Q：何為無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)？有何特征？
A：所謂無(wú)線(xiàn)充電，正如其名字一樣是通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式來(lái)達到電力傳輸的技術(shù)。與常規的把電源線(xiàn)連接到手機上充電的方式不同，它只需將手機直接放在充電臺上就能進(jìn)行充電了。
圖1所示、「充電器（電力輸出側）的線(xiàn)圈中流過(guò)交流電而發(fā)生磁通量，該磁通量和智能手機（電力接收側）的線(xiàn)圈相連接，流過(guò)感應電流�！估眠@樣的電磁感應原理進(jìn)行充電。
圖1無(wú)線(xiàn)充電圖例
Q：無(wú)線(xiàn)充電器所面臨哪些難題？
A：在智能手機高耗能的時(shí)代，擁有一款無(wú)線(xiàn)充電器作為外設移動(dòng)電源還是很不錯的，但是目前在技術(shù)方面，這種電源適配器還處在發(fā)展階段，對于無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，它面臨著(zhù)那些難題呢？
一，干擾問(wèn)題，平時(shí)我們都有這樣的經(jīng)歷，手機放在電腦或者電視旁邊時(shí)候，如果有短信或者電話(huà)進(jìn)來(lái)，電腦或者電視屏幕就會(huì )受到干擾。如果把無(wú)線(xiàn)充電器放到房間里，是否也會(huì )對很多的家用電器產(chǎn)生干擾呢？
二，效率問(wèn)題，實(shí)踐證明，無(wú)線(xiàn)充電器充電的轉化率比起有線(xiàn)充電器來(lái)說(shuō)，要低了不少，目前最高只能達到85%，也算是一種能源浪費。所以使用在技術(shù)方面，還有提升的空間。
三，成本問(wèn)題，畢竟無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)雖然是早就有的技術(shù)，但是應用于充電還是一個(gè)新事物。無(wú)線(xiàn)充電包括電源管理模塊、發(fā)射電路、接收轉換電路和充電電路，而且還會(huì )涉及到很多的專(zhuān)利費用，成本一定高于目前廣泛使用的有線(xiàn)充電和萬(wàn)能充電器。
四，限制問(wèn)題，就目前來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)充電器還無(wú)法達到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )那么大范圍的覆蓋率，雖然充電板和接收器是兩個(gè)部分，但是彼此還是不能分開(kāi)太遠，不然充電效率會(huì )大幅下降甚至無(wú)法充電。
五，輻射問(wèn)題，現在人們談輻射色變，無(wú)線(xiàn)充電由于電感線(xiàn)圈的存在，必然會(huì )產(chǎn)生磁力線(xiàn)輻射，但是在電流的輻射方面，目前無(wú)線(xiàn)充電器基本上將交流電整流后轉換為直流電，且功率極小， 所以關(guān)于輻射的問(wèn)題，依然是人們最為關(guān)注的方面。
相信相信隨著(zhù)未來(lái)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線(xiàn)充電器所面臨的以上難題將會(huì )迎刃而解，真正實(shí)現規�；纳a(chǎn)與應用。目前，各大充電器廠(chǎng)家在生產(chǎn)制造方面都做好了充分準備。
Q：無(wú)線(xiàn)充電器會(huì )產(chǎn)生哪些噪聲問(wèn)題？
A：在無(wú)線(xiàn)充電器中，如圖2所示，①充電過(guò)程中低于100MHz的低頻帶中輻射放射（被釋放到空間的噪聲）變大，②充電過(guò)程中播放電視或者音頻，數據通信的接收靈敏度變差，會(huì )發(fā)生這兩種噪聲問(wèn)題。
充電過(guò)程中單分割的播放無(wú)法接收信號、不能接聽(tīng)來(lái)電，不能接收短信這類(lèi)的問(wèn)題。
圖2 有噪聲問(wèn)題的頻帶
Q：無(wú)線(xiàn)充電器中的噪聲干擾機制是怎樣的？
A：噪聲源來(lái)自于在約100kHz時(shí)驅動(dòng)的變頻器。這種諧波成分在1GHz附近存在，會(huì )引起各種各樣的噪聲問(wèn)題。
此外，電源線(xiàn)端放射的噪聲被作為輻射來(lái)觀(guān)察，從電力輸出線(xiàn)圈放射的噪聲和智能手機的天線(xiàn)結合會(huì )引起抑制接收靈敏度的現象。
圖3無(wú)線(xiàn)充電器的噪聲干擾機制
Q：在無(wú)線(xiàn)充電器中何種噪聲對策是有效的？
A：噪聲對策的基礎是在噪聲源發(fā)出的噪聲到達容易放射噪聲的天線(xiàn)之前就將噪聲抑制。如果不泄漏，即使是無(wú)線(xiàn)充電器，可以通過(guò)在電源線(xiàn)的底部插入共模扼流圈（CMCC）來(lái)達到削減輻射量的效果，在電力輸出線(xiàn)圈前插入低ESL電容器和共模扼流圈可以達到改善接收靈敏度的效果。
