MI/MR規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化　無線充電產(chǎn)品加速普及

　　磁感應(yīng)(MI)與磁共振(MR)是實(shí)現(xiàn)無線充電的兩大技術(shù)類型，各自擁有不同的技術(shù)特性與優(yōu)勢;近期在無線充電聯(lián)盟(WPC)與AirFuel聯(lián)盟大舉推動下，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展已更趨完整，晶片方案也陸續(xù)出籠，可望擴(kuò)大無線充電應(yīng)用普及。

　　無線充電在最近加緊腳步進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、策略結(jié)盟和技術(shù)整合之前，市場一直處于紛亂局面。這個市場的規(guī)模預(yù)估在接下來的幾年會達(dá)到幾十億美元的產(chǎn)值，而由于開發(fā)、整合相關(guān)解決方案所需的資源和知識十分可觀，該市場已經(jīng)成為少數(shù)幾家一線公司的天下。

　　無線充電助臂力　網(wǎng)路生活好Easy

　　實(shí)體線纜是很不好的。它們會磨損或斷裂，連接處亦會松脫或受損，更別提人為疏忽、遺失或讓人被絆倒。此刻當(dāng)我們嘗試擺脫線纜時，在此之前，重心是放在無線數(shù)據(jù)上，主要是由無線乙太網(wǎng)路和藍(lán)牙所驅(qū)動。

　　盡管無線化有許多潛在和明顯的好處，歷史顯示，無線技術(shù)被市場接受需要時間醞釀。乙太網(wǎng)路在1973年發(fā)明的時候，原本是要作為無線通訊技術(shù)，因此才稱為乙太(Ether)，但早期的作法卻只用電纜，且持續(xù)了至少20年。

　　無線電源領(lǐng)域的鴻溝更是大得多了。無線電源的歷史可往回追溯到1831年，當(dāng)時Michael Faraday發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)。這技術(shù)在1891年Nikola Tesla以電感和電容耦合，成功實(shí)現(xiàn)無線電源傳輸后再次興起，然后就沒動靜了。

　　在整個20世紀(jì)，我們都忙于用半導(dǎo)體來取代閥門、將人類送上外太空、和一頭栽進(jìn)全球資訊網(wǎng)(World Wide Web)。

　　2006年麻省理工學(xué)院(MIT)研究人員的報告指出，他們發(fā)現(xiàn)一個有效率的方法，可在距離幾公尺的線圈之間傳輸電力。這個由Marin Solja?i?所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)用理論說明，他們可以利用共振來增加線圈之間的距離。

　　在21世紀(jì)之初，行動計(jì)算快速發(fā)展。消費(fèi)者可攜帶行動裝置，其計(jì)算功能比起20年前他們的桌上電腦要強(qiáng)大許多。網(wǎng)際網(wǎng)路變得無所不在，無線連結(jié)變得成熟，消費(fèi)者可在行動間收發(fā)電子郵件和上網(wǎng)通訊，一直到行動裝置電源用盡為止。

　　沒有了電源，我們21世紀(jì)的行動裝置用戶變得綁手綁腳的，非得要到有電源插座的墻壁，插入電源線充電，然后才可再繼續(xù)他們毫無顧忌的行動生活。

　　電源線就算尚未走到死胡同，也快要到盡頭了，至少就行動裝置充電的角度而言是如此。無線充電就要成為人們所想要的行動裝置充電方式，這些裝置包括智慧型手機(jī)、平板電腦以及話機(jī)/平板混合體，亦稱為“平板手機(jī)(Phablet)”。

　　確立標(biāo)準(zhǔn)互通性　無線充電市場百花盛開

　　無線充電的成功將會建基于高科技和實(shí)用主義的組合。無需電源線的電力傳輸所帶來的挑戰(zhàn)已獲得解決且正快速演化中，需要簡化、安全性、可靠度、和單純的方便性，以確保一旦消費(fèi)者了解到這些好處時，至少永遠(yuǎn)不必?fù)?dān)心忘了帶充電器或電源線，能對此產(chǎn)品做廣泛的采用，使其遍地開花。

