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根據HIS的預估，全球無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)預計將從2013年的2.16億美元，增加40倍，到2018年達到85億美元（參考文獻1）。但是，這個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展會(huì )受到幾個(gè)現存互不兼容標準的影響。展望未來(lái)，許多開(kāi)發(fā)商的問(wèn)題是，是否所有這些標準可以在一個(gè)作為無(wú)線(xiàn)充電之用的統一、經(jīng)濟實(shí)惠且高效的標準下共存。 雖然無(wú)線(xiàn)功率轉移的概念是在一個(gè)多世紀之前形成的，但在過(guò)去的幾年里，尤其是在像無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟（WPC，成立于2008年成立）、電力事業(yè)聯(lián)盟（PMA，成立于2012）、無(wú)線(xiàn)電力聯(lián)盟（A4WP，又名Rezence，成立于2012年）等標準出現后，無(wú)線(xiàn)功率轉移已經(jīng)開(kāi)始有了實(shí)質(zhì)的作用。 價(jià)值鏈中的關(guān)鍵利益相關(guān)者有設備制造商、原始設計制造商（ODM）、半導體公司及基礎設施公司；諸如三星、微軟（諾基亞）、HTC和LG是設備制造商；原始設計制造商（ODM）有Primax、Uway、和三星機電等；半導體公司則像是TI、IDT、飛思卡爾、高通、英特爾、聯(lián)發(fā)科、博通等；至于基礎設施公司則是像麥當勞、Marriott、和星巴克，這些業(yè)者借著(zhù)采用無(wú)線(xiàn)充電來(lái)為其客戶(hù)提供一種增值服務(wù)。 除了作為一個(gè)消費電子配件之外，無(wú)線(xiàn)充電還可將其應用擴展到家居飾品、醫療、汽車(chē)、工業(yè)和國防應用。瑞典家具公司宜家（Ikea）最近宣布推出內嵌在其臺燈之內的一批無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品（參考文獻2）。無(wú)線(xiàn)電力充電連同它的應用和使用情境，已成功地獲得消費者的青睞，但大量采用該技術(shù)而躍居成市場(chǎng)主流的情況，仍未達到預期的水平。造成這種情況的其中一項主要原因是由于標準不一，以及支持相互競爭標準的各大營(yíng)運商（在美國）。 上圖為各種無(wú)線(xiàn)充電應用的使用場(chǎng)景。 在目前的標準環(huán)境中可望會(huì )浮現出兩種可能性： ● 出現一個(gè)單一的標準，這將可加快無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)被采用的速度。 ● 支持多模式無(wú)線(xiàn)充電的解決辦法，其中，單一的發(fā)射器/接收器可以支持多個(gè)（WPC / PMA / A4WP）標準。 如果我們檢視一下從技術(shù)規范（來(lái)自標準機構）到概念驗證、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、制造、以及成品的整個(gè)價(jià)值鏈，有幾項因素會(huì )構成在開(kāi)發(fā)某一特定技術(shù)時(shí)的創(chuàng )造、提供和截取價(jià)值的良好整體經(jīng)驗。這些都是要讓該技術(shù)茁壯成長(cháng)的基礎。具體到無(wú)線(xiàn)充電，按優(yōu)先級排列的關(guān)鍵因素如下： ● 經(jīng)濟上的可承受性：成本效益，從批發(fā)和零售的角度來(lái)看，開(kāi)銷(xiāo)要少 ● 可用性：增強易用性，像是可以自由擺放、可同時(shí)多部器件充電，和在相當距離外充電的潛在能力 ● 質(zhì)量和安全性：符合特定產(chǎn)業(yè)對安全使用該技術(shù)的指導方針 ● 互操作性/向后兼容性：標準之內和跨標準 ● 技術(shù)擴散：通過(guò)定制和/或優(yōu)化將使用情境擴展至其它應用 現有標準的比較 無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟 WPC（Wireless Power Consortium）在2008年宣布的無(wú)線(xiàn)充電標準被稱(chēng)為 “氣（Qi）”，這是無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)針對主流消費電子設備商業(yè)化的一大步。 