磁感應(yīng)/磁共振標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)　無線充電商用加速

無線充電應(yīng)用產(chǎn)品將大量涌現(xiàn)。消費者對行動裝置電池續(xù)航力的要求，促使無線充電技術(shù)快速演進(jìn)，不僅磁感應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與生態(tài)系統(tǒng)日益完備，且應(yīng)用版圖不斷擴大?？蓪崿F(xiàn)更長充電距離的磁共振技術(shù)規(guī)范與解決方案近期也大有突破，可望進(jìn)一步延伸無線充電的市場觸角?！　?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" border="0" height="1" src="http://editerupload.eepw.com.cn/fetch/20161101/313891_1_0.jpg" style="BORDER-BOTTOM: 0px; BORDER-LEFT: 0px; BORDER-TOP: 0px; BORDER-RIGHT: 0px" width="1" />

　　在電子產(chǎn)業(yè)中，無線電源技術(shù)是明顯成長的領(lǐng)域，且強化各式各樣的應(yīng)用。無線充電數(shù)量成長動能，其一是來自消費者對于采用電池做為電源的可穿戴電子裝置需求大增，另一則是充電的不便利性。具備無線充電能力的可穿戴設(shè)備數(shù)量已大幅成長，且隨著這個成長趨勢的持續(xù)，無線電源將成為日常生活及可穿戴設(shè)備使用習(xí)慣中的一環(huán)。

　　在消費市場中，鑒于開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、解決方案微型化、成本降低等考量，磁感應(yīng)（MI）及磁共振（MR）兩種技術(shù)成為具有主導(dǎo)地位的無線電源傳送技術(shù)。

　　由于有著較緊密的磁耦合，磁感應(yīng)目前可提供較高的電源傳送、設(shè)計較簡單，且具有較好的效率；至于磁共振則是能夠提供較多的空間自由度、每一個發(fā)射板 （Transmitter Pad）可容納多個接收裝置，以及在近場金屬物體上累積的熱量較少。在磁感應(yīng)領(lǐng)域有兩個盛行的標(biāo)準(zhǔn)：無線充電聯(lián)盟（WPC）的「Qi」標(biāo)準(zhǔn)，以及電源事務(wù)聯(lián)盟（PMA）的標(biāo)準(zhǔn)。對于現(xiàn)今以磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的可穿戴設(shè)備設(shè)計人員而言，問題因此產(chǎn)生，也就是是否可以確保與「Qi」標(biāo)準(zhǔn)、「PMA」標(biāo)準(zhǔn)，或與兩個標(biāo)準(zhǔn)的相容性。

　　磁共振的標(biāo)準(zhǔn)主要由無線電力聯(lián)盟（Alliance for Wireless Power， A4WP）主導(dǎo)。與「Qi」標(biāo)準(zhǔn)或「PMA」標(biāo)準(zhǔn)相容的產(chǎn)品，目前已上架銷售，而以A4WP為基礎(chǔ)的產(chǎn)品則被預(yù)期要在2014年問世。

　　本文旨在檢視無線電源產(chǎn)業(yè)以及磁感應(yīng)與磁共振技術(shù)的相關(guān)性；同時還會討論製造磁感應(yīng)無線電源接收器的晶片製造商，可以如何協(xié)助磁感應(yīng)技術(shù)克服雙重標(biāo)準(zhǔn)的問題。

　　生態(tài)系統(tǒng)成形　無線充電商用加速

　　在日常生活的許多方面，電源及資料的有線連接不便利性，已是無可避免。無線資料存取已經(jīng)無所不在，但是類似的簡單無線電源接取卻仍不可得。外出時得隨身帶著笨重的插頭、電線及轉(zhuǎn)接器，且須煩惱著找尋可用的公共電源插座，這種麻煩事總是一再重復(fù)。

　　在建立普及的無線電源生態(tài)系統(tǒng)后，行動電話將受惠最多，主因是行動電話有著大面積且高亮度的顯示器、威力強大的多核心處理器、各種內(nèi)建無線功能、需要即時資料的應(yīng)用程式，及新的生物識別應(yīng)用程式等，這些因素會導(dǎo)致手機在一天內(nèi)須重新充電好幾次。

