無(wú)線(xiàn)充電系統設計原理與實(shí)作講析

引言

　　無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)經(jīng)過(guò)了數年的推廣與演進(jìn)后，到如今終于開(kāi)始受到人們的關(guān)注。無(wú)線(xiàn)充電是指具有電池的裝置透過(guò)無(wú)線(xiàn)感應的方式取得電力而進(jìn)行充電，正是因為其方便性，才得以讓消費者愿意支付額外的費用購買(mǎi)無(wú)線(xiàn)充電相關(guān)產(chǎn)品；如此一來(lái)，大批廠(chǎng)商愿意投入資金進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，看好其商機。由于這產(chǎn)技術(shù)相當新穎且各廠(chǎng)商有自己對技術(shù)的表述，所以無(wú)線(xiàn)充電、感應式電力、非接觸充電、無(wú)接點(diǎn)充電都是泛指相同的技術(shù)，距離1mm到數公尺都是一樣是無(wú)線(xiàn)，供電端與受電端交互作用就稱(chēng)感應，所以無(wú)線(xiàn)充電是廣義的名詞而沒(méi)有一定的規格。

　　1 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。

　　2 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。

　　3 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。