目录

“于无声处聚能量”,无线充电为何热度再起?

长期以来,物联网所形成的巨大市场和数以十亿计的庞大设备数量已经逐渐为人们所熟知。但随着可移动的物联网设备变得越来越多,这让设备的供能方式、电池问题成为了新的挑战,毕竟有线电源非长久之计。同时,物联网市场的蓬勃发展,也让相关数据的采集、传输和处理成为一大难题。

“无线充电,尤其是射频无线充电技术,正成为解决上述挑战的创新型关键技术。”Energous公司首席执行官Cesar Johnston先生日前在接受《电子工程专辑》少数专访时表示,随着无线充电的到来和普及,诸如频繁检测需要更换电池的具体部位、更换电池造成的人力浪费、大量使用电池对环境造成的污染、电缆和电线的安装困难以及人力浪费、恶劣环境下无法使用电池或电线等问题将得到有效解决。

Energous公司首席执行官Cesar Johnston

Energous是一家基于RF长距离及短距离无线充电技术的公司,近年来,凭借Watt-Up技术驱动的PowerBridge和接收技术,在各大行业奖项中屡获殊荣。而Cesar Johnston在加入Energous之前曾在博通、Marvell等公司任职,推动并领导了802.11g/n Wi-Fi、蓝牙、FM和NFC产品的研发工作,被公认为是名列前茅代SISO和MIMO无线产品技术开发的先驱。

与无线充电Qi标准采用的电磁感应技术不同,Energous所倚重的射频无线充电技术属于AirFuel无线充电联盟,充电距离更远,穿透性更强。

Energous基于Watt-Up技术开发了Watt-Up芯片,并定制了接收和发射系统、天线和专用的WattUp PowerBridge发射器。在同一个物联网场景中,WattUp PowerBridge发射器能够以1W到15W的功率远距离同时为多个设备供电,向连接的物联网设备(如传感器、电子货架标签、跟踪器、物联网标签、无电池设备等)发送电源,并可充当其数据链路。在此基础上,多个WattUp PowerBridge发射器还可以组合成一个WattUp无线充电网络,能够覆盖无限距离,适用于零售店、工业仓库、制造工厂、物流中心等大型部署环境。

也许有人对美国联邦通信委员会FCC认证的15W射频无线充电功率没有太多感觉,但在Cesar Johnston看来,Energous是全球首家能够达成该项指标并实现产品落地的无线充电芯片公司,而在2021年的时候,Energous RF无线充电的功率只有5W,而且还是FCC首次允许的低成本,非波束成形发射器。显然,今后如果无线充电要成为主流,我们就需要扩大设备充电的距离。

在回应“有些用户可能会担心电磁辐射导致的健康隐患”问题时,Cesar Johnston援引FCC的数据称,FCC对于无线充电产品的比吸收率(SAR)的限制指标为1.6W/kg,其他国家/地区为2.0W/Kg,Energous 1W PowerBridge在5厘米处的SAR值为0.608W/kg,而5W PowerBridge在20厘米处的SAR值为0.586W/kg,而手机工作时的辐射值大约是1.2W/kg,与FCC限制指标的安全距离非常大,完全没有担心的必要。

根据Cesar Johnston在分享中提到的数据,物联网智慧城市市场将以22%的年复合增长率扩张。其中,工业物联网年复合增长率为10%,智慧家居为14.5%,零售物联网则为19.6%,这些物联网应用将会有极大的无线充电设备应用空间。

例如在零售场景,Energous联合Flagship推出了完整的无线充电以及通信方案,该部署同时也是Energous和Flagship宣布的第二个零售计划。在该方案中,Flagship零售部署中的Wiliot标签都由多个Energous WattUp PowerBridges无线供电,捕获包括库存完整性、店内库存位置、购买在内的各种重要信息,商家借此将能够及时高效的了解店内消费者行为,并获得与库存盘点、损失预防、试衣间会话、补货要求相关的各种信息。