　　早期的無線充電系統(tǒng)通常是在售后市場上銷售，但常被視為某種科技玩具，不是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)接器和電源線的可行替代品。當(dāng)時市場上販?zhǔn)鄣南到y(tǒng)相當(dāng)笨重，體積也大，且行動裝置須先插入充電套才可放置在充電墊上充電。零售價格也很高，通常一個完整的系統(tǒng)要超過100美元，且消費(fèi)者需要隨身攜戴這個充電器，還得小心地看護(hù)著它。當(dāng)時無線充電未被采納，因?yàn)槭褂蒙咸环奖?。相較之下，電源線在當(dāng)時就是比較簡單、比較輕，也比較便宜。

　　這個技術(shù)若要成功，那么優(yōu)雅且平價的技術(shù)解決方案和市場接受度就成了關(guān)鍵的先決條件。市場接受度提高，吸引更多供應(yīng)商進(jìn)入此市場，增加創(chuàng)新，最終驅(qū)使成本下降到市場可廣泛接受的程度。歷史已向我們顯示，在市場形成的初期階段，競爭性的解決方案和標(biāo)準(zhǔn)，無論是正式定義的或現(xiàn)狀的，對產(chǎn)生所需的接納度是很具關(guān)鍵性的。一旦一致性的標(biāo)準(zhǔn)存在了，且制造商和標(biāo)準(zhǔn)之間的互通性確立了，市場的成長就會加速得更快。

　　IHS Technology在2014年發(fā)表其無線電源報告時，預(yù)測無線電源傳輸器和接收器的出貨金額會從2013年的2億1千6百萬美元上升到2018年的85億美元，幾乎增長40倍(圖1)。

　　圖1　無線電源傳輸器和接收器的全球市場營收分析(單位：百萬美元)

　　無線充電標(biāo)準(zhǔn)大亂斗

　　如同許多其它新興市場一樣，整合之前總有分歧(例如VHS和Betamax之間的錄影帶格式大戰(zhàn))，而無線電源也不例外;但跡象顯示，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整與整合已出現(xiàn)曙光。

　　主要的市場參與者，包括軟體和零組件公司、手機(jī)制造商和網(wǎng)路營運(yùn)商，攜手合作開發(fā)所需的標(biāo)準(zhǔn)，使不同制造商的充電系統(tǒng)和行動裝置之間的互通性得以實(shí)現(xiàn)。

　　早期有三個主要的集團(tuán)爭奪無線電源的領(lǐng)導(dǎo)地位，它們是無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium, WPC)、無線電力聯(lián)盟(The Alliance For Wireless Power, A4WP)、以及電力事業(yè)聯(lián)盟(The Power Matters Alliance, PMA)。在2014年初，A4WP和PMA同意聯(lián)手合作，并于2015年6月1日通過這兩個集團(tuán)董事會的投票通過。接著在2015年的11月12日，一個新合并的標(biāo)準(zhǔn)組織宣告成立，其名稱為AirFuel Alliance。

　　AirFuel Alliance目前有超過195個成員，其董事會成員公司包括AT&T、博通(Broadcom)、金頂(Duracell)、偉創(chuàng)力(Flextronics)、吉爾電子(Gill Electronics)、Integrated Device Technologies(IDT)、英特爾(Intel)、聯(lián)發(fā)科(MediaTek)、安森美(ON Semiconductor)、Powermat Technologies、高通(Qualcomm)、三星電子(Samsung Electronics)、三星電機(jī)(Samsung Electro-Mechanics)、升特(Semtech)、星巴克(Starbucks)、WiTricity。

　　該無線充電聯(lián)盟目前則擁有227個成員，其管理董事會/指導(dǎo)委員會系由下列公司所組成：無線聯(lián)電科技(ConvenientPower)、Delphi Automotive Systems LLC、DongYang E&P、飛思卡爾(Freescale)、Fulton Innovation、海爾(Haier)、HTC、IDT、禮恩派(Leggett & Platt)、樂金(LG)、微軟(Microsoft)、諾基亞(Nokia)、松下(Panasonic)、飛利浦(Philips)、PowerbyProxi、Qualcomm、羅姆(ROHM)、三星(Samsung)、索尼(Sony)、意法半導(dǎo)體(ST)、德州儀器(TI)、東芝(Toshiba)、威瑞森(Verizon)。 磁感應(yīng)充電技術(shù)

