無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

原理簡(jiǎn)單·實(shí)作困難

無(wú)線充電的方法在實(shí)驗(yàn)階段有開(kāi)發(fā)出很多方法，但目前唯一有機(jī)會(huì)量產(chǎn)商品化為線圈感應(yīng)式。線圈感應(yīng)式的原理很簡(jiǎn)單，是百年前就被發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象，但過(guò)去長(zhǎng)久以來(lái)這樣的線圈感應(yīng)只運(yùn)用在繞線式的變壓器中。早期就有人發(fā)現(xiàn)將繞線式的變壓器的將“E”型鐵心繞線后對(duì)向緊貼后接上市電就可以感應(yīng)傳電，但距離略為分開(kāi)后感應(yīng)效果就消失，這是因?yàn)樵谑须?0Hz下，電磁波傳遞會(huì)隨著距離增加能量快速衰退。

在現(xiàn)今的應(yīng)用中，由于裝置本身需要有外殼包裝，發(fā)射端加上接收端的外殼厚度至少?gòu)?mm起算，早期電動(dòng)牙刷產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)就發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離拉開(kāi)后需要將線圈上的操作頻率提高才能讓電力能傳送的更遠(yuǎn)；在電磁波中有一個(gè)特性，就是頻率越高的電磁波可以傳送比較長(zhǎng)的距離后能量衰減較低。

后來(lái)RFID應(yīng)用開(kāi)始發(fā)展，主要就規(guī)劃的三個(gè)頻段LF低頻(125~135KHz)、HF高頻(13.56MHz)、UHF超高頻(860~960MHz)可以使用，而這些頻段也造就了目前無(wú)線電力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初頻率采用的參考點(diǎn)。早在10年前電動(dòng)牙刷的無(wú)線充電就已經(jīng)上市，當(dāng)時(shí)的傳送功率小、充電時(shí)間長(zhǎng)，在現(xiàn)在的智能手持裝置的耗電狀況來(lái)看，當(dāng)時(shí)的充電能量不敷使用所以10年來(lái)還無(wú)法實(shí)用化。但這幾年來(lái)發(fā)展出新的技術(shù)可用較高的“共振”接收效率運(yùn)作方式，由于這個(gè)技術(shù)較新所以各界的說(shuō)法很多，但都是有一個(gè)很重要的特性，就是接收線圈上都會(huì)有配置電容來(lái)構(gòu)成一個(gè)具有頻率特性的接收天線，在特定的頻率下可以得到較大的功率移轉(zhuǎn)。這部份就跟早期的電磁感應(yīng)不同，當(dāng)距離拉開(kāi)后依然就可以得到良好的電力傳送效果。共振的原理非常簡(jiǎn)單，就跟鋼琴調(diào)音師一樣放不同水量的玻璃杯，在精準(zhǔn)的調(diào)音下可以將某個(gè)玻璃杯透過(guò)共振將其振碎；但其它的文章都沒(méi)有提到，若是沒(méi)有經(jīng)過(guò)專業(yè)鋼琴調(diào)音師訓(xùn)練的一般人，可能永遠(yuǎn)也調(diào)不出可以讓玻璃杯振碎的頻率！這就是原理簡(jiǎn)單、實(shí)作困難。

展示簡(jiǎn)單·上市困難

電子零件出廠時(shí)就像是未調(diào)過(guò)音的鋼琴，鋼琴透過(guò)專業(yè)的調(diào)音師精準(zhǔn)調(diào)校后可以發(fā)出高品質(zhì)的聲音；當(dāng)大量生產(chǎn)后為了成本考量可能就無(wú)法在每一個(gè)產(chǎn)品都經(jīng)由專業(yè)人員調(diào)校再出貨，如果每一個(gè)產(chǎn)品都要專業(yè)人員來(lái)修正那就會(huì)有困難，因?yàn)閷I(yè)人員有限。這就跟目前可以看到很多無(wú)線充電產(chǎn)品在很久前就發(fā)表了，在發(fā)表會(huì)上產(chǎn)品都可以完美演出，但過(guò)了很久的等待后還沒(méi)見(jiàn)產(chǎn)品上市？就跟剛提到的例子一樣，無(wú)線充電的產(chǎn)品為了達(dá)到很好的共振效果必需經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)的調(diào)校，在這樣的狀況下量產(chǎn)會(huì)變的非常困難。

