高效率無線充電加技術(shù)逐步邁向成熟

機器人助中國制造向服務業(yè)強國邁進

高效率無線充電系統(tǒng)將以更高的功率滿足各式應用市場需求，但無論是接收端或發(fā)送端裝置設(shè)計廠商，皆須依循相容性安全測試標準控制收發(fā)裝置功率、熱效應及抗干擾能力，以確保中高功率無線充電系統(tǒng)運作無安全疑慮。

自2008年底創(chuàng)立至今，無線充電聯(lián)盟(WPC)已經(jīng)邁入第6年，全球會員數(shù)突破兩百大關(guān)，認證的商品也將近五百項。在無線電力聯(lián)盟(A4WP)與電力事業(yè)聯(lián)盟(PMA)強勁的追趕與競爭下，無線充電市場熱度持續(xù)增加，新技術(shù)也不斷問世，PMA宣布將于2014年中發(fā)表正式的裝置陣容，聯(lián)發(fā)科更宣告支援多模晶片組技術(shù)，2014年的無線充電市場將呈現(xiàn)全新面貌(表1)。

如同電動車須要搭配充電站一樣，無線充電也必須是發(fā)射端與接收端的系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)互相配合才能一起前進，如果步伐無法一致，就會產(chǎn)生供需失調(diào)的情況。2010年TOPPOWER電源模塊即推出第一代的配套產(chǎn)品，透過帶著通用序列匯流排(USB)介面的接收器與帶著變壓器的發(fā)射器，解決介面搭配的問題，更多的電線與更多的連接介面(USB至接收器、發(fā)射器至變壓器)也造成使用麻煩(圖1)，因而在市場上發(fā)展牛步。

面臨龐大的行動電源兵團，無線充電系統(tǒng)模式也開始轉(zhuǎn)變，無線充電牙刷的老觀念發(fā)揮作用，開始有嵌入于行動裝置內(nèi)的二代技術(shù)，將裝置分離成為終端與發(fā)射端的兩大專業(yè)陣營，取得第一波的爆炸性成長。WPC陣營在2012年會員數(shù)開始大幅成長，已超過百家，儼然成為一股不可忽視的勢力，但在行動裝置競爭日益劇烈的情況下，系統(tǒng)陣營的戰(zhàn)爭將成為成敗關(guān)鍵。

各陣營角力暗潮洶涌

PMA聯(lián)盟在2012年成軍，打著Power 2.0的口號，期待無線充電成為新一代的電力系統(tǒng)，盡管有Google加持并做為行動裝置陣營的要角，但這并沒有與其他陣營有太大的差別，但另外一個重要創(chuàng)始成員星巴克(Starbucks)的加入，則帶來關(guān)鍵差異。

PMA 官網(wǎng)說明星巴克在2013年波士頓(Boston)分店中，展示埋入于桌子的無線充電示范系統(tǒng)，這讓使用者得以首次擺脫充電線的束縛。無獨有偶，豐田汽車 (Toyota)也發(fā)表內(nèi)埋于車內(nèi)的無線充電概念，在2013年末的車展上，Avalon車款將無線充電熱點內(nèi)埋在排檔與手煞車間的平坦區(qū)。

至于A4WP則嘗試利用磁共振技術(shù)的長距傳輸優(yōu)勢，放大發(fā)射線圈的尺寸，讓接收裝置不再須與熱點緊密的接觸，也采取一機多充的模式，稍微松綁無形的束縛感，但由于主線圈與次線圈設(shè)計大小差異過大，雖兼顧使用范圍與裝置數(shù)量，但也不免造成傳輸效率低落的風險。

WPC也推出大面積多線圈的新設(shè)計，透過廣布的小型線圈與發(fā)射器矩陣，并藉由局限磁通量的設(shè)計，達到定位目的，減少傳輸能量的浪費。

2013 年加入PMA陣營的Dupont，則是透過商品名為Corian的人造大理石建材系統(tǒng)，宣稱其能夠內(nèi)埋感應器與線圈，達到廚具桌面與地板面材均可做為無線充電基地臺的目的(圖2)。由賓州大學畢業(yè)生所發(fā)展的uBeam技術(shù)，則號稱可以透過天花板提供無線充電的能量來源。