圖4 無(wú)線(xiàn)充電器的噪聲對策
具體的改善效果如圖5圖6所示。
通過(guò)在電源線(xiàn)的底部插入共模扼流圈，能減低輻射量約20dB，CISPR22的規定中有明確表示。此外，通過(guò)在電力輸出線(xiàn)圈前插入低ESL電容器和共模扼流圈改善接收靈敏度最大可達13dB，與不充電的時(shí)候的水平幾乎持平。
圖5 輻射量的改善效果
圖6接收靈敏度的改善效果
Q：談?wù)劶夹g(shù)、市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)鏈？
A：原理簡(jiǎn)單，實(shí)作困難
無(wú)線(xiàn)充電的方法在實(shí)驗階段有開(kāi)發(fā)出很多方法，但目前唯一有機會(huì )量產(chǎn)商品化為線(xiàn)圈感應式。線(xiàn)圈感應式的原理很簡(jiǎn)單，是百年前就被發(fā)現物理現象，但過(guò)去長(cháng)久以來(lái)這樣的線(xiàn)圈感應只運用在繞線(xiàn)式的變壓器中。早期就有人發(fā)現將繞線(xiàn)式的變壓器的將“E”型鐵心繞線(xiàn)后對向緊貼后接上市電就可以感應傳電，但距離略為分開(kāi)后感應效果就消失，這是因為在市電60Hz下，電磁波傳遞會(huì )隨著(zhù)距離增加能量快速衰退。在現今的應用中，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從3mm起算，早期電動(dòng)牙刷產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)就發(fā)現當距離拉開(kāi)后需要將線(xiàn)圈上的操作頻率提高才能讓電力能傳送的更遠；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(cháng)的距離后能量衰減較低。后來(lái)RFID應用開(kāi)始發(fā)展，主要就規劃的三個(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(xiàn)電力系統在設計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(xiàn)充電就已經(jīng)上市，當時(shí)的傳送功率小、充電時(shí)間長(cháng)，在現在的智能手持裝置的耗電狀況來(lái)看，當時(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(xiàn)圈上都會(huì )有配置電容來(lái)構成一個(gè)具有頻率特性的接收天線(xiàn)，在特定的頻率下可以得到較大的功率移轉。這部份就跟早期的電磁感應不同，當距離拉開(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，就跟鋼琴調音師一樣放不同水量的玻璃杯，在精準的調音下可以將某個(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(zhuān)業(yè)鋼琴調音師訓練的一般人，可能永遠也調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(chǎng)時(shí)就像是未調過(guò)音的鋼琴，鋼琴透過(guò)專(zhuān)業(yè)的調音師精準調校后可以發(fā)出高品質(zhì)的聲音；當大量生產(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(zhuān)業(yè)人員調校再出貨，如果每一個(gè)產(chǎn)品都要專(zhuān)業(yè)人員來(lái)修正那就會(huì )有困難，因為專(zhuān)業(yè)人員有限。這就跟目前可以看到很多無(wú)線(xiàn)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(xiàn)充電的產(chǎn)品為了達到很好的共振效果必需經(jīng)過(guò)精準的調校，在這樣的狀況下量產(chǎn)會(huì )變的非常困難。所以無(wú)線(xiàn)充電系統的設計首先必需要能針對共振這部份能自我調整，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(xiàn)圈傳送電力用以點(diǎn)亮60瓦特燈泡，發(fā)表當時(shí)也宣告了無(wú)線(xiàn)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，仔細想一下可以相距一公尺傳送電力，這么強大的電磁能量就算對人體沒(méi)影響、對周遭的電氣制品會(huì )有非常大的殺傷力。無(wú)線(xiàn)電力系統的原理與烹調電磁爐相同，透過(guò)電磁波來(lái)傳送能量只不過(guò)目標不同，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放在運作中的電磁爐表面上，在短時(shí)間內手機即燒毀，這樣的原理一樣電磁波會(huì )穿過(guò)手機外殼直接對內部的金屬構造加熱終至燒毀。