無線充電技術(shù)優(yōu)劣分析：誰技高一籌即將勝出？ - 全文

在無線電源技術(shù)的發(fā)展上，針對(duì)理想解決方案的使用方向，最近開始出現(xiàn)了一些疑問。磁感應(yīng)（Magnetic Induction）或磁共振（Magnetic Resonance）兩者都可被考慮用于消費(fèi)性市場，而不論消費(fèi)性市場采用了哪一種技術(shù)，都意謂無線充電方式的使用即將實(shí)現(xiàn)。在接下來幾年內(nèi)，我們將會(huì)看到此種現(xiàn)象從移動(dòng)電話市場的生態(tài)系統(tǒng)開始普及，這主要得力于移動(dòng)電話業(yè)者的大力推動(dòng)。

接下來，運(yùn)算產(chǎn)業(yè)及其本身強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)隨之普及，并因而促使無線充電技術(shù)使用的下一階段成長。屆時(shí)此種無線電源技術(shù)很可能會(huì)擴(kuò)展至支持移動(dòng)電話與運(yùn)算解決方案的基礎(chǔ)設(shè)施中。這些使用情況，只是無線電源技術(shù)被運(yùn)用于未來架構(gòu)及解決方案的開端而已。

目前已有許多有關(guān)無線電源技術(shù)采用率及潛在總市場值的報(bào)告及市場研究。在這些預(yù)測報(bào)告中，采用率及技術(shù)的選擇是主要的變量，因此要提供準(zhǔn)確的市場信息就成為極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。就磁感應(yīng)技術(shù)而言，目前主要有兩種現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)：無線充電聯(lián)盟（WPC）及電力事業(yè)聯(lián)盟（PMA）。這兩種標(biāo)準(zhǔn)已相當(dāng)成熟，而且在消費(fèi)性市場上已有許多產(chǎn)品在使用中。

無線電源聯(lián)盟（A4WP）則是第一個(gè)基于磁共振的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)該注意的是，英特爾的無線充電技術(shù)也是基于磁共振原理，英特爾是將目標(biāo)放在超輕薄筆記本電腦以及自己的生態(tài)系統(tǒng)上。其他像是Power by Proxy及無線電力都已在工業(yè)及軍用應(yīng)用上建立它們各自的地位，且現(xiàn)在也開始滲透至消費(fèi)性市場。

針對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)及解決方案，我們不禁會(huì)有所疑問，究竟哪一種無線電源技術(shù)方向能持續(xù)下去，以及哪一種解決方案是最理想的采用方案？在我們解答這些問題之前，很重要的是，首先要試著去了解磁感應(yīng)與磁共振技術(shù)之間的根本差異為何。之后再根據(jù)這些了解，以及應(yīng)用/系統(tǒng)的需求，才能針對(duì)特定應(yīng)用選擇正確的解決方案。

行動(dòng)設(shè)備解決方案

在消費(fèi)性市場上，首先采用無線電源解決方案的是行動(dòng)產(chǎn)品。每隔兩年，行動(dòng)產(chǎn)品的造型外觀、效能及特點(diǎn)便會(huì)有所升級(jí)及改變。這些升級(jí)，迫使電源需求、連接器與接口必需隨之改變，結(jié)果就是必需更換使用新的轉(zhuǎn)接器。這些變更與升級(jí)造成現(xiàn)有的轉(zhuǎn)接器無可避免地被淘汰及棄置，形成浪費(fèi)。消除使用各種不同的轉(zhuǎn)接器及連接裝置的需求，進(jìn)而使用標(biāo)準(zhǔn)的無線充電設(shè)備，將有助于減少電子廢棄物，并能改善行動(dòng)設(shè)備的「綠色履歷」。

在我們的生活周遭，使用電力的每一種應(yīng)用都可能成為采用無線電源技術(shù)的潛在候選人。為了回答哪一種特定應(yīng)用應(yīng)該使用哪一種無線技術(shù) - 磁感應(yīng)或是磁共振？何者對(duì)其而言是最佳技術(shù)，我們必須回顧每一種技術(shù)的基本原理。

