磁感應/磁共振標準并進(jìn)　無(wú)線(xiàn)充電商用加速

無(wú)線(xiàn)充電應用產(chǎn)品將大量涌現。消費者對行動(dòng)裝置電池續航力的要求，促使無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)快速演進(jìn)，不僅磁感應標準與生態(tài)系統日益完備，且應用版圖不斷擴大?？蓪?shí)現更長(cháng)充電距離的磁共振技術(shù)規范與解決方案近期也大有突破，可望進(jìn)一步延伸無(wú)線(xiàn)充電的市場(chǎng)觸角?！　?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" border="0" height="1" src="http://editerupload.eepw.com.cn/fetch/20161101/313891_1_0.jpg" style="BORDER-BOTTOM: 0px; BORDER-LEFT: 0px; BORDER-TOP: 0px; BORDER-RIGHT: 0px" width="1" />

　　在電子產(chǎn)業(yè)中，無(wú)線(xiàn)電源技術(shù)是明顯成長(cháng)的領(lǐng)域，且強化各式各樣的應用。無(wú)線(xiàn)充電數量成長(cháng)動(dòng)能，其一是來(lái)自消費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(wú)線(xiàn)充電能力的可穿戴設備數量已大幅成長(cháng)，且隨著(zhù)這個(gè)成長(cháng)趨勢的持續，無(wú)線(xiàn)電源將成為日常生活及可穿戴設備使用習慣中的一環(huán)。

　　在消費市場(chǎng)中，鑒于開(kāi)發(fā)標準、解決方案微型化、成本降低等考量，磁感應（MI）及磁共振（MR）兩種技術(shù)成為具有主導地位的無(wú)線(xiàn)電源傳送技術(shù)。

　　由于有著(zhù)較緊密的磁耦合，磁感應目前可提供較高的電源傳送、設計較簡(jiǎn)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(chǎng)金屬物體上累積的熱量較少。在磁感應領(lǐng)域有兩個(gè)盛行的標準：無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟（WPC）的「Qi」標準，以及電源事務(wù)聯(lián)盟（PMA）的標準。對于現今以磁感應為基礎的可穿戴設備設計人員而言，問(wèn)題因此產(chǎn)生，也就是是否可以確保與「Qi」標準、「PMA」標準，或與兩個(gè)標準的相容性。

　　磁共振的標準主要由無(wú)線(xiàn)電力聯(lián)盟（Alliance for Wireless Power， A4WP）主導。與「Qi」標準或「PMA」標準相容的產(chǎn)品，目前已上架銷(xiāo)售，而以A4WP為基礎的產(chǎn)品則被預期要在2014年問(wèn)世。

　　本文旨在檢視無(wú)線(xiàn)電源產(chǎn)業(yè)以及磁感應與磁共振技術(shù)的相關(guān)性；同時(shí)還會(huì )討論製造磁感應無(wú)線(xiàn)電源接收器的晶片製造商，可以如何協(xié)助磁感應技術(shù)克服雙重標準的問(wèn)題。

　　生態(tài)系統成形　無(wú)線(xiàn)充電商用加速

　　在日常生活的許多方面，電源及資料的有線(xiàn)連接不便利性，已是無(wú)可避免。無(wú)線(xiàn)資料存取已經(jīng)無(wú)所不在，但是類(lèi)似的簡(jiǎn)單無(wú)線(xiàn)電源接取卻仍不可得。外出時(shí)得隨身帶著(zhù)笨重的插頭、電線(xiàn)及轉接器，且須煩惱著(zhù)找尋可用的公共電源插座，這種麻煩事總是一再重復。

　　在建立普及的無(wú)線(xiàn)電源生態(tài)系統后，行動(dòng)電話(huà)將受惠最多，主因是行動(dòng)電話(huà)有著(zhù)大面積且高亮度的顯示器、威力強大的多核心處理器、各種內建無(wú)線(xiàn)功能、需要即時(shí)資料的應用程式，及新的生物識別應用程式等，這些因素會(huì )導致手機在一天內須重新充電好幾次。