氣采用的原理是變壓器電路的磁感應，其中，發(fā)射器和接收器線(xiàn)圈以非常接近的形式接合，從而實(shí)現電力的轉移（參考文獻4）。發(fā)射器在低工作電壓下工作，視線(xiàn)圈的類(lèi)型而定。在發(fā)射器（主）線(xiàn)圈中產(chǎn)生的電流將會(huì )產(chǎn)生一磁場(chǎng)，這又會(huì )在接收器（輔助）線(xiàn)圈感應出電流。接收到的電流可為接收器設備的電池供電，像是移動(dòng)電話(huà)、平板計算機、照相機和智能手表等。發(fā)射器可為接收器提供一致的功率和電壓電平。 Qi標準定義了通信協(xié)議，其中電力轉移和接收到的量是最佳的。在接收器和發(fā)射器之間會(huì )有一通信封包傳送協(xié)議，它與一些因素相關(guān)，例如，發(fā)射器發(fā)現到的接收器、接收器的狀態(tài)和配置信息、接收器所要求的功率電平和電力傳輸的結束。 效率水平要視正確線(xiàn)圈的排列、Z的距離、和線(xiàn)圈類(lèi)型的選擇而定。典型效率范圍為65％至75％之間。目前規范的版本是1.1版，未來(lái)還會(huì )繼續推出多個(gè)版本，其中將會(huì )規定多臺設備同時(shí)充電的支持、Z距離的增加，而焦點(diǎn)則會(huì )傾向磁共振。 這些都是以電感為基礎的無(wú)線(xiàn)充電系統之典型的發(fā)射器和接收器線(xiàn)。 特點(diǎn)： ● 緊密耦合的感應方案 ● 可在100-205千赫的頻率范圍工作 ● 使用負載調變在2Kbps的帶內通信 ● 接收到的功率可達5W（低功率） - 15W（中-功率），而針對高功率應用則有即將會(huì )推出的120W ● 支持異物檢測（FOD）功能 ● 可定義磁共振的未來(lái)規范 ● 超過(guò)200家的業(yè)者支持，包括三星、LG、德州儀器、松下、東芝、微軟、中興、Verizon和Motorola Mobility 優(yōu)點(diǎn)： ● 已有建立完成的測試機構和生態(tài)系統，695項認證產(chǎn)品（參考文獻4），為加速采用走出了一條康莊大道 ● WPC技術(shù)已內嵌在三星的Galaxy S6（參考文獻5） ● 基于Qi的生態(tài)系統和強大且可擴展的平臺，使得像宜家公司可利用Qi充電技術(shù)，而將它嵌入在家居飾品中 ● 規格非常成熟，2011年以來(lái)，就已經(jīng)有產(chǎn)品上市 ● 提升到未來(lái)Qi規格的途徑，未來(lái)Qi的規格將可支持多臺設備同時(shí)充電，增加Z距離（>5厘米） ● 因為緊耦合線(xiàn)圈結構的因素，所以可以達到更高的效率 ● 輻射排放量低 ● 有鑒于它是一成熟的標準，市場(chǎng)上有多家的IC和系統供貨商，所以它的實(shí)現成本最低 缺點(diǎn)： ● 聯(lián)盟的規模大，可能會(huì )因為決策過(guò)程緩慢，而使得進(jìn)步的腳步放緩 ● 在進(jìn)一步更新規格時(shí)，要讓現今市場(chǎng)上數以百萬(wàn)計的器件可以達到充分的向后兼容性，將會(huì )是一項挑戰（然而，其他標準也會(huì )面臨到同樣的問(wèn)題。） 電力事業(yè)聯(lián)盟(PMA) PMA公司于2012年成立，是一個(gè)與Qi競爭的標準，但同樣是以相同的磁感應原理來(lái)運作。從技術(shù)上來(lái)講，這兩種標準很相似。 PMA有額外的軟件鉤（software hook）來(lái)定義協(xié)議、控制和管理信令，WPC可望在他們的下一個(gè)規范版本中把管理信令的能力加進(jìn)去。在較早的版本中，借著(zhù)讓磁鐵托住接收器而讓接收器的線(xiàn)圈和發(fā)射器的線(xiàn)圈可以對準。然而，據我們的了解，PMA將在不久的將來(lái)會(huì )把磁鐵拿掉，并引入多個(gè)發(fā)射器的設計，其中有一個(gè)或多個(gè)線(xiàn)圈。著(zhù)眼于物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的發(fā)展，PMA已與星巴克合作開(kāi)發(fā)應用，它具有基于云端的電源管理功能，可用來(lái)對充電站進(jìn)行定位及管理（參考文獻5）。 