即將大放異彩的無(wú)線(xiàn)電源傳輸技術(shù)

　　由美國麻省理工學(xué)院(MIT)獨立出來(lái)的WiTricity現任總裁EricGiler，曾在2009年曾于TED發(fā)表題為「無(wú)線(xiàn)電力技術(shù)示范」的精彩演說(shuō)，展示了如何利用無(wú)線(xiàn)電源傳輸技術(shù)啟動(dòng)一部小型電視機──而那是2009年，該技術(shù)從那之后持續演進(jìn)，以下讓我們來(lái)看看這個(gè)令人驚嘆的技術(shù)領(lǐng)域，能為設計工程師帶來(lái)什么樣的新機會(huì )。

　　最近，我與宜普電源轉換公司(EPC)應用工程副總裁Michael de Rooij討論關(guān)于無(wú)線(xiàn)電源在2017年的挑戰和機會(huì );我選擇與de Rooij討論這個(gè)議題，除了因為EPC是氮化鎵(GaN)功率組件的領(lǐng)導供貨商，該公司也能為設計工程師們提供包括開(kāi)發(fā)板、參考設計以及教育性的支持，包括de Rooij撰寫(xiě)的《無(wú)線(xiàn)電源手冊(Handbook for Wireless Power)》。

　　EPC在1月初舉行的年度國際消費性電子展(CES 2017)上，展示了一部43吋平面HDTV，那臺電視能隔著(zhù)一道石膏板墻，藉由無(wú)線(xiàn)電源取得電力;在2017年，你將會(huì )看到EPC為業(yè)界帶來(lái)更先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)電源相關(guān)解決方案，超越2009年Giler所展示的技術(shù)。

　　支持更長(cháng)傳輸距離的無(wú)線(xiàn)電源

　　我詢(xún)問(wèn)de Rooij有關(guān)目前無(wú)線(xiàn)充電方案支持更長(cháng)傳輸距離、更高效率時(shí)會(huì )遭遇的限制，以及其可能性;我們如何讓這種電力傳輸技術(shù)的效率達到所有消費者都能接受的水平? 氮化鎵功率組件(如EPC的eGaN技術(shù))如何能繼續協(xié)助推動(dòng)無(wú)線(xiàn)電源技術(shù)的進(jìn)展?

　　de Rooij首先提到在線(xiàn)圈(coil)設計方面的限制;根據經(jīng)驗法則，目前若線(xiàn)圈是7吋以上的直徑，性能就會(huì )下降;此外每一組線(xiàn)圈的質(zhì)量因子(Q)和線(xiàn)圈之間的耦合系數(k)都會(huì )影響長(cháng)距離的無(wú)線(xiàn)充電效率，發(fā)射與接收線(xiàn)圈的尺寸和幾何形狀各自都會(huì )大幅影響Q和k的數值。 圖1是無(wú)線(xiàn)電源傳輸的基本原理。

　　圖1 無(wú)線(xiàn)電源傳輸的基本原理。

　　de Rooij提到，無(wú)線(xiàn)電源傳輸的電磁場(chǎng)(E-field)方法雖然有技術(shù)上的問(wèn)題，但是可以長(cháng)距離傳輸電力──這方面可能還有部份一般會(huì )顧慮到的問(wèn)題，包括產(chǎn)生臭氧(ozone)還有與生物性等其他物質(zhì)產(chǎn)生交互作用);這種充電方法可能更適用能懸浮在充電板上的裝置，如無(wú)人機。

　　電場(chǎng)耦合技術(shù)最直接的展現，是在源極(source)和負載(load)之間采用平行板電容器(parallel plate capacitor)，輸入阻抗需與之匹配，才能實(shí)現高效率電源傳輸;也就是說(shuō)，有一片板子是放在待充電的無(wú)人機底部，另一片就是在充電板上(如圖2)。

　　圖2 (a)無(wú)線(xiàn)電源傳輸電場(chǎng)耦合架構;(b)電路模型。

　　以磁共振耦合(magnetic resonant coupling)技術(shù)對空中懸浮的無(wú)人機進(jìn)行充電也是不錯的替代方案，如圖 3所示，該充電板的線(xiàn)圈采用方形設計，無(wú)人機上的接收線(xiàn)圈調整為適合支持著(zhù)陸(landing)，使發(fā)射和接收線(xiàn)圈之間的距離縮至最短，約只有幾公厘(mm)，因此使線(xiàn)圈之間的耦合因子得以最大化。

