
无线充电技术大家并不陌生，各种无接触式无线充电技术已经在各大智能设备中相当普及；而这次小米隔空充电技术吸引众人注意力的原因在于它实现了数米距离内的无线充电，而传统无接触式无线充电虽然也无需线缆，但是充电距离通常在毫米到厘米数量级。事实上，小米此次发布的隔空无线充电技术与传统的无线充电技术是不同的技术路径，因此能实现数米的充电距离。而除此之外，本文还将分析介绍其他有潜力的无线充电技术路径。
目前，智能设备无线充电最普及的技术就是使用电感耦合实现的充电。目前绝大多数智能设备的无接触式充电都是使用该技术。
电感耦合式无线充电的技术原理是在无线充电器端和智能设备端分别安装电感（通常是由线圈实现），之后在充电器端使用振荡器产生这些电感线圈谐振频率的振荡，而能量则通过电磁波的形式由充电器端耦合到智能设备端，智能设备端再通过整流器把电磁波中的能量转化为直流电并给电池充电。
整体而言，电感耦合无线充电技术已经非常成熟。目前最主流的电感耦合无线充电标准Qi于2010年提出第一版，经过十年的发展已经进入了包括智能手机在内的各大智能设备，在芯片方面，包括TI、NXP等在内的大多数传统模拟芯片厂商都能提供多款支持电感耦合无线充电的芯片产品。通过电感耦合实现无线充电的主要优点在于使用近场耦合因此效率高，但是近场耦合同时也将该技术的充电距离限制在了厘米数量级。
小米刚刚公布的隔空充电技术则是较为成熟的电感耦合无线充电之外的另一种技术路径，即使用远场电磁耦合实现无线充电。顾名思义，远场电磁耦合可以实现的充电距离较远。具体来说，远场电磁耦合技术在充电器端产生一个频率较高的电磁波，并使用天线将能量以电磁波的形式发射到空间中。而在智能设备端，则同样使用天线来接收充电器端产生电磁波以接受能量，并且在之后使用整流器来将电磁波能量转化为直流电为电池充电。由于使用天线发射和接收电磁波，因此远场电磁耦合的充电技术受到距离的限制较小。
然而，远场电磁耦合也有几个重要的技术难点尚待突破。首先就是电磁波对准问题。一般来说，使用常规天线时充电器发射的电磁波能量将会向空间各个方向传播，因此在智能设备端接收到的能量只是充电器发射出能量的很小一部分（例如1%），这样就会大大降低充电效率。为了解决这个问题，通常需要使用天线阵列做波束成形，将电磁波能量对准智能设备所在的方位做点对点传输（而不是让电磁波向空间各个方向自由发射）。这也是为什么小米的隔空充电技术中，充电器使用了144个天线组成天线阵列做波束成形的原因。另一方面就是需要找到智能设备相对充电器的相对方位来确定电磁波能量的发射方向，这也是在小米公布的技术中充电器中还包含了另一组天线阵列配合算法来定位智能设备的位置。
而远场电磁耦合充电的第二个难点在于电磁波能量产生和接收的效率。与工作在100KHz-10MHz的近场电感耦合不同，远场电磁耦合中的电磁波通常工作在100MHz-1GHz以上，而此次小米公布的隔空充电更是工作在更高频的毫米波频段（>30GHz）。在这些较高频段产生电磁波的振荡器往往效率较低，即充电器本身消耗的功率远大于充电器发射出去的电磁波功率。小米公布的技术中心，充电器能产生5W的功率，我们预计在毫米波频段充电器的整体效率在1-10%左右，即充电器本身的耗电很可能在100W以上。而另一方面，在智能设备端，高频电磁波的整流电路效率通常也会低一些，因此传递给智能设备的5W功率经过整流之后可能只有一小部分用于充电。
最后，政府规定的最大频谱发射功率也限制了能传递的无线功率。本次小米使用5W作为演示的充电功率很可能就是因为在毫米波频段的最大发射无线功率是受到政府相关规范管控的，即使不考虑充电器耗电问题想要发射更大无线功率也难以满足相关规范。
在远场和近场电磁耦合之外，另一种无线充电的技术路径是使用红外光来传递能量。与远场电磁耦合类似，红外光无线充电也能实现远距离充电。除此之外，红外光在传输过程中不像无线电波频段的电磁波一样需要使用波束成形技术来实现点对点传播，而是天生就是沿直线点对点传播，因此充电器端就无须使用天线阵列，使得设计较为简单，效率也较高。此外，在相关规范中，红外光的最大传输能量比起无线电波频段的电磁波要高，因此可实现的最大充电功率也较大一些。
目前，初创公司WiCharge已经提出了一套较为完整的红外光充电解决方案，其未来值得我们拭目以待。
如前所述，基于近场耦合的无线充电技术在技术上已经进入了成熟期，未来几年预计相关技术会稳步提升，成为越来越多智能设备的首选充电方式。
相对于近场耦合无线充电，远场耦合和红外光无线充电技术则能实现长距离充电，有望给智能设备带来全新的用户体验，例如在房间内安装无线充电器之后就可以实现无需用户干预的自动充电等。相对于红外光充电，远场耦合的无线充电技术与传统手机中使用的射频技术较为接近，对于智能设备厂商来说也较为熟悉，因此如果能找到合适的应用场景的话有机会能尽快商用推广。基于我们之前分析的远场电磁耦合的几个限制，我们认为在未来几年内仍然很难找到一条为手机实现以合理速度充电的路径。但是，远场电磁耦合更有机会应用在对于充电功率需求较小的智能设备，包括智能门锁，室内温度传感器等等，从而在智能家庭和物联网领域发挥作用。从芯片角度，使用远场电磁耦合的技术门槛不低，需要在电源管理、波束成形、设备定位等领域都有一定技术积累，而且由于归根到底远场电磁耦合的目的是在智能设备的产品定义中提供一个差异化功能项，因此很适合拥有芯片设计能力的手机和智能设备厂商使用产品结合芯片协同的方法来完成设计，这方面我们对于华为、小米等有相关背景的公司都很看好。
另一方面，如果要为智能手机提供较大功率的无线充电，在未来几年内红外光的可行度较高一些。这个领域由于离智能设备厂商熟悉的传统射频设计较远，因此更有可能是由一个领先的系统方案厂商（例如苹果）提出方案后与传统半导体公司合作完成设计。在这个领域我们可以关注WiCharge等相关初创公司的情况。
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