無線電力傳輸?shù)闹庇^創(chuàng)新，第 1 部分

每當(dāng)一項(xiàng)新技術(shù)開始起飛時(shí)，都會(huì)不可避免地圍繞它展開一系列活動(dòng)——就像今天的無線電力傳輸 (WPT) 一樣。它可以同時(shí)令人鼓舞、有趣和有趣。大大小小的公司爭(zhēng)相參與新的淘金熱。

大多數(shù)第一波求財(cái)者最終都會(huì)被淘汰。他們將追隨施樂(以太網(wǎng)、鼠標(biāo)和激光打印機(jī)的發(fā)明者)、Commodore(家用電腦)、Olivetti(有史以來第一臺(tái)個(gè)人電腦)、Atari(視頻游戲機(jī))、Palm(便攜式無線設(shè)備)和 IBM(個(gè)人電腦)進(jìn)入落日。這些公司盡管規(guī)模和資源曾經(jīng)令人生畏，但未能適應(yīng)或理解創(chuàng)新的本質(zhì)。歷史將再次重演——再次提醒培育新技術(shù)：這與投資規(guī)模無關(guān)，或“走緊船”;這與外包、削減成本、裁員、最低報(bào)價(jià)、14 納米晶圓、“智囊團(tuán)”、“作戰(zhàn)室”、物流甚至傳統(tǒng)規(guī)劃無關(guān)。這是關(guān)于創(chuàng)新: 純粹而簡(jiǎn)單。不幸的是，它 并沒有整齊地包裝在一個(gè)棕色紙板箱中，由 OnTrac 送貨上門。否則我們都會(huì)變得富有，哈!

史蒂夫喬布斯正確地宣稱：“創(chuàng)新與你擁有多少研發(fā)資金無關(guān)。當(dāng)蘋果推出 Mac 時(shí)，IBM在研發(fā)上的支出至少增加了 100 倍…… 這是關(guān)于 你擁有的人，你是如何被領(lǐng)導(dǎo)的，以及你得到了多少”。再加上愛因斯坦令人難忘的話：“邏輯將帶你從 A 到 B。想象力將帶你到任何地方”。而據(jù)被認(rèn)為是邏輯大師的愛因斯坦所說，發(fā)展想象力的關(guān)鍵不是邏輯。他一直堅(jiān)持：“唯一真正有價(jià)值的是直覺”。這就是我們今天所需要的，以提升到 WPT 的下一步。這場(chǎng)比賽的獲勝者，最終將主宰 WPT 的人，將是用喬布斯的話來說，最終“得到它”的少數(shù)人——而且足夠早。當(dāng)然不是那些創(chuàng)建筒倉網(wǎng)絡(luò)的人，他們相信它以某種方式體現(xiàn)了企業(yè)效率，并不可避免地會(huì)打開通往創(chuàng)新、繁榮和不朽的閃亮之門。沒有那么快的克星!

對(duì)于試圖在 WPT 中取得快速進(jìn)展的潛在創(chuàng)新者來說，最好的前進(jìn)方式之一似乎是將來自類似或“相關(guān)”技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)有概念應(yīng)用于新成熟的領(lǐng)域。誠然，這有時(shí)可能會(huì) 奏效。至少過了一半!

例如，精明但不一定經(jīng)驗(yàn)豐富的系統(tǒng)工程師可能會(huì)認(rèn)識(shí)到，LLC 拓?fù)渲械拇蠖鄶?shù)概念都可以輕松應(yīng)用于無線電力傳輸。它們實(shí)際上是相同的 拓?fù)?。你只需?理性地)連接這些點(diǎn)來解決這個(gè)問題。這位作者早在 2013 年 10 月就通過電子郵件報(bào)告了這種一對(duì)一的等價(jià)關(guān)系，這可能是有史以來的第一次。然后，在 2014 年年中，再次通過公司技術(shù)講座。最后在今年年初的 ISSCC 2015 上。但有人真的在聽嗎?

這有助于強(qiáng)調(diào)一個(gè)事實(shí)，即相關(guān)領(lǐng)域的“先前經(jīng)驗(yàn)”可能對(duì)我們有利，也可能對(duì) 我們不利!它可以產(chǎn)生一種奇怪的直覺反應(yīng)——一種條件反射、不假思索、毫無疑問的反應(yīng)。這不僅可以來自我們內(nèi)部，也可以來自我們周圍的其他人。但最終還是一樣的結(jié)果!從長遠(yuǎn)來看，我們都需要一定的文化心態(tài)才能真正促進(jìn)和培育創(chuàng)新。

我們需要面對(duì)的基本問題是：像WPT這樣的新領(lǐng)域真的沒有經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師! 當(dāng) WPT 本身只有幾年的歷史時(shí)，你不能到處尋找具有 4-6 年 WPT 經(jīng)驗(yàn)的人!但有些人正是這樣做的，相當(dāng)令人驚訝。嗯!