特點(diǎn)： ● 緊密耦合的感應方案 ● PMA基于磁感應的電力2.0 （power 2.0）技術(shù)，未來(lái)規范會(huì )與A4WP合并 ● 操作的頻率范圍為277至357千赫 ● 超過(guò)100家的業(yè)者支持，包括三星、LG、HTC、AT＆T、谷歌、Blackberry、華為、Kyocera和IDT 優(yōu)點(diǎn)： ● 市場(chǎng)主要的推動(dòng)力來(lái)自產(chǎn)業(yè)界的重量級公司，像是Duracell-Powermat、星巴克和AT＆T ● PMA技術(shù)已內嵌在三星的Galaxy S6（參考文獻5） ● 有5座測試實(shí)驗室和24項通過(guò)認證的產(chǎn)品（參考文獻5） ● 基礎設施公司的采用為用戶(hù)提供一個(gè)首次使用該技術(shù)的經(jīng)驗 ● 因采用Qi的磁感應原理，所以也有類(lèi)似的技術(shù)優(yōu)勢 缺點(diǎn)： ● 在采用和設計靈活性方面，仍然處于早期階段 ● 針對大規模采用，規格尚未最終確定 ● 在采用A4WP基于磁共振技術(shù)的未來(lái)版本之規范時(shí), 向后兼容性將會(huì )是一個(gè)挑戰 無(wú)線(xiàn)充電標準聯(lián)盟(A4WP) A4WP （Alliance for Wireless Power），又名Rezence，也是在2012年成立，它是基于磁感應無(wú)線(xiàn)充電標準的替代性技術(shù)。 A4WP采用磁共振的原理，這種原理不用讓一次和二次線(xiàn)圈緊密對準。相反地，發(fā)射線(xiàn)圈夠大，大到足以產(chǎn)生高磁場(chǎng)，可與在初級線(xiàn)圈附近接近之處的次級線(xiàn)圈接合，且不只是一個(gè)，而是多個(gè)。這意味著(zhù)單一發(fā)射器可以對多個(gè)接收器（電話(huà)、平板計算機等）充電。 電力傳送單元（PTU）中的系統設計由一個(gè)源直流電源（Source DC supply）、共振器、匹配單元、一個(gè)功率轉換單元，和一個(gè)信令和控制單元所組成。而電力接收單元（PRU）則是由一個(gè)諧振器、整流器、電源轉換單元、信令和控制單元所組成。帶有PTU和PRU的系統架構星型拓撲結構，在PTU和PRU之間有雙向的信令。 上圖是A4WP 技術(shù)的典型發(fā)射線(xiàn)圈結構（參考文獻6） 特點(diǎn)： ● 是一種基于松耦合磁共振的技術(shù) ● 在Bluetooth Low Energy（2.4 GHz ISM的頻率范圍）的頻帶之外通訊 ● 電源傳輸頻率為6.78兆赫 ● 所接收到的3.5和6.5W電力，適用于智能型手機之類(lèi)的應用，預計未來(lái)將增加至50W，以涵蓋更多的消費性電子設備 ● 相較于電流感應替代方案，承諾會(huì )提供更長(cháng)的Z距離 ● 超過(guò)100家的業(yè)者支持，包括三星、戴爾、富士通、LG、夏普、佳能、松下、HTC、聯(lián)想、高通等 優(yōu)點(diǎn)： ● 相較于電感式替代方案，可以潛在性的更低成本提供最大的自由空間 ● 允許多設備充電 ● 可擴展到更高的功率和穿戴式產(chǎn)品是其一大賣(mài)點(diǎn) 缺點(diǎn)： ● 在建立認證和測試機構方面，仍處于早期階段 ● 因為獨立的信令電路，所以通信費用高 ● 電磁干擾增高/輻射高 ● 由于松散耦合的線(xiàn)圈結構，所以效率低 ● 由于額外的通信帶寬會(huì )增加成本，所以配件有限 影響聚合的因素 長(cháng)久以來(lái)，市場(chǎng)一直在廣為討論，為了讓市場(chǎng)起飛，這些標準應該合并。將感應和共振技術(shù)相結合真的有意義嗎？ 在生態(tài)系統的層級，更多還沒(méi)有 決定要投身那一種特定技術(shù)的組件供貨商，將可驅動(dòng)生態(tài)系統來(lái)滿(mǎn)足所有的技術(shù)。有鑒于三星在智能型手機市場(chǎng)擁有很大的市場(chǎng)占有率，它在Galaxy S6中內建了Qi 及PMA 技術(shù)，此舉將進(jìn)一步推動(dòng)對無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器的需求。此外，宜家推出超過(guò)15款支持Qi標準的產(chǎn)品，也將可讓無(wú)線(xiàn)充電深入到日常的家庭中，為無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟帶來(lái)很大的優(yōu)勢。 Gartner的數據指出，手機和平板計算機2015年的出貨量預計將可達22.6億臺（參考文獻3）；所以最終，我們可以看到會(huì )有大量的產(chǎn)品推出上市。