　　實(shí)質(zhì)上，磁感應(yīng)(MI)充電背后的原理和技術(shù)和今日全世界十幾億人口所使用的開關(guān)模式電源(SMPS)非常類似。

　　在最簡單的形式下，交流電源電壓進(jìn)入無線發(fā)射器/充電器，并經(jīng)由整流器轉(zhuǎn)換成直流電。然后被“切碎”成高頻交流訊號。MI充電頻率通常介于100k～200kHz。

　　在傳統(tǒng)的SMPS中，此高頻交流波形接著被傳送到磁耦合變壓器，以便于再次整流電壓以供應(yīng)直流負(fù)載之前，改變電壓的電平。

　　或許最容易瞭解這些相似性和差異性的說法是，在SMPS中，變壓器是個單一組件，由鐵或氧化鐵所制造的一次側(cè)與二次側(cè)組成。在MI中，電壓器是分離的。

　　一次側(cè)是發(fā)送器/充電器的一部分，二次側(cè)則內(nèi)建于接收器之中，而這接收器就是被充電的行動裝置。

　　明顯的差異是，在MI中，是一次側(cè)和二次側(cè)之間的耦合是在空氣中進(jìn)行，且在這兩個磁場之間的耦合是很松散的。但是，當(dāng)符合某些基本條件時(充電器和設(shè)備的間距、線圈大小和相對于線圈大小的線圈之間的距離)，就會產(chǎn)生良好的耦合，進(jìn)而便輸送電力(圖2)。

　　圖2　經(jīng)由磁感應(yīng)充電的電力移轉(zhuǎn)基本原理

　　MI充電依賴實(shí)體充電器(通常是充電墊的形式)。要充電的裝置被放置在這個墊子上，當(dāng)充電器偵測到這個裝置時就會開始充電。

　　根據(jù)WPC的說法，運(yùn)作MI充電器的傳輸線圈，其頻率與接收器的共振頻率稍為不同，可確保最高的電源和效率。但也因此使得傳輸和接收線圈非常必須非?？拷?，且線圈與受電端對齊的情況會對充電效果產(chǎn)生明顯影響。在使用時，這個裝置必須被很小心地放置好，且在充電過程中不可被碰撞到。使用多重線圈傳輸器可降低這個敏感性，且也可同時對多個行動裝置進(jìn)行充電。

　　比較磁感應(yīng)與磁共振堆疊方式

　　在無線充電領(lǐng)域中，有兩個新興的基礎(chǔ)技術(shù)，即先前描述的磁感應(yīng)和磁共振(MR)。在這無線充電領(lǐng)域中，有兩個相互競爭的優(yōu)先考量，且在某種程度上，何種方案較為理想要視應(yīng)用需求而定。

　　將這兩種方法用一個簡單的比較來說明在應(yīng)用中主要的差異：磁感應(yīng)需要緊密耦合，且當(dāng)X/Y位移在最小時，可獲得最高的效率。然而，磁共振可有較好的空間自由度，雖然無法與磁感應(yīng)的最佳效果相比。下面圖3證明這個差異，顯示MI的“集中性”和相對于MR的“寬闊性”。

　　圖3　磁感應(yīng)技術(shù)在位移最小時可獲得較大的效率水準(zhǔn)。磁共振即使在傳送器和接收器緊密靠在一起時，也無法獲得和磁感應(yīng)相同的效能，但當(dāng)位移增加時，其效率不會像磁感應(yīng)那么快速下降。

　　基礎(chǔ)設(shè)施/用戶齊成長　無線電源商機(jī)大噴發(fā)

　　無線充電技術(shù)的易得性和易用性，將會在市場普及過程中扮演重要角色。易得性與易用性不只影響終端裝置使用者，也會影響原始設(shè)備制造商(OEM)將此技術(shù)整合到家具、汽車、機(jī)場、咖啡廳、火車和其它類似場合的意愿。

