传统的无线充电技术有几个缺点。它们效率低下，这使得它们在碳排放方面对环境不友好，并且只能在较低功率水平下运行，因为它们所产生的热量会减慢充电速度。因此，它们实际上只适用于智能手机、可穿戴设备、医疗植入物和物联网产品等小型设备。
此外，大多数无线充电方案体积庞大、价格昂贵，并且由于需要对充电设备进行非常精确的定位才能确保有效耦合，因此使用起来并不特别方便。
图1：传统无线充电需要多级转换，因此会影响效率。
Qi设计也相对复杂(这也是阻碍效率的一个重要因素)，整个转换过程需要五级，如图1所示。还值得注意的是，在非满载情况下运行时，效率会迅速下降。
为了解决传统方法的局限性，Eggtronic公司开发了E2WATT无线功率传输架构。E2WATT通常是基于GaN的解决方案，它结合了电源和无线充电器两者，并围绕专利感应技术所构建。该方法基于可提供零电压开关(ZVS)、零电流开关(ZCS)无线功率传输的专有拓扑，将转换级数减少到了两个(见图2)。
图2：E2WATT提供了简化的端到端转换。
在初级(发射器)中，ZVS-ZCS拓扑实现了在任何负载条件下都可以忽略不计的开关功率损耗，这是因为其未使用谐振操作。这提供了非常平坦的效率曲线(图3)，并支持在较低温度下运行——在30W设计中温度最多可降低30℃。
图3：ZVS-ZCS方法可在整个负载范围内提供出色的效率。
E2WATT接收器以ZVS模式运行，并采用多种技术来控制向负载传送的有功功率与反射至初级的无功功率之间的比率。此外，快速控制回路可实现精细的输出调节，因此消除了通过降压转换器或LDO进行额外转换/调节的所有要求。第二个控制回路可进一步最小化总无功功率，从而进一步提高效率。
与传统技术相比，E2WATT的另一个好处是增加了充电距离：早期测试显示这一重要参数增加了八倍，因此极大地提高了用户的便利性。
独特的是，E2WATT还提供低延迟数据传输能力，这为增值功能以及快速无线充电的基本功能提供了许多机会。
E2WATT反向兼容Qi等传统技术，因此为用户提供了便利以及低功耗充电的迁移路径。如今，E2WATT已经构建了功率高达300W的无线充电器，但该技术可提供10kW的功率。再加上可与有线充电相媲美的效率水平，这就为未来带来了巨大的可能性和新的应用。
需要充电的设备并不新鲜，有许多设备已经存在多年。然而，现有无线充电的局限性(主要是高昂的物料成本和散热/效率问题)却阻碍了广泛采用，因此目前这些应用仍然依赖有线充电。
随着其他技术领域的进步催生出全新类别的设备(通常在机器人领域)，E2WATT带来的无线充电进步可能意味着这些新设备将不再需要通过电线充电。
在最低功率级别，大多数应用都是使用Qi等无线充电标准的设备。这包括可穿戴设备(健身监视器、智能眼镜)和所谓的“可听戴设备”——先进的助听器和基于蓝牙的音频设备。智能手机和平板电脑等大量移动设备/便携式设备也属于这一类。
在工业领域有数十亿个物联网设备部署，由于其功耗极低，因此可从无线充电中受益。
在此功率水平下，E2WATT的效率提升减少了充电器的发热，由于不需要使用散热器等散热管理设备，因此可实现更进一步的小型化。这反过来又能促进完全密封的设计，从而可将其用于可能存在液体的地方——厨房、杂物间、室外区域和工业设施。
而且，可靠性也得到了增强，因为充电时不需要使用电线/插头，所以不会出现接触磨损。
随着功率水平的增加，应用也会发生变化，在这个水平上，基于Qi的解决方案不再能实现充电。许多类型的家用电器以及电动交通应用都属于这一类，包括电动自行车、踏板车和电动轻便摩托车。机器人在家庭环境中的使用变得越来越普遍，因此清洁机器人、游泳池机器人和其他服务机器人也处于这种功率水平，而增长最快的应用之一是无人机等无人驾驶飞行器。
同样，由于不再需要插头，许多此类应用都能受益于便利性和可靠性的提高。由于现在可以以与有线充电相似的效率水平进行无线充电，因此无线方案没有任何缺点，并且低功耗/空载操作也得到了增强。更重要的是，这些应用中有许多至少部分是在室外或暴露于液体的环境中所使用的。这意味着任何用于有线充电的裸露触点都可能迅速老化(尤其是在高湿度、高盐分或腐蚀性环境中)并阻碍充电。同样，无线解决方案消除了这些问题，而移除充电线也是一项重要的安全功能，特别是对于电器而言，因为它不会被切断或绊倒。
同样，E2WATT支持小尺寸解决方案，因为直接交流输入省去了外部电源供应器(PSU)，并且电源管理也已经集成。
这个更大功率的领域与30W至500W领域有着类似的应用，主要是机器人和家用电器，但现在也包括更大功率的家用电器和更大功率的机器人，如割草机和在城市环境中用于运送小包裹的物流/送货机器人。
因此，20W至300W领域的优势也适用于此，特别是与安全和户外使用所相关的场景。
在最大功率的领域，应用主要集中在车辆上。这包括仓储/工厂中所使用的自动引导车辆(AGV)，以及远程操作车辆和轨道引导车辆。这里还包括乘用电动汽车。鉴于大功率水平，效率对于散热管理和缩短充电时间仍然很重要，但现在，E2WATT所能提供的更高效率也对运营费用产生了积极影响。
延长充电距离也是一个显著的好处，因为将电动汽车停放在充电板上时要想达到与将智能手机放置在充电板上相同的精度并不方便。
虽然将电动汽车从空电充到满电总会需要时间，但对于遵循规定路线并经常停车的车辆(例如城市公交车)来说，无线充电具有显著的好处。在此，可以在沿途的公交车站放置充电板，以便在预定的停靠站快速“补充”充电，从而使公交车能够全天运行，而无需返回车站充电。
无线充电已经到来，但由于传统方法存在效率低、架构复杂、体积庞大和BoM成本高等挑战，无线充电尚未成熟。
无线充电联盟认识到无线充电的潜力超出了Qi当前所提供的水平，因此正在制定新标准，例如适用于功率高达2,200W的无线厨房电器的Ki、适用于轻型电动汽车的LEV标准，以及适用于机器人充电、AGV和其他工业自动化机械的行业标准。
凭借专有的磁性和专利拓扑结构，E2WATT解决了效率和外形尺寸挑战，从而使设计人员能够满足现有低功耗无线充电应用的需求并扩展到更高的功率。这种可扩展性确保了可通过与传统有线电源转换器一样高效高性价比的解决方案，在高达1kW及以上的充电设计中实现更高效率、更小尺寸、更低成本和更大范围的优势。
（原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb，参考链接：Wireless Charging Reaches Higher Levels，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年8月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
最前沿的电子设计资讯
