NFC可以无线充电了？

来源:电子工程专辑发布时间:2023-07-113660浏览

NFC(Near Field Communication，即近场通信)是一种采用电磁感应技术的快捷通信方式，同时还可以进行无线充电，是将数据传输和能量传输合二为一的新兴技术。继2020年推出“无线充电规范”(Wireless Charging Specification/WLC)之后，近日全球行业标准机构NFC论坛又公布了到2028年的路线图。据悉，相对目前5毫米的使用范围，NFC论坛的优先事项是将NFC技术扩大4-6倍，达到30毫米(1.18英寸)范围。
然而，更值得关注的是，该机构还计划将当前的NFC无线充电规范从1瓦提高到3瓦。当前，NFC技术已普及应用，其应用范围正在逐渐扩大，可以实现电子支付、身份认证、票务、数据交换、防伪等多种功能。而随着用于无线充电，NFC技术开始拥有了新的创新应用亮点。可以预见，随着越来越多微型低功耗物联网终端设备的广泛应用，未来NFC无线充电技术将成为重要的发展趋势。
体积最小的无线充电解决方案
NFC技术是一种非辐射电磁场技术，尽管因传输功率小而致使其在充电应用上存在劣势，但由于电磁感应以及磁共振技术比较成熟和完善，以及其他无线充电研究领域的进步与应用，比如天线形式的调整、电磁屏蔽问题的研究，使NFC无线充电技术成为可能，继而也成为最近几年的低功耗无线充电的创新应用的热点。

图源：意法半导体官网
目前，NFC技术是电子行业最普遍的技术之一。根据ABI Research 2022年的一份报告，85%的消费者使用NFC技术，近一半的人更喜欢使用手机或智能手表而不是免接触式银行卡进行支付。如今，这一普遍性的优势正推动NFC无线充电在移动设备上广泛应用，比如智能手表、蓝牙耳机以及其他可穿戴设备。
三年前，NFC论坛发布了新的无线充电规范(Wireless Charging Specification/WLC)，让智能手机或其他支持NFC的设备转变为“便携式充电站”。根据NFC论坛当时的解释，WLC标准支持在NFC的设备中使用一根天线来实现通信和充电功能的二合一，因此目前通过这个解决方案最高仅能实现1W的充电速度(WLC标准的无线充电支持250毫瓦、500毫瓦、750毫瓦和1瓦四种功率的传输等级)。这意味着支持NFC的设备可以在没有电缆的情况下为用小型电池供电的IoT设备无线充电。
而NFC论坛此次将NFC无线充电功率从1瓦提高到3瓦，将广泛用于智能手表、蓝牙耳机、数字手写笔、智能眼镜和其他设备无线充电。也就是说，我们将可以把蓝牙耳机放在支持NFC的智能手机上，或将有源数字手写笔放在其平板设备上，就可以实现NFC无线充电。
NFC无线充电的好处在于带有小型NFC天线的设备可以同时支持数据传输和无线充电两大功能，其优势体现在：1.充电方便;2.更好的可访问性，因为该方法消除了对电线的需要。
可靠性，因为没有连接器会被腐蚀;3.由于取消了电缆和一次性电池，减少了电子垃圾，从而提高了可持续性;4.更容易用于皮肤对金属敏感的人(高达15%的普通人对金属过敏);5.允许使用手机进行设备编程和配置。
整体来看，NFC无线充电技术发展方向是朝着降低干扰、增大通信距离、小型化的方向发展。特别是未来随着越来越多的物联网设备加入，尤其是越来越多的微型低功耗物联网设备的产生，出于小型化、终端设备外形等因素考量，NFC无线充电技术将成为一个重要的趋势。NFC论坛和行业分析师甚至预测，2023年采用NFC无线充电技术的产品大放异彩。
互补Qi标准的无线充电
尽管无线充电技术大范围应用主要在最近几年时间，但其实际最早可能要追溯至1978年美国人乔治·博格尔通过给电动汽车充电开启的无线充电用例。目前，无线充电技术已经应用于智能手机、平板电脑、智能手表、无人机等众多设备上。不过，一些无线充电技术是专有的，不具备互操作性，目标设备具有高功率要求，因此天线尺寸较大且物料成本高。
在此，特别要提一下另外一种基于Qi标准的无线充电技术。该无线充电技术是由无线充电联盟于2010年3月针对智能手机、平板等设备推出的“Qi”标准，也是所应用最广、普及度最高的无线充电技术。当前，该标准的无线充电技术主要应用于智能手机、平板电脑和其他更大尺寸产品，但其几何面积为10 cm²及以上的天线允许功率传输高达45瓦。
而NFC无线充电技术的天线尺寸约为1 cm²及以下，适用对象是完全不同的产品。它支持轻松集成，可以为小型电池供电设备(如耳塞、健身追踪器，以及其他可穿戴设备和物联网产品)提供合适的功率电平。