在我們針對可能性而進(jìn)行腦力激蕩時(shí)，有必要從接收器和發(fā)射器的角度了解其中所涉及的挑戰。 上圖的比較顯示感應無(wú)線(xiàn)充電和諧振無(wú)線(xiàn)充電兩者之間的差異（參考文獻7）。 從聚合/協(xié)作的角度來(lái)看，發(fā)射器和接收器的設計有三種可能的類(lèi)型。它們是： ● 多模式：MI-MI（WPC-PMA） - 純感應模式，與Qi和PMA標準兼容 ● 多模式：MI-MR（WPC-A4WP / PMA-A4WP） - 與磁感應（Qi / PMA）和磁共振（A4WP）標準的組合兼容 ● 三模式（WPC-PMA-A4WP） - 與所有三種無(wú)線(xiàn)充電標準兼容 接收端 現在有TI、飛思卡爾、IDT及Broadcom等公司可以提供單模的接收器芯片。三星的Galaxy S4即采用TI的接收芯片來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電（參考文獻7）。 支持Qi和PMA標準的純感應多模式因為技術(shù)的相似性，所以挑戰較少。不過(guò)，要開(kāi)發(fā)一個(gè)在Qi和PMA之間優(yōu)化的系統，在其中一種情況下，效率都會(huì )略低。 IDT在2013年宣布推出其業(yè)界首創(chuàng )的雙模式接收器，它可支持Qi和PMA標準（參考文獻9）。另外，TI和Triune systems也已經(jīng)掌握到了其中的開(kāi)發(fā)要訣。 聯(lián)發(fā)科今年早些時(shí)候宣布推出一款多模的芯片（MT3188），它可同時(shí)支持PMA和A4WP 標準（參考文獻10）。而在一些論壇上也討論過(guò)支持所有3種標準的接收器版本，且解決方案也開(kāi)始在市場(chǎng)上推出。 Broadcom公司就在最近才剛發(fā)表過(guò)一則這樣的聲明（參考文獻11）。 將A4WP系統與感應系統整合的挑戰是，A4WP使用Bluetooth Low Energy堆棧。有幾個(gè)例子所指出的挑戰是，在電池沒(méi)電后，又或BLE一直處在待機的情況下，器件何時(shí)被喚醒。博通說(shuō)明了其芯片內的嵌入式頻率檢測器可以在多個(gè)標準之間進(jìn)行選擇（參考文獻11）。隨著(zhù)時(shí)間的發(fā)展，像英特爾、高通、博通等公司將有機會(huì )以創(chuàng )新的方法改變這種情形。但今天在配件市場(chǎng)，我們必須有獨立的BLE芯片。這顯然會(huì )對成本造成影響。一般情況下，在一單獨的信道上進(jìn)行帶外通訊（out-of-band communication）的成本是很高的。 發(fā)射器端 在發(fā)送器端所面臨到的挑戰是不一樣的。然而，一個(gè)純粹感應的施作方式是很簡(jiǎn)單的，像飛思卡爾半導體和Triune Systems公司已經(jīng)有可用的解決方案了。當我們探索多模式發(fā)射器時(shí)，將低頻發(fā)射器與高頻發(fā)射器結合在一起是一件相當復雜的工作。將低頻線(xiàn)圈嵌入到高頻線(xiàn)圈系統會(huì )有一些問(wèn)題，如電源耦合的問(wèn)題、調諧挑戰、及MI和MR之間的耦合等。因此開(kāi)發(fā)原型是可以做的，但要實(shí)際施作則需要深思熟慮。 如何彌補今天這個(gè)差距？ 在前面的章節中，我們談到了在開(kāi)發(fā)多模/三模系統的技術(shù)挑戰。此外，隨著(zhù)時(shí)間的發(fā)展，標準可能也會(huì )聚合，但關(guān)鍵的問(wèn)題是，我們今天能做什么，讓消費者可以享受到無(wú)線(xiàn)充電的好處？正如前面的討論，一種可能性是把多個(gè)標準放在接收器之中，但它必定會(huì )對成本和尺寸造成影響。我們在引言部分討論過(guò)產(chǎn)品的整體體驗，一項確定的關(guān)鍵因素之一是經(jīng)濟上的可承受性（Affordability）。我們可以做出消費者負擔得起的產(chǎn)品，且還克服了所有的挑戰嗎？ 這將我們帶進(jìn)到一個(gè)思考領(lǐng)導力的有趣領(lǐng)域。除了技術(shù)上的挑戰，這些聯(lián)盟基本上也在試圖解決一組與挑戰性相關(guān)的可用性問(wèn)題。下面的示意圖標識出了這類(lèi)重要的挑戰，以及針對這些挑戰所完成的規范。 無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟面對的重要的挑戰。 