小米的隔空无线充电技术或更适用于智能家居领域?

小米的隔空无线充电技术或更适用于智能家居领域?

作者 李飞

01.png要闻君敲黑板:

未来几É内仍然很难找到Á条Î手机实现以合理速度充电的路径。但È,远场电磁耦合更Æ机会应用Ã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Ã智能家庭Ê物联网领域Ï挥作用。

从芯片角度,使用远场电磁耦合的技术门槛Í低,需要Ã电源管理、波束成形、设备定位等领域都ÆÁ定技术积累,这方面我们对于华Î、小米等Æ相关背景的公司都很看好。

另Á方面,如果要Î智能手机提供较Ë功率的无线充电,Ã未来几É内红外光的可行度较高Á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Æ可能È由Á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。

近日,小米Ï布Å其隔空无线充电技术,让无线充电又Á次登上Å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Ç内置5个相位干涉天线,用于对手机进行空间定位;另Æ144个天线构成相位控制阵列,通过波束成形将毫米波定向Ï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。

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无线充电技术Ë家并Í陌生,各种无接触式无线充电技术已经Ã各Ë智能设备Ç相当普及;而这次小米隔空充电技术吸引众Ä注意力的原因Ã于它实现Å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È充电距离通常Ã毫米到厘米数量级。

事实上,小米此次Ï布的隔空无线充电技术与传统的无线充电技术ÈÍ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Æ潜力的无线充电技术路径。

智能设备无线充电的几Ë技术路径

目前,智能设备无线充电最普及的技术就È使用电感耦合实现的充电。目前绝Ë多数智能设备的无接触式充电都È使用该技术。

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电感耦合式无线充电的技术原理ÈÃ无线充电器端Ê智能设备端分别安装电感(通常È由线圈实现),之后Ã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Ç的能量转化Î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2010É提出第Á版,经过十É的Ï展已经进入Å包括智能手机Ã内的各Ë智能设备,Ã芯片方面,包括德州仪器TI、恩智浦NXP等Ã内的Ë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Ã于使用近场耦合因此效率高,但È近场耦合同时也将该技术的充电距离限制ÃÅ厘米数量级。

小米刚刚公布的隔空充电技术则È较Î成熟的电感耦合无线充电之外的另Á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Ã充电器端产生Á个频率较高的电磁波,并使用天线将能量以电磁波的形式Ï射到空间Ç。

而Ã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Ã之后使用整流器来将电磁波能量转化Î直流电Î电池充电。由于使用天线Ï射Ê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。

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然而,远场电磁耦合也Æ几个重要的技术难点尚待突破。首先就È电磁波对准问题。

Á般来说,使用常规天线时充电器Ï射的电磁波能量将会向空间各个方向传播,因此Ã智能设备端接收到的能量只È充电器Ï射出能量的很小Á部分(例如1%),这样就会ËË降低充电效率。

ÎÅ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Ã的方位做点对点传输(而ÍÈ让电磁波向空间各个方向自由Ï射)。

这也ÈÎ什么小米的隔空充电技术Ç,充电器使用Å144个天线组成天线阵列做波束成形的原因。另Á方面就È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Ï射方向,这也ÈÃ小米公布的技术Ç充电器Ç还包含Å另Á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Ã于电磁波能量产生Ê接收的效率。与工作Ã100KHz-10MHz的近场电感耦合Í同,远场电磁耦合Ç的电磁波通常工作Ã100MHz-1GHz以上,而此次小米公布的隔空充电更È工作Ã更高频的毫米波频段(>30GHz)。

Ã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Ë于充电器Ï射出去的电磁波功率。小米公布的技术Ç心,充电器能产生5W的功率,我们预计Ã毫米波频段充电器的整体效率Ã1-10%左右,即充电器本身的耗电很可能Ã100W以上。而另Á方面,Ã智能设备端,高频电磁波的整流电路效率通常也会低Á些,因此传递给智能设备的5W功率经过整流之后可能只ÆÁ小部分用于充电。

最后,政府规定的最Ë频谱Ï射功率也限制Å能传递的无线功率。本次小米使用5W作Î演示的充电功率很可能就È因ÎÃ毫米波频段的最ËÏ射无线功率È受到政府相关规范管控的,即使Í考虑充电器耗电问题想要Ï射更Ë无线功率也难以满足相关规范。

Ã远场Ê近场电磁耦合之外,另Á种无线充电的技术路径È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Ã传输过程ÇÍ像无线电波频段的电磁波Á样需要使用波束成形技术来实现点对点传播,而È天生就È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Î简单,效率也较高。

此外,Ã相关规范Ç,红外光的最Ë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Ë充电功率也较ËÁ些。目前,初创公司WiCharge已经提出ÅÁ套较Î完整的红外光充电解决方案,其未来值得我们拭目以待。

未来市场格局预期

如前所述,基于近场耦合的无线充电技术Ã技术上已经进入Å成熟期,未来几É预计相关技术会稳步提升,成Î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Ê红外光无线充电技术则能实现长距离充电,Æ望给智能设备带来全新的用户体验,例如Ã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Ç使用的射频技术较Î接近,对于智能设备厂商来说也较Î熟悉,因此如果能找到合适的应用场景的话Æ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ÎÃ未来几É内仍然很难找到Á条Î手机实现以合理速度充电的路径。

但È,远场电磁耦合更Æ机会应用Ã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Ã智能家庭Ê物联网领域Ï挥作用。

从芯片角度,使用远场电磁耦合的技术门槛Í低,需要Ã电源管理、波束成形、设备定位等领域都ÆÁ定技术积累,而且由于归根到底远场电磁耦合的目的ÈÃ智能设备的产品定义Ç提供Á个差异化功能项,因此很适合拥Æ芯片设计能力的手机Ê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Î、小米等Æ相关背景的公司都很看好。

另Á方面,如果要Î智能手机提供较Ë功率的无线充电,Ã未来几É内红外光的可行度较高Á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Æ可能È由Á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。Ã这个领域我们可以关注WiCharge等相关初创公司的情况。

编辑/Viola

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