無論如何，當(dāng)這些中堅(jiān)分子最終加入時(shí)，你可能會(huì)開始很快意識(shí)到，他們的標(biāo)題“經(jīng)驗(yàn)?zāi)晗蕖痹蕉?，他們就越不可能像喬布斯深情假設(shè)或希望的那樣“得到它”。確實(shí)是有條件的反應(yīng)——現(xiàn)在只是更多的條件反射，完全沒有反應(yīng)：沒有任何脈搏!當(dāng)基于數(shù)十年的經(jīng)典電源管理經(jīng)驗(yàn)時(shí)，這一點(diǎn)變得越來越明顯，該公司的關(guān)鍵工程領(lǐng)導(dǎo)幾乎不言自明地提出：“在 WPT 中，整體系統(tǒng)效率隨著開關(guān)頻率的增加而降低”，大概是由于更高的開關(guān)/交叉/過渡損失。是的，在傳統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換中確實(shí)如此。但我們很快就會(huì)看到，在 WPT 中情況正好相反!

營銷團(tuán)隊(duì)可以預(yù)見地完成這一切。很快，您可能會(huì)開始看到“令人興奮的”WPT 芯片路線圖隨處可見，并指出：“到 2017 年，我們新的 WPT 接收器芯片將消除開關(guān)損耗，這要?dú)w功于臺(tái)積電的新亞微米工藝”。是的，直接從 +0 到 -0!極好的!

不過，情況并非完全沒有希望。例如，如果工程主管至少在一天內(nèi)堅(jiān)持做工程師，并戴上合適的帽子并前往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行更改，他們可能很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)：在 WPT 中，效率隨著開關(guān)頻率的增加而降低減少!

原因是我們現(xiàn)在處于一個(gè)奇怪的諧振系統(tǒng)新世界 ，其本質(zhì)上具有微不足道的交叉損耗——利用軟轉(zhuǎn)換概念，如 ZCS(零電流開關(guān))和 ZVS(零電壓開關(guān))——如果執(zhí)行得當(dāng)當(dāng)然。因此，在較低頻率下，我們有更高的循環(huán)電流——僅僅是因?yàn)閷?dǎo)通時(shí)間更長，并且允許磁化電流分量在每個(gè)周期進(jìn)一步上升——從而獲得更高的 RMS 值。因此，在低頻下會(huì)有更高的 I 2 R(歐姆)損耗，而不是像飄逸的白胡子如此令人信服地宣稱的那樣。這幾乎就像一個(gè)反向開關(guān)損耗，具有反向頻率依賴性，但令人驚訝的是，它基于傳導(dǎo)損耗，我們一直認(rèn)為它與頻率無關(guān)。有趣的!

我們過去的經(jīng)驗(yàn)或由此產(chǎn)生的任何直覺都無法讓我們?yōu)榇俗龊脺?zhǔn)備。誰會(huì)本能地認(rèn)為我們實(shí)際上可以達(dá)到更高的頻率并提高效率?這似乎違背了“常識(shí)”，對(duì)吧?嗯，這是 LLC 和 WPT 的勇敢新世界。愛它或離開它!

愛因斯坦顯然詼諧地喊道：“如果事實(shí)不符合理論，那就改變事實(shí)”。

那么，我們現(xiàn)在是否應(yīng)該方便地說：初級(jí)應(yīng)用程序的家伙很爛?仔細(xì)想想，他的數(shù)據(jù)總是很可疑!下一次，請(qǐng)讓我們雇用更有 經(jīng)驗(yàn)的人!我們可以對(duì)視的人!哎呀!

拼命追逐耦合

在世界的另一個(gè)地方，一位“經(jīng)驗(yàn)豐富的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師”可能正在努力工作，他的任務(wù)是讓 WPT 系統(tǒng)效率超過 90%。整整一年過去了，在此期間，他一直在巧妙地創(chuàng)造出可以最好地描述為帶有線圈的鐵氧體車把。是的，要放在每一部手機(jī)里面!哦真的嗎?它將如何適應(yīng)?但顯然，這家伙 100% 致力于增加 WPT 發(fā)射器和接收器之間的耦合。他的后天直覺告訴他，糟糕的耦合是WPT效率仍然很低的原因。嗯!事實(shí)上，這實(shí)際上是一個(gè)普遍的誤解。不能只怪他!

健全性檢查怎么樣?確鑿的事實(shí)如下：典型的 AC-DC 反激式使用具有 99% 耦合(1% 泄漏)的變壓器，效率大致達(dá)到 78%。LLC 變壓器具有 10-30% 的泄漏(耦合低至 60%)，并且通常立即獲得超過 90% 的效率。那么，耦合是真正的問題嗎? 邏輯?

回到我們高中的物理課上，我們了解到能量永遠(yuǎn)不會(huì)在純電抗中丟失。它只能存儲(chǔ)。是的，如果我們不知道如何使用該能量，或者如何回收它，我們將自愿或非自愿地將其耗散在寄生電阻中，這肯定會(huì)影響效率。

現(xiàn)在，我們不要忘記漏感也是電抗，因此，根據(jù)定義，我們也不能在其中損失能量。因此，耦合本身不是問題。不是直接的。事實(shí)上，在 LLC/WPT 等諧振系統(tǒng)中，我們實(shí)際上利用漏電感來發(fā)揮我們的優(yōu)勢(shì)，將未使用的存儲(chǔ)能量推回直流電源軌。那么，對(duì)我們有用的東西怎么會(huì)同時(shí)對(duì)我們不利呢?好吧，理論上，我們恢復(fù)了泄漏中存在的所有能量!在實(shí)踐中，由于沒有完美的回收過程，我們確實(shí)會(huì)在寄生電阻(包括二極管壓降等)中損失一小部分存儲(chǔ)的能量。但這要怪基爾霍夫。它不應(yīng)該掩蓋我們真正的 需要做的是提高效率。