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兼容不同無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)優(yōu)勢的多模方案將成未來(lái)主流。針對當前無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)尚無(wú)統一標準，且各標準陣營(yíng)在技術(shù)上各有優(yōu)缺點(diǎn)，業(yè)界已興起采用多模方案以解決不同標準間的兼容問(wèn)題，并讓無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品可提供兼具充電效率與空間自由度的使用體驗。 無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的解決方案，包含磁感應(MI)和磁共振(MR)兩種技術(shù)，不論消費市場(chǎng)的走向為何，無(wú)線(xiàn)充電已成為必然趨勢。接下來(lái)的幾年內，無(wú)線(xiàn)充電主要將由手機廠(chǎng)商推動(dòng)，并開(kāi)始滲透手機市場(chǎng)；隨后，生態(tài)系統健全的計算機市場(chǎng)將會(huì )跟進(jìn)，并帶來(lái)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的成長(cháng)，自此開(kāi)始，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電源采用率及潛在總體有效市場(chǎng)(TAM)之報告與研究，但要提供準確的市場(chǎng)信息并不容易，因為在這些預測中，采用率和技術(shù)的選擇是關(guān)鍵參數。磁感應技術(shù)主要有兩種標準：無(wú)線(xiàn)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(chǎng)已有多種使用中的產(chǎn)品。 無(wú)線(xiàn)電力聯(lián)盟(A4WP)是磁共振的第一個(gè)標準，值得注意的是，英特爾(Intel)的磁共振無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)是為自有的超輕薄筆記本電腦和生態(tài)系統設計；其他如在工業(yè)及軍事領(lǐng)域已建立其地位的PowerbyProxi和WiTricity也開(kāi)始進(jìn)入消費市場(chǎng)。 要解答標準和解決方案對無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)未來(lái)方向的影響，首先須了解MI和MR技術(shù)上的不同，完全理解并熟悉應用/系統的需求后，就可選擇特定應用的解決方案。 解決電池容量瓶頸 無(wú)線(xiàn)充電應用抬頭 移動(dòng)解決方案率先于消費市場(chǎng)采用無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。因為有長(cháng)程演進(jìn)計劃(LTE)技術(shù)，通訊速度和帶寬至少在未來(lái)幾年內不會(huì )遇到瓶頸。方便性是消費市場(chǎng)中推動(dòng)移動(dòng)解決方案的關(guān)鍵要素之一，不同的移動(dòng)解決方案，如手機、平板計算機、多媒體播放器和移動(dòng)電視等，需要不同的變壓器和連接器接口，因此要為移動(dòng)裝置充電，須要攜帶很多連接器和變壓器，若有通用的無(wú)線(xiàn)變壓器加上完整基礎設施和生態(tài)系統，就可滿(mǎn)足此需求，在汽車(chē)、咖啡店、圖書(shū)館、餐廳、火車(chē)、飛機、辦公室、會(huì )議廳等地點(diǎn)都能隨時(shí)無(wú)線(xiàn)充電，可帶來(lái)眾所期盼的方便性。 每2年移動(dòng)解決方案的外觀(guān)、性能和各種功能便會(huì )升級，而這些升級迫使電源需求、連接器和接口產(chǎn)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(wú)線(xiàn)充電，將能協(xié)助減少電子廢棄物，并提升移動(dòng)設備的“綠色資歷”。 另一個(gè)重要因素是移動(dòng)解決方案的技術(shù)升級，如采用1,080p和3D等顯示技術(shù)。移動(dòng)解決方案將增加采用高解析的顯示技術(shù)，該顯示技術(shù)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(dòng)解決方案技術(shù)，包括3D全球衛星定位系統(GPS)解決方案、高效能影音技術(shù)、近距離無(wú)線(xiàn)通信(NFC)技術(shù)、可攜式電視及高效能游戲，這些功能將會(huì )提高裝置電池電源的需求。 移動(dòng)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(jīng)數年。鋰電池在技術(shù)升級和向不同金屬轉移所提升的效能和壽命，已無(wú)法滿(mǎn)足增加的電源需求，同時(shí)電池必須維持在小尺寸，以符合移動(dòng)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(dòng)解決方案尺寸縮小的同時(shí)，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(shí)會(huì )產(chǎn)生化學(xué)變化，因此，提高充電效率似乎是更顯而易見(jiàn)的解決方案。 技術(shù)原理影響MI/MR應用領(lǐng)域 任何一種須使用電力的應用都可能采用無(wú)線(xiàn)充電方案，然而要如何選擇采用MI或MR無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，則須要先檢視二者的基本原理。 MI和MR在技術(shù)架構上有很多相似之處，例如兩者皆使用磁場(chǎng)做為電力傳輸的橋梁，同時(shí)電流都會(huì )在共振電路感應，產(chǎn)生傳輸電源的磁場(chǎng)。磁力參數對電磁場(chǎng)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(shí)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(chǎng)防護的穿透性加以提升(圖1)。 