圖一 ： 無線充電器系統(tǒng)：發(fā)射器及接收器方塊圖

磁性技術(shù)比較

磁感應(yīng)與磁共振技術(shù)兩者在架構(gòu)上有許多相似之處。例如，兩者皆使用磁場做為傳遞電源的橋梁。

在這兩種技術(shù)中，電流被導(dǎo)入至諧振電路中，進(jìn)而產(chǎn)生磁場來傳遞電源。磁性規(guī)格對(duì)于電磁場的形狀成形有著很大的影響。磁通量可以被抑制和/或使用電磁屏蔽來定向和/或塑造磁芯的實(shí)際尺寸。磁通量密度和抑制可藉由改善電磁屏蔽的磁導(dǎo)率而有所改進(jìn)。成本與厚度是選擇適當(dāng)電磁屏蔽的關(guān)鍵因素。

在磁通量場中接收與發(fā)射線圈的校準(zhǔn)，以及介于兩者之間的距離將決定能量如何有效地傳遞；發(fā)射與接收線圈之間分隔的距離越大，將導(dǎo)致電源傳遞越無效率。諧振頻率、發(fā)射線圈對(duì)接收線圈在尺寸上的比率、耦合系數(shù)、線圈阻抗、集膚效應(yīng)、交流與直流元素，以及寄生線圈，則是顯著影響能量有效傳遞的其他因素。

圖二 ： 耦合位移效應(yīng)實(shí)測圖

x、y與z軸的分離，以及發(fā)射與接收線圈間的比例角度增加時(shí)，則產(chǎn)生的損耗及效率將會(huì)受到很大的影響。

在WPC的規(guī)范中，對(duì)于發(fā)射器上的接收線圈位置有著特定的要求，藉此解決效率的問題。這需要由用戶進(jìn)行校準(zhǔn)，以最大化兩個(gè)線圈間的耦合系數(shù)。在磁共振的例子中，可以自由擺放，以及可在磁通量場中放置單一或多個(gè)設(shè)備的能力，使得此種技術(shù)得以為用戶創(chuàng)造更多的便利性。然而，我們也必需了解，當(dāng)兩個(gè)耦合設(shè)備間的分隔距離增加時(shí)，對(duì)于傳遞效率也會(huì)有所影響。

根據(jù)成本與尺寸考慮等各種需求，可以在所有技術(shù)中使用單一或多重線圈解決方案。

在 WPC 與 PMA 規(guī)范的磁感應(yīng)技術(shù)下，電源能以廣泛的頻率范圍進(jìn)行傳遞。而電源傳遞的諧振頻率則是根據(jù)負(fù)載阻抗而決定。由于這樣的變異性，Q值在與磁共振相較下，顯得相對(duì)較低。因此唯有在選定的頻率及負(fù)載阻抗下，方能得到最佳的效率。

在磁共振技術(shù)中，由于電源僅在一定的諧振頻率之下才能傳遞，所以Q值會(huì)比較大，而且需要能和收器與發(fā)射器緊密匹配的諧振阻抗網(wǎng)絡(luò)。

在磁共振與磁感應(yīng)兩種技術(shù)中，必須嚴(yán)密控制網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變異，因?yàn)檫@些變異會(huì)直接影響電源的傳遞。

圖三 ： Q值百分比

在WPC 1.1版的規(guī)范中，可以在100KHz至205KHz的寬廣范圍中來選擇諧振頻率。這種狀況類似于在PMA的規(guī)范中，其頻率范圍可從277KHz至357Khz。然而，頻率范圍在最近已有所改變，現(xiàn)在是依據(jù)輸入的供應(yīng)電壓而定。

一般對(duì)于這些解決方案而言，Q值的范圍會(huì)落在30至50之間。在依據(jù)A4WP規(guī)范的解決方案中，在頻率已經(jīng)固定的情況下，介于接收器與發(fā)射器之間的諧振頻率與阻抗網(wǎng)絡(luò)就必須要合理、密切地相互匹配。一般而言，相較于磁感應(yīng)解決方案，磁共振解決方案需要較高的Q值（50到100）。