Energous还与全球知名自动识别解决方案公司佐藤集团(SATO)进行合作,将WattUp技术应用在药品管理和追踪等领域。传统的RFID受限于供电限制,可以显示的信息极为有限,改用WattUp技术后,可支持受追踪物资所有信息的实时显示与调用,极大拓展了物资追踪应用的功能属性。

而在运动追踪方向,通过与Catapult公司合作,Energous解决方案在美国大学橄榄球比赛中得以应用。Catapult的运动员/球类追踪设备芯片包括三轴加速度计、陀螺仪、磁力计和LPS天线,教练组据此不仅可以了解球的移动方式,还可以了解球员与球互动时的需求;而Energous则能够同时为多个设备提供远程无线充电方案,从而让球队无需中断比赛在场边为球充电。

在物联网传感应用上,PowerBridge能对范围内多个传感器设备进行充电管理,并获取传感器目前已经采集到的信息,直观地反馈给现场工作人员,方便工作人员对传感器进行及时的可预测的维护。这样一来,不仅减少了传统物联网传感器受限于电池容量和布线带来的不便,还能提高传感器运行质量,确保了传感器任何时刻都在正常运行。

CES 2023上,艾迈斯欧司朗与Energous Corporation宣布,双方将联手开发一款用于可控环境农业(CEA)和垂直农业的无线供电多光谱光传感器。该联合解决方案基于艾迈斯欧司朗的AS7343多通道光谱传感器和Energous的WattUp PowerBridge发射器,帮助农业从业者优化照明解决方案,以获得优异产量。

现实中,类似前文描述的无线充电应用场景还有很多,尽管林林总总,彼此之间看起来好似也并无太多关联。但其实只要稍加留意,就能总结出一些共同的规律:

例如,无线充电技术可以支持广泛的设备,包括小型低功耗设备,如助听器、健身手环、传感器和类似设备,也可以根据不同的技术选项嵌入到各种外形的产品中去,最典型的应用就是使用一个小型、低成本的发射器,以取代USB电缆和电源适配器。

另一方面,安全地向远距离设备供电的能力也是至关重要的。过去的 10 年中,计算能力、存储和无线连接方面的能耗有了很大的改善,低功耗消费类设备更是如此,计算性能和通信链路电源效率都得到了大幅提升,但功耗和电池容量却不能增加太多。

同时,由于电源效率的提高、架构的优化和先进的WPT创新,实施无线充电技术的成本正在急剧下降,这应该会导致大规模采用。通过使用最新的半导体工艺,以及为射频通信系统(芯片、天线等)开发的尖端CAD工具,可以利用这些进步推动WPT走向早期技术成熟,并利用大批量消费类设备可用的成本结构。

例如,在WPT发射器和接收器的控制部分架构中使用成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,以降低系统功耗开销。同时,GaN和GaAs工艺用于高效功率放大器和整流器的设计,其性能轻松超过CMOS功率效率30%以上,旨在支持更高功率器件,输出功率>1瓦到10瓦,以提高系统功率架空传输效率。

我们在Energous 官网上注意到了这一趋势,比如EN3913M就是一款高效的氮化镓功率放大器模块。Cesar Johnston说,尽管与CMOS器件46%左右的效率相比,氮化镓的效率高达80%,但其价格也相对更加昂贵,两者之间的关系应该是高度互补而非相互替代。

最后,尽管Cesar Johnston表示,获得不同国家的相关认证对Energous来说是最大的挑战,但幸运的是,目前,Energous 1W的PowerBridge 已经在中国,日本,韩国,北美,欧洲,英国,澳大利亚,新西兰以及印度这些全球主要市场获得批准。同时,Watt-Up技术加持的15W PowerBridge也已取得了FCC批准,比之前已获批准的1W PowerBridge在功率上又提升了一个大台阶,而且传输距离也有了进一步的提高。未来,Energous将会在端到端设备跟踪、电子标签以及物联网传感等应用上扩展更多不同功率等级的WattUp PowerBridge系统,用先进的无线充电技术赋能更多物联网应用。

文章来自:https://www.eet-china.com/