由于標準的討論將會(huì )繼續發(fā)生，因此會(huì )有一個(gè)虛擬沙盒（virtual sandbox）的空間，在其中，系統公司可以探討通過(guò)創(chuàng )新的施作來(lái)彌補技術(shù)上的差距。今天，PowerSquare正朝著(zhù)這個(gè)方向在努力，在同一時(shí)間，這也與這些集團的發(fā)展十分同步。正如前面所提到的，本文的內容試圖涵蓋無(wú)線(xiàn)充電標準的過(guò)去、現在和未來(lái)，并分析這些標準在整合時(shí)的技術(shù)挑戰。 所有這些無(wú)線(xiàn)標準是否可以共存？從技術(shù)角度來(lái)看，其中是有些挑戰的。對于WPC和PMA，一款TX和RX的解決方案是非常簡(jiǎn)單的，因為它們是純感應式的。 A4WP帶PMA和/或Qi可以通過(guò)開(kāi)發(fā)多模式的接收器而共存。然而，主要的挑戰將是開(kāi)發(fā)多模式的TX解決方案。 PMA與A4WP之間最近宣布的合并正是朝著(zhù)聚合方向發(fā)展的一步。但是，有鑒于前文所討論到的挑戰，對于這些聯(lián)盟計劃如何處理各自的感應和諧振技術(shù)，仍有待觀(guān)察（參考文獻5）。 在另一方面，WPC針對其即將推出的規范更新已公布它的多設備支持以及Z距離的增加，讓RX可從TX充電，而不需要線(xiàn)圈對線(xiàn)圈接觸（參考文獻12）。在生態(tài)系統的利益相關(guān)者支持下開(kāi)發(fā)多模解決方案，將是解決競爭標準間難題的最佳途徑。隨著(zhù)這樣的嘗試持續下去，將就會(huì )有一個(gè)可以讓技術(shù)供貨商創(chuàng )新的沙盒空間。 無(wú)線(xiàn)充電無(wú)疑是下一個(gè)最好的智能創(chuàng )新，這不僅是純粹的市場(chǎng)預測，同時(shí)也是它能帶給消費者的好處。如果能有一個(gè)單獨的標準存在，則就能將設計的開(kāi)銷(xiāo)降到最低，這是大家所認同的，也是實(shí)際且最方便的做法，果真如此，無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)就可以成長(cháng)到來(lái)自不同市場(chǎng)研究機構所做的各項商業(yè)預估規模。 參考文獻 1. Global Market Revenue for Wireless Charging to Rise by Nearly Factor of 40 by 2018, IHS, March 2014. 2. IKEA Launching Qi-Friendly Wireless Charging Furniture, PC Mag, March 2015. 3. Gartner Says Worldwide Traditional PC, Tablet, Ultramobile and Mobile Phone Shipments to Grow 4.2 Percent in 2014, Gartner Inc, July 2014. 4. System Description, Wireless Power Transfer, Volume I: Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.1.2, Wireless Power Consortium, June 2013. 5. Power Matters Alliance 6. A4WP Wireless Power Transfer System Baseline System Specification (BSS) A4WP-S-0001 v1.2, Rezence, January 2014. 7. The convenience of wireless charging: It’s just physics, MediaTek, October 2013. 8. TI set to release a next generation of wireless charging chip for one-to-many interface, iTers News, June 2013. 9. IDT product page 10. MediaTek MT3188 Multi-Mode Wireless Charging ASIC Supports Inductive and Resonant Modes, MediaTek, February 2014. 11. 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