采用多模設計無線充電兼顧效率與便利性

　　兼容不同無線充電技術優(yōu)勢的多模方案將成未來主流。針對當前無線充電技術尚無統(tǒng)一標準，且各標準陣營在技術上各有優(yōu)缺點，業(yè)界已興起采用多模方案以解決不同標準間的兼容問題，并讓無線充電產品可提供兼具充電效率與空間自由度的使用體驗。

　　無線充電技術的解決方案，包含磁感應（MI）和磁共振（MR） 兩種技術，不論消費市場的走向為何，無線充電已成為必然趨勢。接下來的幾年內，無線充電主要將由手機廠商推動，并開始滲透手機市場；隨后，生態(tài)系統(tǒng)健全的計算機市場將會跟進，并帶來無線充電技術的成長，自此開始，無線充電將發(fā)展為支持手機及計算機的解決方案。當前已有許多針對無線電源采用率及潛在總體有效市場（TAM）之報告與研究，但要提供準確的市場信息并不容易，因為在這些預測中，采用率和技術的選擇是關鍵參數(shù)。磁感應技術主要有兩種標準：無線充電聯(lián)盟（WPC）和電力事業(yè)聯(lián)盟（PMA），這兩種標準皆已相當成熟，且消費市場已有多種使用中的產品。

　　無線電力聯(lián)盟（A4WP）是磁共振的第一個標準，值得注意的是，英特爾（Intel）的磁共振無線充電技術是為自有的超輕薄筆記本電腦和生態(tài)系統(tǒng)設計；其他如在工業(yè)及軍事領域已建立其地位的PowerbyProxi和WiTricity也開始進入消費市場。

　　要解答標準和解決方案對無線充電技術未來方向的影響，首先須了解MI和MR技術上的不同，完全理解并熟悉應用/系統(tǒng)的需求后，就可選擇特定應用的解決方案。

　　解決電池容量瓶頸 無線充電應用抬頭

　　移動解決方案率先于消費市場采用無線充電技術。因為有長程演進計劃（LTE）技術，通訊速度和帶寬至少在未來幾年內不會遇到瓶頸。方便性是消費市場中推動移動解決方案的關鍵要素之一，不同的移動解決方案，如手機、平板計算機、多媒體播放器和移動電視等，需要不同的變壓器和連接器接口，因此要為移動裝置充電，須要攜帶很多連接器和變壓器，若有通用的無線變壓器加上完整基礎設施和生態(tài)系統(tǒng)，就可滿足此需求，在汽車、咖啡店、圖書館、餐廳、火車、飛機、辦公室、會議廳等地點都能隨時無線充電，可帶來眾所期盼的方便性。

　　每2年移動解決方案的外觀、性能和各種功能便會升級，而這些升級迫使電源需求、連接器和接口產生變化，因此需要新的變壓器。這些變化和升級也因淘汰和棄置現(xiàn)有變壓器而造成浪費，若能免去各種變壓器和連接器并采用標準無線充電，將能協(xié)助減少電子廢棄物，并提升移動設備的“綠色資歷”。

　　另一個重要因素是移動解決方案的技術升級，如采用 1，080p和3D等顯示技術。移動解決方案將增加采用高解析的顯示技術，該顯示技術受到高效能圖形控制器和多核心中央處理器（CPU）的支持；此外，整合日益增加的各種移動解決方案技術，包括3D全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）解決方案、高效能影音技術、近距離無線通信（NFC）技術、可攜式電視及高效能游戲，這些功能將會提高裝置電池電源的需求。

　　移動解決方案的電源通常是鋰離子（Li-ion）聚合物電池，其能源密度達到飽和已經數(shù)年。鋰電池在技術升級和向不同金屬轉移所提升的效能和壽命，已無法滿足增加的電源需求，同時電池必須維持在小尺寸，以符合移動解決方案的應用需求。因為單位體積的電池容量已達極限，解決方案將須要達到更高的電池容量，或提高充電頻率。

　　在移動解決方案尺寸縮小的同時，較高容量的電池將影響解決方案整體尺寸和成本；另外須要注意的是，較高容量的電池需要更快速的充電效率，而在維持電池生命周期和所需壽命條件時會產生化學變化，因此，提高充電效率似乎是更顯而易見的解決方案。

　　技術原理影響MI/MR應用領域

　　任何一種須使用電力的應用都可能采用無線充電方案，然而要如何選擇采用MI或MR無線充電技術，則須要先檢視二者的基本原理。

　　MI 和MR在技術架構上有很多相似之處，例如兩者皆使用磁場做為電力傳輸?shù)臉蛄?，同時電流都會在共振電路感應，產生傳輸電源的磁場。磁力參數(shù)對電磁場如何形成有深遠的影響；磁通量可藉由直接使用電磁防護和/或變更磁芯的實際形狀加以控制。磁通量的密度和容量則可藉由改善電磁場防護的穿透性加以提升（圖1）。

　　圖1　無線充電磁場

　　成本和厚度是選擇適當電磁防護的關鍵因素。電流場接收和傳輸線圈的排列，和兩者間的距離，將決定電力傳輸?shù)男剩粋鬏敽徒邮站€圈的距離越大，電力傳輸?shù)男试降汀Ｆ渌麑δ芰總鬏斝视兄卮笥绊懙囊蛩?，還包括共振頻率、傳輸及接收線圈尺寸比例、耦合系數(shù)、線圈阻抗、集膚效應、交流（AC）及直流（DC）組件和線圈的寄生。