前文題到過(guò)，為了加長(cháng)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(xiàn)圈之間若是存在金屬物體將會(huì )被加熱而發(fā)生危險，表演中工作人員可以站在兩個(gè)線(xiàn)圈中間不會(huì )有危險，是因為人體內的金屬成份很少所以溫度上升有限。當電磁波頻率加到1GHz以上就會(huì )直接對水分子加熱；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，必需在屏蔽體內操作避免為害到人體。這部份又與市面上的無(wú)線(xiàn)通訊產(chǎn)品不同，因為能量差距甚大；無(wú)線(xiàn)電力系統需要傳送電力而發(fā)送到受電裝置所以需高功率傳送，無(wú)線(xiàn)通訊產(chǎn)品收到低功率訊號后再透過(guò)內部的電池將訊號放大處理。所以不管是在13MHz會(huì )對金屬加熱或是1GHz以上直接傷害人體，無(wú)線(xiàn)電力在設計時(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(xiàn)充電了，當時(shí)由于功率需求低所以不需要考慮效率與安全。早期的系統轉換效率只有20%-30%，且沒(méi)有安全機制并不會(huì )辯識目標連續供電，這樣的系統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%的轉換效率下即有80%的能量于傳送中轉成熱量散逸，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)生的熱量有限對系統的溫度上升不明顯，且系統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；但今日的裝置需求遠高于0.1W，以熱銷(xiāo)的智能型手機來(lái)看接收需要5V-1A： 即5W的充電能量，若用電動(dòng)牙刷的系統進(jìn)行設計問(wèn)題就會(huì )很大了，接收端5W的需求在只有20%的轉換效率下有20W的能量轉換成熱能散逸，這樣的能量會(huì )產(chǎn)生龐大的熱能會(huì )導致系統溫度大幅上升，在這樣的推算下，系統最大輸出能力會(huì )在25W，若為無(wú)安全設計下于發(fā)射器上放置金屬異物可能會(huì )導致火災意外，所以在功率需求提高后衍生的問(wèn)題需要全新的設計來(lái)完成無(wú)線(xiàn)充電，所以10年前即出現的無(wú)線(xiàn)充電到今還改良之中。新設計的系統需為了達到目標功率，必需先解決效率與安全的問(wèn)題。
高轉換效率仰賴(lài)先進(jìn)規格零件與材料
現今無(wú)線(xiàn)充電系統都采用共振的方式進(jìn)行設計，在架構上都大至相同有下列這些構造：
發(fā)射器內有
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(xiàn)圈與電容諧振組合
接收器內有
A.接收的線(xiàn)圈與電容諧振組合
B.整流器
C.濾波與穩壓器
D.直流電源輸出
在樣的架構下從發(fā)射器的1.直流電源輸入到接收器 D.直流電源輸出應過(guò)的每一個(gè)環(huán)節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(xiàn)充電的實(shí)用化大增，其中有幾樣先進(jìn)零件是無(wú)線(xiàn)充電系統中與傳輸效率相關(guān)的，為了達到高轉換效率需要將這些零件與材料作組合運用。
A.頻率產(chǎn)生裝置：目前有數家公司將此部份開(kāi)發(fā)成IC銷(xiāo)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所構成，低導通阻抗與高切換速度是選用的要點(diǎn)。
c.發(fā)射／接收的線(xiàn)圈與電容諧振組合：此部份為過(guò)去從未出現過(guò)的技術(shù)，由于無(wú)規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(xiàn)圈的未感應側都會(huì )家上磁性材料，這類(lèi)的材料特性也是全新的應用。
d.整流器：由于在線(xiàn)圈上的操作都是高頻率、高電壓的能量訊號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成。
e.濾波與穩壓器：這部份難度在接收裝置空間有限，設計上要小型化的困難處，通常高轉換效率的電路配置大體積被動(dòng)零件。
設計最艱難的部份在于安全
先前提到無(wú)線(xiàn)充電系統與電磁爐一樣會(huì )發(fā)射電磁波能量，這有兩大問(wèn)題：