Qi标准无线充电技术和NFC无线充电技术对比图源：意法半导体官网
尽管“Qi”标准和NFC均采用电磁感应技术，但NFC无线充电具有三大优势：一是能量传输与数据传输在物理层的硬件电路上合二为一，特别适用于一些对充电功率要求不高的产品，如小型低功耗的物联网设备，可以在设计中省去传统的Qi充电线圈。
二是NFC无线充电技术天线尺寸相较于高功率的Qi标准的无线充电技术天线尺寸要小数倍。这主要由两者工作频率决定的，即Qi标准工作频率一般为125KHz，而NFC无线充电技术工作频率在更高的13.56MHz。因此，Qi标准天线尺寸设计一般需要10厘米甚至更长，但NFC无线充电技术天线尺寸则可缩小到1厘米以下。
三是基于NFC的工作原理，提供更大的能量驱动一些无源设备，满足越来越多的无源物联网的需求。实际上，早在2019年，业界就推出支持NFC无线接触式充电的设备，可使数据传输与充电同时进行，主要应用于操作简便、体积更小的可穿戴设备。
因此，从应用的角度，NFC无线充电实际上是补充了无线充电联盟的Qi无线充电标准，同时加强了整个无线充电生态系统：Qi专注于5W以上的无线充电;NFC无线充电目前主要满足250至1000mW的充电，预计2023年内将支持3W充电。
同时，Qi充电器通常还执行NFC卡保护。此外，该NFC接口可以为汽车钥匙扣等物品无线充电。对一些低功耗充电应用而言，NFC无线充电可带来应用优势并节省设计成本。
3W NFC无线充电的应用机遇
3W NFC无线充电打破了低功耗要求的小型设备(如耳塞和健身追踪器)对几何状天线尺寸的限制，即利用NFC技术进行无线充电可以在已经内嵌该功能的现有产品中实现，支持设备制造商简化现有产品的电子和机械设计并节约物料成本，也为终端用户带来额外的灵活性和便利性，届时可将智能手机作为备用电源，为其他支持NFC且电量不足的联网设备(如无线耳机)充电。而设备制造商只需配置其设备设置，并将NFC定义为设备的主要充电方式。
Zebra工程研究员、解决方案架构师、技术主管和NFC主题专家Marek Trusinski就表示，NFC无线充电可以作为一种补充的电源充电，一旦成熟到3W以上，就可以帮助解决许多企业市场的用例。这也是计划将NFC无线充电扩大到3W以上，甚至5W的原因之一，因为企业设备通常有更高的充电要求。
NFC无线充电依赖于充电发射器(NFC Forum规范中称为“Poller”)和功率接收器(也称为“Listener”)。Poller和Listener是NFC充电系统必不可少的组成部分，提供优化而高效的功率传输。Wired and Wireless Technology首席分析师Dinesh Kithany在其关于全球无线电力市场的最新报告中也预测，包括NFC充电在内的基于高频的无线充电市场将实现强劲增长，随着快速的采用，预计到2026年将有1亿台接收器。鉴于无线电力发送器单元的普及，例如支持NFC的智能手机以及/或者平板电脑，NFC充电的机会可能会使接收器单元的出货量增加一倍。
据悉，在手写笔应用上，通用手写笔计划(USI)与NFC论坛合作试行了NFC无线充电，并将之纳入其数字手写笔的规范中。USI是非专有的有源数字手写笔技术的领导者，也是唯一可用的开放数字手写笔标准。它是Google Chromebook的标准配置。

运用ST25读写器和标签实现NFC无线充电图源：意法半导体官网
目前，NFC无线充电领域的代表厂商有意法半导体(ST)、NXP、英飞凌、Panthronics AG等厂商。其中，意法半导体的ST25R NFC读写器和ST25DV-I2C NFC标签符合NFC Forum的无线充电技术规范要求，支持设计NFC无线充电解决方案。而Panthronics AG也在其产品线中增加了无线充电功能，其下一代系统解决方案包括NFC无线充电轮询器IC PTX130W和完全集成的监听器IC PTX30W。英飞凌也正在开发一种新的NFC无线充电一站式解决方案，重点是功率密度(接收功率/PCB尺寸)和系统功能的集成，例如热控制和电池充电。
当前，无线充电已经在智能手机上“内卷”起来，而NFC论坛计划将当前的NFC无线充电规范从1瓦提高到3瓦无疑也是一个重要的市场信号，特别是对NFC无线充电的芯片组而言机会意义重大。

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