2014年初蘋果(Apple)也發(fā)表目標傳輸距離超過3公尺的系統(tǒng)，在合作夥伴的示范影片中，成功地啟動充電工作，并可在3公尺的工作范圍內(nèi)自由移動，在網(wǎng)路上所公開的資料中，3公尺長距離的傳輸有賴于廣布的發(fā)射線圈與通訊器矩陣，達到定向與提高功率的目標。

無線充電進駐智慧家庭

目前的無線充電系統(tǒng)并沒有創(chuàng)造完全不一樣的新體驗，因此并無法震撼對科技進展大多無感的廣大消費群。如果要真正創(chuàng)造無線充電優(yōu)勢，必須從原本就有線或者長期處于有線狀態(tài)，但是有頻繁移動需求卻因為電源傳輸限制而無法任意移動的機電設(shè)備下手。這樣的設(shè)備其實也不少，像辦公桌上的筆記型電腦、鍵盤、滑鼠、電腦顯示器、印表機等，都是可能在使用中會移動或常常因為擺設(shè)而須要移動的機電設(shè)備，這些雜亂的電線不只有美觀問題，也有可能因為搬動而拉扯，造成人員行動不便或絆倒，或者老舊斷裂甚至產(chǎn)生短路、漏電、過載等起火或觸電的危險。

發(fā)展成熟的無線充電系統(tǒng)，除能夠無線化，同時也因為電能轉(zhuǎn)換效率的要求，透過機器對機器(M2M)的通訊，達到智慧化的目標，讓使用者不再須要擔心電源帶來的危險。經(jīng)過5年的努力之后，無線充電系統(tǒng)應該要突破行動通訊裝置的框架，邁開大步，揮軍智慧家庭。

通訊協(xié)定/電磁波干擾待解

電磁輻射雖能傳送電力，卻也一直是無線充電系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)。首先是智慧化通訊所產(chǎn)生的問題，接著是電磁波強度造成的問題。用于接受器與發(fā)射器間的通訊協(xié)定技術(shù)一直是無線充電系統(tǒng)陣營間最大的競爭點，WPC1.X版本所采用的頻率是100k～205kHz區(qū)間，容易與心律調(diào)整器、胎壓偵測計等產(chǎn)生干擾，A4WP所采用的是6.78MHz區(qū)間，避開了WPC的問題，但6.78MHz也與交換式電源工作頻率重疊，PMA目前公開的規(guī)格是采用 227k～476kHz的區(qū)間，似乎可以避免掉WPC與A4WP的問題，但是據(jù)稱PMA因為考量到磁共振系統(tǒng)的優(yōu)勢，未來也可能會采用多模模式運作。

然而通訊協(xié)定問題并不是最大的問題，因為只要是公開的通訊協(xié)定，在現(xiàn)今手機帶動的多核心整合技術(shù)下都可以達成，除博通(Broadcom)宣告近距離無線通訊(NFC)、調(diào)頻(FM)、無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)四合一晶片組，聯(lián)發(fā)科也已宣布將生產(chǎn)能夠兼容多種模式的晶片組，意味著無論通訊協(xié)定再怎么變化，晶片業(yè)者都能迎刃而解。

至于電磁波干擾問題，其實來自無線充電的本質(zhì)，也就是感應電動勢的問題。交流電所產(chǎn)生的變動電磁場會對附近的導體產(chǎn)生感應，如果導體線路的投影成為封閉的幾何多邊形，導體兩側(cè)就會產(chǎn)生感應電動勢，如果該導體用于電力傳輸，線路的電壓可能就會因此偏移，如果是用于數(shù)位訊號傳輸就會失真。

如果導體并不是線路型式而是面積不可忽略的幾何圖形，用于散熱、電力或通訊線路的接地，那塊導體區(qū)域也會因渦電流而產(chǎn)生熱能，可能造成熱點或擴散。電磁爐就是利用變化的電磁場，在金屬材料上產(chǎn)生渦電流而達到加熱目的，同理，當無線充電發(fā)射端產(chǎn)生變化的電磁場時，路徑上的金屬材料都容易產(chǎn)生渦電流，而接收端的設(shè)備一定有金屬材料，如果渦電流無法做功，就會以熱的形式耗散能量，但是如果針對已經(jīng)正在運作的電路，渦電流就可能導致線路中電流或電壓的增加，進而影響設(shè)備，造成不正常運作，甚至導致原本不帶電的導體帶電而產(chǎn)生觸電或火災的危險。