　　此外，消費者的需求傾向更輕及更薄的裝置，但不幸的，鋰離子電池的功率密度并沒有對應(yīng)增加。為回應(yīng)消費者的需求，主要可穿戴設(shè)備製造商都已開始出貨與「Qi」標(biāo)準(zhǔn)（目前最盛行的無線充電標(biāo)準(zhǔn)）相容的行動電話。行動電話營運商并鼓勵無線電源傳送生態(tài)系統(tǒng)的建置，以讓行動裝置可達(dá)成隨時隨地充電，且能傳輸無線資料的目的（圖1）。

　　圖1 無線充電將讓行動電話等可穿戴設(shè)備的使用更加便利，并且可減輕攜帶各種特定充電器與電線的不便。　圖片來源：Powermat

　　只要將裝置放在支援無線電源的裝置上，即可進(jìn)行無線充電，前提是發(fā)射板須能廣泛設(shè)置，而這樣的建置已然發(fā)生。

　　目前在家庭及辦公室中，已經(jīng)有各種不同形式尺寸的Qi與PMA發(fā)射板可供選擇。豐田（Toyota）與克萊斯勒（Chrysler）的新車種已提供Qi標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射器的選擇，且未來還會有更多車款也會提供此功能；此外，許多售后市場（After Market）汽車解決方案也都問世。

　　PMA正快速簽署合作伙伴協(xié)議，這些合作伙伴發(fā)現(xiàn)在他們的餐廳、零售商場、旅館，以及其他場所中建置無線電源生態(tài)系統(tǒng)與智能型網(wǎng)路，可藉此吸引顧客，并可能形成另外一項收入來源。舉例而言，星巴克的「Never Powerless」計畫于2012年開始在麻薩諸塞州波士頓展開，并已開始在硅谷地區(qū)進(jìn)行新的建置，中期計畫則是僅在美國地區(qū)就要提供超過一百萬個充電點。

　　隨著發(fā)射器站生態(tài)系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的建立，可支援多種無線電源標(biāo)準(zhǔn)的行動裝置將受惠最多。IDT等公司所推出的類比與數(shù)位技術(shù)正快速發(fā)展，對于無線電源的需求也不斷成長，這些在IMS Research的研究報告中皆有強調(diào)，此報告說明在未來數(shù)年內(nèi)，無線電源產(chǎn)品的出貨量預(yù)期將會出現(xiàn)爆炸性成長，至2016年將超過叁億臺，且于2018 年達(dá)到十億臺。這代表著2011年沒有無線充電需求的市場，已成為一個明顯成長的市場。

　　磁感應(yīng)與磁共振技術(shù)各有優(yōu)劣

　　磁感應(yīng)技術(shù)（Qi與PMA）是首先在市場上出現(xiàn)的技術(shù)，且在初期的無線電源市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。相對于磁感應(yīng)，磁共振（A4WP）具有一些實際優(yōu)勢，但同時也面臨其他挑戰(zhàn)。

　　相較于Qi標(biāo)準(zhǔn)在110-205kHz的范圍中運作，A4WP標(biāo)準(zhǔn)則是有固定的運作頻率6.78MHz，很明顯的，透過法拉第的感應(yīng)定律，能以較松散的耦合因素（有著更多的位置彈性）進(jìn)行更有效的電源傳送。由于具有較高的頻率及較高的線圈電壓，因此可以使用較小且較薄的接收線圈，能讓機構(gòu)設(shè)計更容易融入行動裝置中。較高運作頻率的另外一項好處，就是接近發(fā)射板周圍的金屬異物內(nèi)所累積的熱量較少，此因有著較低的表面渦電流（Eddy Currents）所致，這也意味著裝置內(nèi)的寄生金屬（像是電池）在充電時，是不太可能累積熱量的。這種A4WP標(biāo)準(zhǔn)是利用頻帶外雙向藍(lán)牙低功耗 （BLE）訊號，來溝通與調(diào)解充電狀態(tài)下裝置的電源需求。

　　相反的，Qi與PMA標(biāo)準(zhǔn)使用單向的負(fù)載調(diào)變（Load Modulation）方式在頻段內(nèi)進(jìn)行通訊，并將電源調(diào)節(jié)訊息傳回至發(fā)射器。Qi標(biāo)準(zhǔn)的方法很簡單且便宜，但受限于低通訊速率，因此僅能處理一個接收器，且很容易受到系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁波干擾。