圖1 無(wú)線(xiàn)充電磁場(chǎng) 成本和厚度是選擇適當電磁防護的關(guān)鍵因素。電流場(chǎng)接收和傳輸線(xiàn)圈的排列，和兩者間的距離，將決定電力傳輸的效率；傳輸和接收線(xiàn)圈的距離越大，電力傳輸的效率越低。其他對能量傳輸效率有重大影響的因素，還包括共振頻率、傳輸及接收線(xiàn)圈尺寸比例、耦合系數、線(xiàn)圈阻抗、集膚效應、交流(AC)及直流(DC)組件和線(xiàn)圈的寄生。 當x、y和z分離且傳輸及接收線(xiàn)圈的比例角增加時(shí)，將對能量的損失和效率產(chǎn)生很大影響。在WPC規格中，對接收器(Rx)線(xiàn)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(xiàn)圈間最高耦合系數。但在MR技術(shù)方面，擺放位置具有自由度，并可在磁場(chǎng)中放置單一或多個(gè)裝置，可讓用戶(hù)更為便利；然而，當耦合裝置間的間隔距離增加時(shí)，對傳輸效率亦將會(huì )產(chǎn)生影響。 依照不同需求，包含成本和尺寸的考慮，所有的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)皆能使用單一或多個(gè)線(xiàn)圈解決方案。依據WPC和PMA規格的MI技術(shù)，傳輸電力的頻率范圍很廣。電力傳輸的共振頻率會(huì )依負載阻抗選擇，因為此變量與MR解決方案相比，Q系數相對較低，僅能在指定的頻率和負載阻抗，達到最佳效率。 對MR技術(shù)而言，因為電力只能由特定共振頻率傳輸，因此Q系數較大，且需要接收器和傳輸器間極相近的共振阻抗網(wǎng)絡(luò )匹配。在MR和MI技術(shù)中，匹配網(wǎng)絡(luò )參數的變量須要嚴格控制，因為會(huì )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(lèi)似，其頻率范圍為277k-357kHz。然而，近期頻率范圍已有變更，現在取決于輸入供電電壓。這些解決方案中，典型的Q系數范圍為30-50(圖2)。 圖2 Q系數百分比 在A(yíng)4WP規格的解決方案中，因為頻率固定，傳輸器和接收器間的共振頻率和阻抗網(wǎng)絡(luò )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(50-100)。 電源管理影響無(wú)線(xiàn)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(jìn)行DC到AC的轉換，在MI技術(shù)中，會(huì )在此轉換使用半橋或全橋變頻器；而在MR技術(shù)中，是透過(guò)功率放大器(PA)感應電流。 功率放大器的架構和分類(lèi)會(huì )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(shí)須謹慎考慮如何降低閘極驅動(dòng)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(kāi)發(fā)高效能整合解決方案所遭遇的部分重大挑戰。 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。系統中有多個(gè)控制循環(huán)，而完整控制循環(huán)的穩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(shù)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(wú)線(xiàn)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(huì )定時(shí)發(fā)出檢測信號以搜尋接收器；找到接收器后，即開(kāi)始進(jìn)行電力傳輸。這些解決方案以固定的頻率調變進(jìn)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(wǎng)絡(luò )可容忍較大頻率變化，則可選擇使用這些選項。 因為在A(yíng)4WP磁共振解決方案中，發(fā)射及接收端間的網(wǎng)絡(luò )緊密匹配，所以無(wú)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(huì )被影響，則可使用功率和電流調變。在移動(dòng)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(kāi)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(jīng)存在于移動(dòng)解決方案中，透過(guò)辨識多個(gè)接收器，讓傳輸器進(jìn)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(lèi)似的方法。此外，通訊也可用于通知電力傳輸的狀態(tài)，如異物檢測(FOD)、耦合狀態(tài)，甚至校準引導信息(AGI)。磁場(chǎng)中金屬異物可能因材料導電性導致溫度上升，這是一個(gè)非關(guān)技術(shù)的潛在問(wèn)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(shí)機，以及它們在封閉循環(huán)系統的影響，是協(xié)助維持系統穩定性并確保成功通訊的關(guān)鍵。 其他挑戰包括符合法規，如加州環(huán)保協(xié)會(huì )(CEA)和美國聯(lián)邦通訊委員會(huì )(FCC)第15和18條的規定，也可能影響系統的整體效率。 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(shuō)當無(wú)線(xiàn)充電系統需要可在X、Y、Z方向自由放置，或對多個(gè)裝置同時(shí)充電，則磁共振可能會(huì )是較佳的解決方案；但如果系統有高效能效率需求，且必須符合嚴格的標準，則WPC規格的解決方案可能是理想選擇。 然而，毫無(wú)疑問(wèn)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(lèi)應用的理想解決方案。 |