　　雖然電池技術(shù)正在快速演進(jìn)，使用者需求和對行動裝置的依賴也不斷增加，因此對“移動中”充電的需求也必定將增加，舉例來說，當(dāng)行動裝置變成主要的購物付款工具時，就會變得不可或缺了。然而，制造商、零售商和服務(wù)業(yè)者會在使用者族群夠大之前不斷投資建立充電站，以便吸引更多用戶使用嗎?設(shè)備制造商會將充電線圈包含在其行動裝置中，直到消費(fèi)者可很容易接觸到這些充電站嗎?基礎(chǔ)設(shè)施和用戶群必須一起成長，才可實(shí)現(xiàn)無線充電的價值。

　　檢視最近的產(chǎn)品公告，我們會發(fā)現(xiàn)在這方面的投資和接受度正在增加，也許比我們最初預(yù)期的要快得多。Qi充電已于2012年9月整合在Nokia Lumia 820和920產(chǎn)品中。這個充電技術(shù)亦已存在于Google/LG的Nexus 4產(chǎn)品、摩托羅拉(Motorola) Mobility的Droid 3和4的產(chǎn)品、以及HTC的Droid DNA產(chǎn)品中。將無線充電包含在產(chǎn)品中的趨勢進(jìn)入到2013年時，加入了三星(Samsung)Galaxy S4和Google與華碩合作的Nexus 7以及與LG合作的Nexus 5產(chǎn)品中。

　　帶動穿戴裝置風(fēng)潮的Apple Watch也包含了無線充電，且2015年稍早時，三星宣布旗艦S6、S6 Edge和S6 Edge+產(chǎn)品包含與Qi和PMA相容的無線充電技術(shù)，這是通用相容性的開端。

　　在充電這一端，三星已經(jīng)將一個以Qi為基礎(chǔ)的無線充電功能整合到他們最新的LED監(jiān)視器中。行動裝置放于監(jiān)視器支架上，可在你觀看時、工作時或上網(wǎng)時充電。

　　當(dāng)這進(jìn)展變得快速且明確并走上加速的途徑上，預(yù)估的指數(shù)增長需要大量OEM的支持，而不只是“一級”公司的支持。理想的情況是，對此技術(shù)的接觸將大眾化到許多的小公司，且最終達(dá)到消費(fèi)者本身。

　　一些主要的參與者正致力于這大眾化的過程。IKEA正在銷售內(nèi)建此科技的家具。

　　更有趣的是，他們還提供相關(guān)安裝套件，讓消費(fèi)者可以自行把充電墊安裝在任何地方。這樣的作法可為無線充電的大眾化增加動力。

　　模組化解決方案的容易取得也可讓小型家具供應(yīng)商、餐廳老板、圖書館，以及一整串的其他業(yè)者，在沒有技術(shù)專長的情況下整合這個技術(shù)，而無線充電發(fā)展的唯一限制將是人們的想像力。

　　目前市場上已有業(yè)者，如IDT宣布推出一系列的即插即用套件。這些預(yù)先設(shè)定組態(tài)的傳送器和接收器建構(gòu)于經(jīng)市場驗(yàn)證的IDT無線電源半導(dǎo)體上，且包括容易使用的參考印刷板和廣泛的支援材料。這些套件讓公司整合無線充電變得容易、實(shí)用且負(fù)擔(dān)得起，無需投資即可獲得公司內(nèi)部的無線技術(shù)相關(guān)知識。

　　事實(shí)上，無線充電晶片商已投注大量資源做自我提升并移除了此技術(shù)和市場的進(jìn)入壁壘，并將他們的知識、專業(yè)和市場領(lǐng)先的技術(shù)內(nèi)建到簡單的模組，使幾乎所有的人皆可受惠使用。利用這些解決方案，在大約200秒內(nèi)，一位工程師就可成功地將一套經(jīng)由金屬支架插角充電的頭戴耳機(jī)轉(zhuǎn)換成一套無線充電的頭戴耳機(jī)。

　　這些套件所包含的介紹影片、使用者手冊、異物檢測(FOR)調(diào)整指南、布局指南、布局實(shí)例化模組、原理圖、物料清單(BOM)、Gerber檔案和其他項(xiàng)目，讓建立新應(yīng)用變得比較簡單和更快速。此外，這種高整合方案使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者，在與早期以離散組件構(gòu)成的無線充電系統(tǒng)的比較上，能夠獲得大量物料和工程成本的節(jié)約。