有鑒于此，WPC提出異物偵測(Foreign Object Detection, FOD)的測試，關(guān)注于發(fā)射端與接收端間的異物安全，避免導體材料影響電能傳輸效率，且造成溫度上升的危險。

目前行動通訊裝置的無線充電功率大多在1瓦(W)左右，而目前消費性電子商品進行的抗電磁干擾測試僅設(shè)定為3伏特/公尺(V/m)甚至是1V/m，如果在無線充電傳輸距離不到1公分的情況下時，無線充電輻射源電場強度高于抗干擾測試設(shè)定的強度，則必須提高測試條件與抗干擾防護能力。

如果要再提高充電功率，就必須考慮全面性的導電性屏蔽或超低電介質(zhì)系數(shù)的外殼材料進行電路與裝置的防護。必須采用電磁場遮蔽的材料，以保護重要的線路而不受干擾，像是鋁箔、銅箔、石墨纖維乃至于銀膠或是其他導電材料，可能都是必須采用的防護技術(shù)。

邁向中高功率　安全為首要之務

盡管全世界目前還處于通訊協(xié)定的爭戰(zhàn)中，但是在提高功率的挑戰(zhàn)上卻是采取一致的立場--「安全第一」。在中功率無線電力傳輸架構(gòu)下，必須考量到下列幾個問題：

收發(fā)裝置的功率控制;

電磁輻射對周遭裝置的干擾;

收發(fā)裝置本身抗干擾的能力;

功能性安全，也就是安全本身的可靠程度;

收發(fā)裝置的熱效應問題;

基礎(chǔ)設(shè)施的電力安全問題;

因應無線電力傳輸?shù)陌l(fā)展，產(chǎn)品安全標準發(fā)展及測試認證組織UL也隨之進行電氣安全的發(fā)展工作。UL 2738是全球首部針對小型無線充電設(shè)備傳輸端與接受端的相容性安全測試標準，在2010年10月14日由UL首次提出，并于2011年3月11日生效，能夠搭配攜帶式資訊產(chǎn)品安全標準(IEC/UL62368)或電源供應設(shè)備安全標準(UL 1310/UL 1012)，做為一體化電子電機產(chǎn)品的電氣安全標準，目前UL 2738能夠適用的電源功率可至100伏安(VA)的范圍，足夠大多數(shù)小型電器產(chǎn)品所使用。

盡管目前無線電力傳輸介面并不需要金屬的實體接觸，因此少了漏電的危險，也少了連接器脫落的起弧危險，但是由于目前的無線電力傳輸系統(tǒng)，仍然必須要配合家用的交流主電力系統(tǒng)運作，因此在電力傳輸側(cè)，仍然有交流降電壓的設(shè)計，所以傳輸側(cè)的安全仍然是不可忽視的問題。國際通用標準IEC 60479-1標準，說明了電擊危害的模式與限制，一般的所謂安全電流、電壓、功率范圍(Non-hazardous, Class II)的定義是30VDC Maximum、8A Maximum和100W Maximum，盡管行動電子裝置的功率大多小于10瓦，但是到了家電設(shè)備如臺燈、吸塵器、電視、收音機、熱水瓶等耗電設(shè)備時，就有可能超過30VDC的使用情況，如果再加上一對多充的延長線時，那轉(zhuǎn)換后的功率就會有超過100瓦的機會，這樣的電力來源就會造成埋入無線傳輸介面時整體設(shè)備的電氣安全危險。

智慧化的無線電力傳輸安全，關(guān)鍵在于仰賴可靠的軟體與硬體自動控制，傳統(tǒng)以材料特性為主的安全評估模式將不敷使用。以防止漏電為例，過去大多數(shù)是采用絕緣材料或是拉大電源與外殼的距離，新設(shè)計能夠透過漏電流偵測、切斷電源或降低電壓而保持安全，但漏電流偵測器的可靠性也須納入考量，使用次數(shù)頻率、操作環(huán)境與軟體程式設(shè)計、抗干擾等特性都十分重要，IEC/UL 61508、IEC/UL 60730等均是用于評估功能性安全控制的標準，未來國際調(diào)和的資訊設(shè)備安全標準IEC/UL 62368也將導入安全危害防治評估的概念，然而因為評估難度高，涉及自動控制的核心技術(shù)設(shè)計，因此目前取得驗證的制造商寥寥可數(shù)。

高效率無線充電加技術(shù)逐步邁向成熟