電源管理

高效能電源管理架構(gòu)的發(fā)展，對(duì)于磁共振與磁感應(yīng)解決方案的成功執(zhí)行有很大的影響。在發(fā)射器方面，為了導(dǎo)入電流至諧振電路中，直流電必轉(zhuǎn)換成交流電。在磁感應(yīng)技術(shù)中，這必須使用一個(gè)半橋式或全橋式的逆變器來進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換；在磁共振技術(shù)中，則是透過功率放大器來導(dǎo)入電流。

功率放大器的架構(gòu)與分類，會(huì)因?yàn)轭l率、待機(jī)電流、效率、尺寸、成本，以及應(yīng)用相關(guān)的整合需求等因素而有所不同。在這些轉(zhuǎn)換中，必須謹(jǐn)慎考慮每一環(huán)節(jié)，以降低在閘極驅(qū)動(dòng)器、交換器、傳導(dǎo)、偏壓、本體二極管的損失、以及外部組件，例如等效串聯(lián)電阻及等效串聯(lián)電感的寄生效應(yīng)。這些是發(fā)展高效能整合解決方案過程中所必須面對(duì)的一些重要挑戰(zhàn)。

圖四 ： 兩種技術(shù)磁場效應(yīng)示意圖

根據(jù)對(duì)輸入電壓的要求以及設(shè)計(jì)架構(gòu)的規(guī)范，制程的選擇對(duì)于整合解決方案的優(yōu)化有著很大的影響。系統(tǒng)中存在著多種控制回路，而整個(gè)控制回路的穩(wěn)定性對(duì)于高效能解決方案的整體成功性有著很大的影響。在磁感應(yīng)與磁共振兩種技術(shù)中，透過有效的電源管理，將可達(dá)到相類似的效能與效率。

通訊方式

為了能成功地達(dá)成電力傳輸，發(fā)射器必須辨識(shí)正確的耦合接收器。在WPC與PMA解決方案中，發(fā)射器會(huì)定期發(fā)出「pings」指令來搜尋是否有接收器存在。當(dāng)接收器被辨識(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電力傳輸。這些解決方案使用固定的頻率調(diào)變來進(jìn)行通訊。其他一些通訊方式包括振幅、功率、電流、以及脈沖寬度調(diào)變（PWM）等。只要介于發(fā)射與接收的匹配網(wǎng)絡(luò)能夠承受更寬的頻率變化，則這些選項(xiàng)都是可以被使用的。

在A4WP磁共振解決方案中，發(fā)射與接收的匹配網(wǎng)絡(luò)是緊密匹配的，因此無法使用頻率調(diào)變。然而，假如負(fù)載是固定的，則有可能使用振幅調(diào)變。若接收器效能不會(huì)受到影響，則可以使用功率與電流調(diào)變。在行動(dòng)應(yīng)用中，由于負(fù)載會(huì)根據(jù)功能的需求而有所不同，因此便形成挑戰(zhàn)，而且，根據(jù)上述調(diào)變方案所發(fā)展的解決方案，可能會(huì)不符合尺寸及成本效益。

A4WP可選擇藍(lán)牙或ZigBee來做為通訊的標(biāo)準(zhǔn)方式。這些方法都已存在于現(xiàn)有的行動(dòng)解決方案中，因此很便于使用，僅要辨識(shí)出不同的接收器即可，它也同樣有利于發(fā)射器將電力傳輸至多個(gè)設(shè)備上。其他還有類似的方法也可用以達(dá)到同樣的目標(biāo)。

通訊也被利用來通知電源傳輸?shù)臓顟B(tài)，例如異物檢測、耦合狀態(tài)、甚至是校準(zhǔn)引導(dǎo)訊息。金屬這類的異物在電磁場中可能會(huì)導(dǎo)致溫度上升，上升的程度端視材料的導(dǎo)電性而定。這是與技術(shù)無關(guān)的潛在問題。