　　當x、y和z分離且傳輸及接收線圈的比例角增加時，將對能量的損失和效率產生很大影響。在WPC規(guī)格中，對接收器（Rx）線圈在傳輸器（Tx）上的位置有特定需求，以維持其效率，并達到兩線圈間最高耦合系數(shù)。但在MR技術方面，擺放位置具有自由度，并可在磁場中放置單一或多個裝置，可讓用戶更為便利；然而，當耦合裝置間的間隔距離增加時，對傳輸效率亦將會產生影響。

　　依照不同需求，包含成本和尺寸的考慮，所有的無線充電技術皆能使用單一或多個線圈解決方案。依據WPC和PMA規(guī)格的MI技術，傳輸電力的頻率范圍很廣。電力傳輸?shù)墓舱耦l率會依負載阻抗選擇，因為此變量與MR解決方案相比，Q系數(shù)相對較低，僅能在指定的頻率和負載阻抗，達到最佳效率。

　　對MR技術而言，因為電力只能由特定共振頻率傳輸，因此Q系數(shù)較大，且需要接收器和傳輸器間極相近的共振阻抗網絡匹配。在MR和MI技術中，匹配網絡參數(shù)的變量須要嚴格控制，因為會直接影響電力傳輸。

　　在WPC 1.1標準中，可于100k-205kHz的范圍中選擇共振頻率。在PMA的情況類似，其頻率范圍為277k-357kHz。然而，近期頻率范圍已有變更，現(xiàn)在取決于輸入供電電壓。這些解決方案中，典型的Q系數(shù)范圍為30-50（圖2）。

　　圖2　Q系數(shù)百分比

　　在A4WP規(guī)格的解決方案中，因為頻率固定，傳輸器和接收器間的共振頻率和阻抗網絡需要更為精準匹配。典型的MR解決方案與MI解決方案相較，需要較高的Q系數(shù)（50-100）。

　　電源管理影響無線充電效能

　　高效能電源管理架構的發(fā)展，對MR和MI解決方案成功的建置有重大影響。對傳輸器而言，為了在共振電路感應電流，須進行DC到AC的轉換，在MI技術中，會在此轉換使用半橋或全橋變頻器；而在MR技術中，是透過功率放大器（PA）感應電流。

　　功率放大器的架構和分類會因各應用的頻率、靜態(tài)電流、效率、尺寸、成本和整合需求而有不同，轉換時須謹慎考慮如何降低閘極驅動器損失、切換、導電、偏壓、內接二極管損失，以及外部組件等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感的寄生（ESL）。這些是開發(fā)高效能整合解決方案所遭遇的部分重大挑戰(zhàn)。

　　根據輸入電壓需求和設計架構流程，制程選擇對整合型解決方案優(yōu)化有重大的影響。系統(tǒng)中有多個控制循環(huán)，而完整控制循環(huán)的穩(wěn)定性對高效能解決方案的整體效果有非常大的影響。在MI和MR技術中，可藉由有效的電源管理達到相近的效能和效率。

　　整合藍牙通訊機制 無線充電管理更精準

　　為成功傳輸電力，傳輸器須辨識正確的耦合接收器。在WPC和PMA解決方案中，傳輸器會定時發(fā)出檢測信號以搜尋接收器；找到接收器后，即開始進行電力傳輸。這些解決方案以固定的頻率調變進行通訊。其他通訊方法包括振幅、功率、電流和脈沖寬度調變（PWM）。如果傳輸端和接收端間相符的網絡可容忍較大頻率變化，則可選擇使用這些選項。

　　因為在A4WP磁共振解決方案中，發(fā)射及接收端間的網絡緊密匹配，所以無法使用頻率調變；然而，若負載固定，則可使用振幅調變；如果接收器效能不會被影響，則可使用功率和電流調變。在移動應用中，負載依功能需求有所不同，如果根據上述調變方式開發(fā)解決方案可能有困難，且不符尺寸及成本效益。

　　A4WP選擇藍牙（Bluetooth） 或ZigBee做為通訊的標準方法，這些方法非常便利，因為已經存在于移動解決方案中，透過辨識多個接收器，讓傳輸器進行電力傳輸亦非常便利。然而，要達到這些目的，也可選擇其他類似的方法。此外，通訊也可用于通知電力傳輸?shù)臓顟B(tài)，如異物檢測（FOD）、耦合狀態(tài)，甚至校準引導信息（AGI）。磁場中金屬異物可能因材料導電性導致溫度上升，這是一個非關技術的潛在問題。

　　除了上述原因之外，如負載反射效果、電流感應和調變及解調時機，以及它們在封閉循環(huán)系統(tǒng)的影響，是協(xié)助維持系統(tǒng)穩(wěn)定性并確保成功通訊的關鍵。

　　其他挑戰(zhàn)包括符合法規(guī)，如加州環(huán)保協(xié)會（CEA）和美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）第15和18條的規(guī)定，也可能影響系統(tǒng)的整體效率。

　　MI/MR特性大不同 應用需求為選用依據

　　合理的結論是，最適合特定應用的潛在解決方案，將取決于所需要的功能和效能。比方說當無線充電系統(tǒng)需要可在X、Y、Z方向自由放置，或對多個裝置同時充電，則磁共振可能會是較佳的解決方案；但如果系統(tǒng)有高效能效率需求，且必須符合嚴格的標準，則WPC規(guī)格的解決方案可能是理想選擇。

　　然而，毫無疑問地，能夠完美辨識耦合磁感應或磁共振裝置，并有效傳輸電力的多模式解決方案，將是此類應用的理想解決方案。