　　此外，消費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(méi)有對應增加。為回應消費者的需求，主要可穿戴設備製造商都已開(kāi)始出貨與「Qi」標準（目前最盛行的無(wú)線(xiàn)充電標準）相容的行動(dòng)電話(huà)。行動(dòng)電話(huà)營(yíng)運商并鼓勵無(wú)線(xiàn)電源傳送生態(tài)系統的建置，以讓行動(dòng)裝置可達成隨時(shí)隨地充電，且能傳輸無(wú)線(xiàn)資料的目的（圖1）。

　　圖1 無(wú)線(xiàn)充電將讓行動(dòng)電話(huà)等可穿戴設備的使用更加便利，并且可減輕攜帶各種特定充電器與電線(xiàn)的不便?！D片來(lái)源：Powermat

　　只要將裝置放在支援無(wú)線(xiàn)電源的裝置上，即可進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，前提是發(fā)射板須能廣泛設置，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(chē)種已提供Qi標準發(fā)射器的選擇，且未來(lái)還會(huì )有更多車(chē)款也會(huì )提供此功能；此外，許多售后市場(chǎng)（After Market）汽車(chē)解決方案也都問(wèn)世。

　　PMA正快速簽署合作伙伴協(xié)議，這些合作伙伴發(fā)現在他們的餐廳、零售商場(chǎng)、旅館，以及其他場(chǎng)所中建置無(wú)線(xiàn)電源生態(tài)系統與智能型網(wǎng)路，可藉此吸引顧客，并可能形成另外一項收入來(lái)源。舉例而言，星巴克的「Never Powerless」計畫(huà)于2012年開(kāi)始在麻薩諸塞州波士頓展開(kāi)，并已開(kāi)始在硅谷地區進(jìn)行新的建置，中期計畫(huà)則是僅在美國地區就要提供超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)充電點(diǎn)。

　　隨著(zhù)發(fā)射器站生態(tài)系統與標準的建立，可支援多種無(wú)線(xiàn)電源標準的行動(dòng)裝置將受惠最多。IDT等公司所推出的類(lèi)比與數位技術(shù)正快速發(fā)展，對于無(wú)線(xiàn)電源的需求也不斷成長(cháng)，這些在IMS Research的研究報告中皆有強調，此報告說(shuō)明在未來(lái)數年內，無(wú)線(xiàn)電源產(chǎn)品的出貨量預期將會(huì )出現爆炸性成長(cháng)，至2016年將超過(guò)叁億臺，且于2018 年達到十億臺。這代表著(zhù)2011年沒(méi)有無(wú)線(xiàn)充電需求的市場(chǎng)，已成為一個(gè)明顯成長(cháng)的市場(chǎng)。

　　磁感應與磁共振技術(shù)各有優(yōu)劣

　　磁感應技術(shù)（Qi與PMA）是首先在市場(chǎng)上出現的技術(shù)，且在初期的無(wú)線(xiàn)電源市場(chǎng)上占據主導地位。相對于磁感應，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。

　　相較于Qi標準在110-205kHz的范圍中運作，A4WP標準則是有固定的運作頻率6.78MHz，很明顯的，透過(guò)法拉第的感應定律，能以較松散的耦合因素（有著(zhù)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(xiàn)圈電壓，因此可以使用較小且較薄的接收線(xiàn)圈，能讓機構設計更容易融入行動(dòng)裝置中。較高運作頻率的另外一項好處，就是接近發(fā)射板周?chē)慕饘佼愇飪人鄯e的熱量較少，此因有著(zhù)較低的表面渦電流（Eddy Currents）所致，這也意味著(zhù)裝置內的寄生金屬（像是電池）在充電時(shí)，是不太可能累積熱量的。這種A4WP標準是利用頻帶外雙向藍牙低功耗 （BLE）訊號，來(lái)溝通與調解充電狀態(tài)下裝置的電源需求。

　　相反的，Qi與PMA標準使用單向的負載調變（Load Modulation）方式在頻段內進(jìn)行通訊，并將電源調節訊息傳回至發(fā)射器。Qi標準的方法很簡(jiǎn)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，且很容易受到系統所產(chǎn)生的電磁波干擾。

　　磁共振技術(shù)的實(shí)行有挑戰，須針對大眾市場(chǎng)進(jìn)一步最佳化量產(chǎn)解決方案后，才能真正有效運作。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(lái)運作。其中的挑戰在于，如何在不同的溫度與電壓之下，能持續將儲能線(xiàn)路調整至固定的共振頻率。當它漂移時(shí)，效率會(huì )下降。