在磁感應(yīng)技術(shù)中，為了達(dá)到效率極大化，必需精確地監(jiān)視發(fā)射與接收端兩者的電壓與電流。其他功能，例如負(fù)載反射效應(yīng)、電流感應(yīng)及調(diào)變與解調(diào)變時(shí)機(jī)，以及它們?cè)诜忾]回路系統(tǒng)中所造成的影響等等，對(duì)于維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性及確保成功的通訊都是至為關(guān)鍵的。其他的挑戰(zhàn)包括需符合加州環(huán)境協(xié)會(huì)（CEA）及美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）第15及18條的法規(guī)，也可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體效率有所影響。

結(jié)語

我們可以合理的斷定，對(duì)于特定的應(yīng)用而言，最佳的可能解決方案是根據(jù)所需的特性及效能而定的。假如可自由擺放位置，或是在X、Y與Z軸方向可對(duì)多個(gè)設(shè)備充電的能力是必要的特性，則磁共振可能是一個(gè)優(yōu)先選用的解決方案。假如高效率效能及強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)兼容能力是必有的特性，則WPC兼容的解決方案，或許就是最理想的選擇。

然而，能夠無縫辨識(shí)耦合的設(shè)備是以磁感應(yīng)或是磁共振為基礎(chǔ)，且有效地且有效率地傳遞電源的多模式解決方案，毫無疑問將會(huì)是用于這些應(yīng)用的最理想解決方案。

無線充電誰勝出？

行動(dòng)裝置普遍了，人手一只智能手機(jī)或平板計(jì)算機(jī)已經(jīng)是司空見慣的事。只不過隨之而來的，卻是更大的煩惱，也就是電源不足的問題。行動(dòng)裝置耗電量非常大，盡管新機(jī)種上市，都號(hào)稱更長待機(jī)時(shí)間，與更久的使用能力，然而實(shí)際使用上，卻往往沒幾個(gè)小時(shí)電量就告急。隨身攜帶行動(dòng)電源雖然是個(gè)救急的方法，然而笨重與不便也令人望之生畏。這時(shí)，許多人又把注意力，集中到了無線充電的身上。

無線充電顧名思義，就是完全不透過電線，而是利用電磁力來為設(shè)備充電的技術(shù)。目前無線充電技術(shù)的3大陣營包括電力事業(yè)聯(lián)盟（PMA）、WPC （Wireless Power Consortium）及A4WP （Alliance for Wireless Power）。PMA與WPC兩者都是采電磁感應(yīng)技術(shù)，A4WP則是電磁諧振技術(shù)。

WPC于2008年成立后，包括HTC、LG、Motorola及Sony、TI、飛利浦、ST-Ericsson等大廠都投入?yún)⑴c，2010年并制定出Qi標(biāo)準(zhǔn)。Qi標(biāo)準(zhǔn)采磁氣誘導(dǎo)方式，是針對(duì)5瓦以下的低功率電子設(shè)備所設(shè)計(jì)，包括手機(jī)、耳機(jī)、可攜式多媒體播放器、數(shù)字相機(jī)等消費(fèi)性電子產(chǎn)品，只要通過認(rèn)證的設(shè)備，不管任何品牌或款式，都可在符合該認(rèn)證的無線充電板上充電。至于A4WP則是三星與高通等廠商所共同聯(lián)盟，所研發(fā)的共振式無線充電技術(shù)。其與Qi充電方式不同，不需要將裝置放在充電板上，即使分離也能進(jìn)行充電。

目前由于標(biāo)準(zhǔn)紛亂，因此一支擁有無線充電功能的手機(jī)，不代表在任何充電平臺(tái)上都可以進(jìn)行充電，必須是相同標(biāo)準(zhǔn)才可以。當(dāng)然，市場也正在觀望與預(yù)測，未來哪一種標(biāo)準(zhǔn)可以勝出。以目前來看，Qi是最多廠商采用的無線充電技術(shù)，然而勢(shì)力更強(qiáng)的三星與高通聯(lián)盟，會(huì)否攔路殺出，還未見分曉。而且另一個(gè)可能出頭的勢(shì)力還有蘋果。由于無線充電在未來擁有龐大商機(jī)，這使得蘋果也有意開發(fā)自有標(biāo)準(zhǔn)。且蘋果一向有能力引領(lǐng)市場發(fā)展步調(diào)，專家甚至認(rèn)為蘋果非?？赡苁菦Q定未來無線充電標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵力量。