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(fèi)者對行動(dòng)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(kuò)大?？蓪?shí)現(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。　　

　　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(qiáng)化各式各樣的應(yīng)用。無線充電數(shù)量成長動(dòng)能，其一是來自消費(fèi)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(gè)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(fèi)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(jì)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(gè)發(fā)射板 （Transmitter Pad）可容納多個(gè)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(gè)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(jì)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(gè)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(shí)還會(huì)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(shí)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(dòng)電話將受惠最多，主因是行動(dòng)電話有著大面積且高亮度的顯示器、威力強(qiáng)大的多核心處理器、各種內(nèi)建無線功能、需要即時(shí)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(huì)導(dǎo)致手機(jī)在一天內(nèi)須重新充電好幾次。

　　此外，消費(fèi)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(fèi)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(dòng)電話。行動(dòng)電話營運(yùn)商并鼓勵(lì)無線電源傳送生態(tài)系統(tǒng)的建置，以讓行動(dòng)裝置可達(dá)成隨時(shí)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(dòng)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?！D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(huì)有更多車款也會(huì)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(xiàng)收入來源。舉例而言，星巴克的「Never Powerless」計(jì)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(jì)畫則是僅在美國地區(qū)就要提供超過一百萬個(gè)充電點(diǎn)。

　　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(dòng)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(bào)告中皆有強(qiáng)調(diào)，此報(bào)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(huì)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(gè)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(shí)際優(yōu)勢，但同時(shí)也面臨其他挑戰(zhàn)。

　　相較于Qi標(biāo)準(zhǔn)在110-205kHz的范圍中運(yùn)作，A4WP標(biāo)準(zhǔn)則是有固定的運(yùn)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更容易融入行動(dòng)裝置中。較高運(yùn)作頻率的另外一項(xiàng)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(shí)，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(gè)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(shí)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(yùn)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(yùn)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(shí)，效率會(huì)下降。

　　磁感應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)行上較簡單，因其總是運(yùn)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(dòng)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(huì)是消費(fèi)者的關(guān)注重點(diǎn)，但本文篇幅無法全面討論。就機(jī)構(gòu)方面而言，磁感應(yīng)是一個(gè)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(dòng)，第二點(diǎn)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(dòng)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(gè)潛在的問題，在短期內(nèi)將會(huì)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(diǎn)桌、柜臺檯面，以及其他位于機(jī)場、咖啡廳、娛樂場所等這些地點(diǎn)中的充電平面，這個(gè)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(diǎn)的場所使用。就理論上而言，這可能會(huì)導(dǎo)致手機(jī)擁有者必須去尋找可與他們的手機(jī)相容的特定無線電源存取點(diǎn)。這一點(diǎn)將無疑地會(huì)令消費(fèi)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(shí)，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(gè)問題。這些解決方案可以讓行動(dòng)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(dòng)電話可以擁有更長的開機(jī)時(shí)間，這也就促進(jìn)行動(dòng)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(yùn)算發(fā)展中最脆弱的