其一為當發(fā)射器上沒(méi)有放目標充電裝置時(shí)一樣在發(fā)射能量，長(cháng)時(shí)間下會(huì )造成能源的浪費，不符合現在產(chǎn)品節能的趨勢。另外一個(gè)問(wèn)題較嚴重，為當發(fā)射器上放的是金屬異物，電磁波對其加熱；這個(gè)狀況輕則燒毀裝置，重則發(fā)生火災危其人員生命財產(chǎn)。所以無(wú)線(xiàn)充電系統若要上市銷(xiāo)售，必需要有一個(gè)重要的功能即為“受電端目標物辨識”，當正確的目標物放置在發(fā)射器上才開(kāi)始送電，若不是的話(huà)則不送電。用來(lái)偵測近距離裝置的方法有很多，但在無(wú)線(xiàn)充電系統上有一個(gè)問(wèn)題就是無(wú)法采用昂貴的零件來(lái)完成這個(gè)功能，記住目前設計的只是一個(gè)充電器，若成本太高的話(huà)市場(chǎng)會(huì )無(wú)法接受這個(gè)功能。而目前有兩個(gè)實(shí)用的方法來(lái)完成這個(gè)功能： 1. 磁力激活：在受電端上裝一個(gè)磁鐵，當發(fā)射端感應到磁力后開(kāi)始發(fā)送能量，這個(gè)方法簡(jiǎn)單有效，因為沒(méi)有人會(huì )無(wú)意中放一個(gè)磁鐵在發(fā)射器上讓它燒毀。2.感應線(xiàn)圈上的資料傳送：這是目前認為最安全的方法，與RFID的原理相同，利用兩個(gè)線(xiàn)圈內的電力傳送中，包含資料碼一起傳送；這個(gè)方法最安全也是最難完成的，因為感應線(xiàn)圈上有高能量的電力傳輸、另外還包含了系統的噪聲與負載電流變化的干擾，如何有效的傳送資料碼是一大難題。
可變功率系統需建立在數據傳輸機制上
一個(gè)理想的系統為在無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器上放置不同的接收器，接收器可為不同的裝置從小電力的耳機到大功率的筆記型計算機，都應該要能對應不同的目標物；但每個(gè)接收裝置的電力需求都不一樣，這時(shí)發(fā)射器必需要能自動(dòng)調節功率輸出。但這樣的功能要建立在發(fā)射器與接收器要能夠傳送資料碼來(lái)進(jìn)行溝通，所以如何運用感應電力的線(xiàn)圈進(jìn)行資料碼傳送是研發(fā)的要點(diǎn)。關(guān)于這個(gè)技術(shù)數年前已經(jīng)有多家公司投入開(kāi)發(fā)，其每家公司的方法有差異在實(shí)作上的穩定性也需要再經(jīng)過(guò)驗證。
無(wú)線(xiàn)充電共通標是理想卻難以實(shí)現
目前有業(yè)者在推行無(wú)線(xiàn)充電標準，理想化的標準是可以跨品牌使用。這個(gè)是一個(gè)很理想化的目標，所謂的標準就針對兩個(gè)部份需要規范才能運作；第一就是要有共通的共振頻率，電力傳輸是需要透過(guò)預設好的共振頻率來(lái)傳送，發(fā)射器提供的電磁波能量之頻率需要是接收器的共振頻率才能得到好的轉換效率。第二就是標準的資料傳送碼或其它識別激活方式，發(fā)射器需要對應到正確的接收器才能開(kāi)始送電。一個(gè)共通的標準的確是市場(chǎng)所期待的，目前在推動(dòng)無(wú)線(xiàn)充電標準化的團體已經(jīng)運作多時(shí)，但在市面上的產(chǎn)品還算少見(jiàn)，這部份可以深入了解后可以發(fā)現一些問(wèn)題，一部份是其標準尚未完整以致研發(fā)人員照規格書(shū)開(kāi)發(fā)確無(wú)法順利將產(chǎn)品完成；另一個(gè)問(wèn)題是該標準并不是免費的，當產(chǎn)品上市前需要先支付相關(guān)專(zhuān)利的權利金，所以共通標準是未來(lái)的趨勢，但目前實(shí)際應用還未成熟。
三大關(guān)鍵組件牽動(dòng)三個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈
就無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品看有三大關(guān)鍵組件，其中有控制電路板、感應線(xiàn)圈、磁性材料。
目前無(wú)線(xiàn)充電尚在起步階段，市場(chǎng)預期接下來(lái)的二到三年會(huì )開(kāi)始高度成長(cháng)，而四年后將會(huì )變成品牌商品的標準備規格之一。這個(gè)市場(chǎng)的成長(cháng)會(huì )牽動(dòng)的產(chǎn)業(yè)鏈不只在電子產(chǎn)業(yè)，感應線(xiàn)圈需要精密治具生產(chǎn)這牽動(dòng)的是機械工業(yè)，線(xiàn)圈上需要運用高效能電磁波屏蔽能力的磁性材料這牽動(dòng)的是化學(xué)工業(yè)。所以一個(gè)產(chǎn)品的成長(cháng)可以牽動(dòng)三個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，因為這個(gè)產(chǎn)品并不是過(guò)去已經(jīng)存在的產(chǎn)品，而是全新的類(lèi)別全新的應用，相關(guān)的材料都要重新開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，對經(jīng)營(yíng)面來(lái)看這也是可以開(kāi)發(fā)的新領(lǐng)域。 |