　　磁感應標準在執行上較簡(jiǎn)單，因其總是運作在比共振更高的頻率上，所以并不需要高Q值的線(xiàn)路或是精確的被動(dòng)元件。然磁共振高Q值線(xiàn)路使用較精確元件，因而抵銷(xiāo)掉使用較低線(xiàn)圈成本的效益。無(wú)屏蔽的磁共振接收線(xiàn)圈也較小，且使用比磁感應線(xiàn)圈較細的電線(xiàn)，因此關(guān)鍵元件成本可更低。

　　無(wú)線(xiàn)電源系統所產(chǎn)生的電磁輻射，將會(huì )是消費者的關(guān)注重點(diǎn)，但本文篇幅無(wú)法全面討論。就機構方面而言，磁感應是一個(gè)封閉的耦合系統，這意味著(zhù)發(fā)射與接收線(xiàn)圈是被直接放置在彼此的頂端，如此方可促使磁感應的電源傳送，故可直接在線(xiàn)圈的上方與下方使用鐵芯來(lái)進(jìn)行屏蔽（圖2）。這些鐵芯屏蔽以?xún)煞N方式提供協(xié)助：首先，藉由讓它們更加靠近，且線(xiàn)圈有著(zhù)較佳的耦合狀況后，來(lái)改善磁力線(xiàn)的循環(huán)流動(dòng)，第二點(diǎn)則是這樣的屏蔽可減少從系統所發(fā)出電磁輻射的數量。

　　圖2 磁場(chǎng)大部分被包含在使用鐵芯屏蔽的材料中?！D片來(lái)源：TYLT

　?。跕B］克服Qi/PMA相容挑戰　雙模接收器方案有譜［@C］ 克服Qi/PMA相容挑戰　雙模接收器方案有譜

　　磁共振是一種松散的耦合系統，這意味著(zhù)接收器可距離發(fā)射器10公分遠（圖3），也因此，鐵芯屏蔽將無(wú)法達到磁感應的優(yōu)勢。讓輻射程度保持在安全范圍內是技術(shù)進(jìn)展的一部分，可進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)線(xiàn)電源傳送技術(shù)普及。

　　圖3　磁共振的無(wú)線(xiàn)充電可以有著(zhù)松散的耦合以及空間自由度。

　　有一個(gè)潛在的問(wèn)題，在短期內將會(huì )抑制無(wú)線(xiàn)電源應用的迅速增加，這些應用包括公共場(chǎng)所的無(wú)線(xiàn)電源充電板、熱點(diǎn)桌、柜臺檯面，以及其他位于機場(chǎng)、咖啡廳、娛樂(lè )場(chǎng)所等這些地點(diǎn)中的充電平面，這個(gè)問(wèn)題就是現存兩種磁感應標準--Qi與PMA標準的相互競爭。這兩種標準都是可行的方式，且可提供可靠的效能，因此這兩種標準似乎都可能被建置公共充電熱點(diǎn)的場(chǎng)所使用。就理論上而言，這可能會(huì )導致手機擁有者必須去尋找可與他們的手機相容的特定無(wú)線(xiàn)電源存取點(diǎn)。這一點(diǎn)將無(wú)疑地會(huì )令消費者感到挫折，以及可能因而降低利用率。

　　擺脫充電線(xiàn)　無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)加速普及

　　半導體業(yè)者在開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)電源解決方案時(shí)，早已認知到此一問(wèn)題，并且已開(kāi)發(fā)出可消弭發(fā)射標準的相容障礙的無(wú)線(xiàn)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(wèn)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(xiāo)售至更廣大的市場(chǎng)，且能藉由避免多種不同產(chǎn)品的需求，進(jìn)而節省成本。OEM廠(chǎng)商現在可以使用單一整體物料清單（BOM），以及透過(guò)使用單一的通用線(xiàn)路布局，來(lái)將應用產(chǎn)品的占板空間極小化。

無(wú)線(xiàn)電源是一種令人振奮的新技術(shù)，它讓行動(dòng)電話(huà)可以擁有更長(cháng)的開(kāi)機時(shí)間，這也就促進(jìn)行動(dòng)電話(huà)的創(chuàng )新。利用特定的充電轉接器及麻煩的電線(xiàn)來(lái)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算發(fā)展中最脆弱的