　　磁共振技術(shù)的實行有挑戰(zhàn)，須針對大眾市場進(jìn)一步最佳化量產(chǎn)解決方案后，才能真正有效運作。這種磁共振接收器是使用高Q值的電感電容（LC）儲能電路 （Tank Circuit），直接以共振頻率來運作。其中的挑戰(zhàn)在于，如何在不同的溫度與電壓之下，能持續(xù)將儲能線路調(diào)整至固定的共振頻率。當(dāng)它漂移時，效率會下降。

　　磁感應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)行上較簡單，因其總是運作在比共振更高的頻率上，所以并不需要高Q值的線路或是精確的被動元件。然磁共振高Q值線路使用較精確元件，因而抵銷掉使用較低線圈成本的效益。無屏蔽的磁共振接收線圈也較小，且使用比磁感應(yīng)線圈較細(xì)的電線，因此關(guān)鍵元件成本可更低。

　　無線電源系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁輻射，將會是消費者的關(guān)注重點，但本文篇幅無法全面討論。就機構(gòu)方面而言，磁感應(yīng)是一個封閉的耦合系統(tǒng)，這意味著發(fā)射與接收線圈是被直接放置在彼此的頂端，如此方可促使磁感應(yīng)的電源傳送，故可直接在線圈的上方與下方使用鐵芯來進(jìn)行屏蔽（圖2）。這些鐵芯屏蔽以兩種方式提供協(xié)助：首先，藉由讓它們更加靠近，且線圈有著較佳的耦合狀況后，來改善磁力線的循環(huán)流動，第二點則是這樣的屏蔽可減少從系統(tǒng)所發(fā)出電磁輻射的數(shù)量。

　　圖2 磁場大部分被包含在使用鐵芯屏蔽的材料中?！D片來源：TYLT

　?。跕B］克服Qi/PMA相容挑戰(zhàn)　雙模接收器方案有譜［@C］ 克服Qi/PMA相容挑戰(zhàn)　雙模接收器方案有譜

　　磁共振是一種松散的耦合系統(tǒng)，這意味著接收器可距離發(fā)射器10公分遠(yuǎn)（圖3），也因此，鐵芯屏蔽將無法達(dá)到磁感應(yīng)的優(yōu)勢。讓輻射程度保持在安全范圍內(nèi)是技術(shù)進(jìn)展的一部分，可進(jìn)一步推動無線電源傳送技術(shù)普及。

　　圖3　磁共振的無線充電可以有著松散的耦合以及空間自由度。

　　有一個潛在的問題，在短期內(nèi)將會抑制無線電源應(yīng)用的迅速增加，這些應(yīng)用包括公共場所的無線電源充電板、熱點桌、柜臺檯面，以及其他位于機場、咖啡廳、娛樂場所等這些地點中的充電平面，這個問題就是現(xiàn)存兩種磁感應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)--Qi與PMA標(biāo)準(zhǔn)的相互競爭。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都是可行的方式，且可提供可靠的效能，因此這兩種標(biāo)準(zhǔn)似乎都可能被建置公共充電熱點的場所使用。就理論上而言，這可能會導(dǎo)致手機擁有者必須去尋找可與他們的手機相容的特定無線電源存取點。這一點將無疑地會令消費者感到挫折，以及可能因而降低利用率。

　　擺脫充電線　無線充電技術(shù)加速普及

　　半導(dǎo)體業(yè)者在開發(fā)無線電源解決方案時，早已認(rèn)知到此一問題，并且已開發(fā)出可消弭發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)的相容障礙的無線電源接收晶片，這種雙模接收器單晶片解決方案已能解決這個問題。這些解決方案可以讓行動裝置及周邊的OEM業(yè)者將產(chǎn)品銷售至更廣大的市場，且能藉由避免多種不同產(chǎn)品的需求，進(jìn)而節(jié)省成本。OEM廠商現(xiàn)在可以使用單一整體物料清單（BOM），以及透過使用單一的通用線路布局，來將應(yīng)用產(chǎn)品的占板空間極小化。

無線電源是一種令人振奮的新技術(shù)，它讓行動電話可以擁有更長的開機時間，這也就促進(jìn)行動電話的創(chuàng)新。利用特定的充電轉(zhuǎn)接器及麻煩的電線來為電池充電，已被證明是一種不便，且可能是可穿戴通訊及運算發(fā)展中最脆弱的