所以無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先必需要能針對(duì)共振這部份能自我調(diào)整，這樣才能解決量產(chǎn)難題。2008年INTEL即發(fā)表了可以離一公尺距離的兩個(gè)線圈傳送電力用以點(diǎn)亮60瓦特?zé)襞荩l(fā)表當(dāng)時(shí)也宣告了無(wú)線電力時(shí)代已經(jīng)到來(lái)；但三年過(guò)去了相關(guān)產(chǎn)品還是沒(méi)有上市，仔細(xì)想一下可以相距一公尺傳送電力，這么強(qiáng)大的電磁能量就算對(duì)人體沒(méi)影響、對(duì)周遭的電氣制品會(huì)有非常大的殺傷力。

無(wú)線電力系統(tǒng)的原理與烹調(diào)電磁爐相同，透過(guò)電磁波來(lái)傳送能量只不過(guò)目標(biāo)不同，電磁爐使用頻率約50KHz能量發(fā)出后給鍋具加熱用已烹飪，過(guò)去網(wǎng)絡(luò)上就有流傳過(guò)一段影片就是將手機(jī)放在運(yùn)作中的電磁爐表面上，在短時(shí)間內(nèi)手機(jī)即燒毀，這樣的原理一樣電磁波會(huì)穿過(guò)手機(jī)外殼直接對(duì)內(nèi)部的金屬構(gòu)造加熱終至燒毀。前文題到過(guò)，為了加長(zhǎng)傳送距離必需提高傳送頻率，電磁爐的頻率較低在離開(kāi)數(shù)公分后就衰減到安全界限以下，INTEL發(fā)表的相距一公尺傳送電力必需將頻率提高到約13MHz才能傳送，在這個(gè)狀況下線圈之間若是存在金屬物體將會(huì)被加熱而發(fā)生危險(xiǎn)，表演中工作人員可以站在兩個(gè)線圈中間不會(huì)有危險(xiǎn)，是因?yàn)槿梭w內(nèi)的金屬成份很少所以溫度上升有限。

當(dāng)電磁波頻率加到1GHz以上就會(huì)直接對(duì)水分子加熱；這個(gè)原理就變成微波爐了，水分子被電磁波攪動(dòng)后發(fā)出熱量。所以微波爐與電磁爐不一樣，必需在屏蔽體內(nèi)操作避免為害到人體。這部份又與市面上的無(wú)線通訊產(chǎn)品不同，因?yàn)槟芰坎罹嗌醮螅粺o(wú)線電力系統(tǒng)需要傳送電力而發(fā)送到受電裝置所以需高功率傳送，無(wú)線通訊產(chǎn)品收到低功率訊號(hào)后再透過(guò)內(nèi)部的電池將訊號(hào)放大處理。所以不管是在13MHz會(huì)對(duì)金屬加熱或是1GHz以上直接傷害人體，無(wú)線電力在設(shè)計(jì)時(shí)必需解決安全的問(wèn)題才能上市，這就是展示簡(jiǎn)單、上市困難。

三大效能指針 效率、安全、功率

電動(dòng)牙刷早在10年前就堆出無(wú)線充電了，當(dāng)時(shí)由于功率需求低所以不需要考慮效率與安全。早期的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率只有20%-30%，且沒(méi)有安全機(jī)制并不會(huì)辯識(shí)目標(biāo)連續(xù)供電，這樣的系統(tǒng)就與微型電磁爐一樣。由于功率很小，接收需求只有0.1W上下，只有20%的轉(zhuǎn)換效率下即有80%的能量于傳送中轉(zhuǎn)成熱量散逸，這樣推算發(fā)射器提供0.5W的能量到接收器為0.1W的能量，0.4W產(chǎn)生的熱量有限對(duì)系統(tǒng)的溫度上升不明顯，且系統(tǒng)最大輸出能力也不大即0.5W，所以在發(fā)射器上放置金屬異物也不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)；但今日的裝置需求遠(yuǎn)高于0.1W，以熱銷的智能型手機(jī)來(lái)看接收需要5V-1A 即5W的充電能量，若用電動(dòng)牙刷的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)問(wèn)題就會(huì)很大了，接收端5W的需求在只有20%的轉(zhuǎn)換效率下有20W的能量轉(zhuǎn)換成熱能散逸，這樣的能量會(huì)產(chǎn)生龐大的熱能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度大幅上升，在這樣的推算下，系統(tǒng)最大輸出能力會(huì)在25W，若為無(wú)安全設(shè)計(jì)下于發(fā)射器上放置金屬異物可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)意外，所以在功率需求提高后衍生的問(wèn)題需要全新的設(shè)計(jì)來(lái)完成無(wú)線充電，所以10年前即出現(xiàn)的無(wú)線充電到今還改良之中。新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需為了達(dá)到目標(biāo)功率，必需先解決效率與安全的問(wèn)題。

高轉(zhuǎn)換效率仰賴先進(jìn)規(guī)格零件與材料

現(xiàn)今無(wú)線充電系統(tǒng)都采用共振的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在架構(gòu)上都大至相同有下列這些構(gòu)造：發(fā)射器內(nèi)有

1. 直流電源輸入；2. 頻率產(chǎn)生裝置；3. 切換電力的開(kāi)關(guān)；4. 發(fā)射的線圈與電容諧振組合

接收器內(nèi)有

A. 接收的線圈與電容諧振組合；B. 整流器；C. 濾波與穩(wěn)壓器；D. 直流電源輸出

在樣的架構(gòu)下從發(fā)射器的1.直流電源輸入到接收器 D.直流電源輸出應(yīng)過(guò)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都是效率損耗的要點(diǎn)，在電源電路中電流通過(guò)的每一個(gè)有阻抗特性的零件都會(huì)在上面損耗部份能量，這幾年材料的進(jìn)步也讓無(wú)線充電的實(shí)用化大增，其中有幾樣先進(jìn)零件是無(wú)線充電系統(tǒng)中與傳輸效率相關(guān)的，為了達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率需要將這些零件與材料作組合運(yùn)用。

a. 頻率產(chǎn)生裝置：目前有數(shù)家公司將此部份開(kāi)發(fā)成IC銷售，其為發(fā)射電路板上的關(guān)鍵零件。

b. 切換電力的開(kāi)關(guān)：大多為MOSFET所構(gòu)成，低導(dǎo)通阻抗與高切換速度是選用的要點(diǎn)。

c. 發(fā)射／接收的線圈與電容諧振組合：此部份為過(guò)去從未出現(xiàn)過(guò)的技術(shù)，由于無(wú)規(guī)則可循所以只能透過(guò)不斷的嘗試，另外未了阻絕多于的能量散到其它地方，于線圈的未感應(yīng)側(cè)都會(huì)家上磁性材料，這類的材料特性也是全新的應(yīng)用。

d. 整流器：由于在線圈上的操作都是高頻率、高電壓的能量訊號(hào)需要能有效的換成直流電才能給受電裝置使用，目前大多采用超低VF的蕭特基二極管所構(gòu)成。

e. 濾波與穩(wěn)壓器：這部份難度在接收裝置空間有限，設(shè)計(jì)上要小型化的困難處，通常高轉(zhuǎn)換效率的電路配置大體積被動(dòng)零件。

設(shè)計(jì)最艱難的部份在于安全

先前提到無(wú)線充電系統(tǒng)與電磁爐一樣會(huì)發(fā)射電磁波能量，這有兩大問(wèn)題:

其一為當(dāng)發(fā)射器