　　圖3 以磁共振耦合線(xiàn)圈為懸浮的無(wú)人機進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電。

無(wú)線(xiàn)電源傳輸線(xiàn)圈技術(shù)的現在與未來(lái)發(fā)展

　　de Rooij表示，無(wú)線(xiàn)充電解決方案供貨商NuCurrent目前正在開(kāi)發(fā)效率更高的無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈;Nucurrent號稱(chēng)該公司目前的無(wú)線(xiàn)電源「天線(xiàn)」效率高于市面上任何印刷天線(xiàn)/線(xiàn)圈/共振器，其采用Qi/PMA頻率(~200KHz)的設計通?？蛇_到高20%以上的效率，采用A4WP頻率(6.78MHz)或NFC頻率(13.56MHz) 的設計則可達到高60%的效率。

　　若將無(wú)線(xiàn)電源傳輸線(xiàn)圈嵌入地磚中，有助于電場(chǎng)的分布，并可能因此略為拉長(cháng)電源傳輸距離;但更重要的是，這樣就可以大幅擴增收集電力的范圍──相較于單一線(xiàn)圈的設計，在相同的覆蓋范圍下，這是一個(gè)效率更高的解決方案。

　　而EPC在CES 2017展示的那臺無(wú)線(xiàn)供電HDTV，是我到目前為止見(jiàn)過(guò)最厲害的無(wú)線(xiàn)電源傳輸應用;此外咖啡連鎖店Starbucks現在也有某些門(mén)市在店內座位提供無(wú)線(xiàn)充電裝置，讓顧客能為智能型手機充電，如果你的手機沒(méi)有內建無(wú)線(xiàn)充電功能，他們還可以賣(mài)轉接器給你(如圖4)?！?/p>

　　圖4 Powermat的無(wú)線(xiàn)充電解決方案已經(jīng)獲得Starbucks等業(yè)者采用。

　　EPC是如何為HDTV提供無(wú)線(xiàn)電源的? 該公司是選用一臺43吋VizioD43-D1高畫(huà)質(zhì)電視，其最高功率經(jīng)測試為85W;先前有一些測試是采用功率較低的20吋電視。

　　電視機是采用基于單位功率因子的交流電(AC)，因此電源所提供的所有能量，都是透過(guò)負載消耗;而因為電視機電子組件需要直流電(DC)電源，不需要所有AC整流器、大型電解電容器及橋式二極管，啟動(dòng)電視機所需電力低于5W;當電視機所需電力較低，無(wú)線(xiàn)電源傳輸發(fā)射器即可進(jìn)一步節流。

　　圖5 能穿透一片標準規格石膏板隔間墻為HDTV無(wú)線(xiàn)供電的無(wú)線(xiàn)電源傳輸設計架構。

　　EPC的CES展示之設計電路圖如圖6，設計師采用差分ZVSD類(lèi)放大器來(lái)驅動(dòng)發(fā)射線(xiàn)圈(注意：差分架構，尤其是頻率范圍在300MHz以上，可以在單端設計改善EMI;在差分設計中，相同的接地負載功率，有一半的電壓在放大器的輸出轉換);不過(guò)本案例只在高度共振的6.78MHz ISM頻段傳輸功率，而且與傳統MOSFET功率組件相較， EPC采用的eGaN FET展現了更卓越性能。

　　圖6 EPC在CES 2017展示之HDTV無(wú)線(xiàn)供電方案電路圖。

　　消費者當然會(huì )希望他們的電視機未來(lái)可以完全「無(wú)線(xiàn)」，如此一來(lái)他們就能更容易地把電視機掛在墻上，或隨心所欲擺放在任何位置;而除了電視機，無(wú)線(xiàn)電源傳輸應用也能延伸至其他實(shí)際上只需要DC功率的白色家電和AC設備。

　　無(wú)線(xiàn)電源傳輸可望實(shí)現更便利的日常生活

　　采用無(wú)線(xiàn)電源傳輸技術(shù)的無(wú)人機，對Amazon、UPS及Federal Express等物流業(yè)者來(lái)說(shuō)會(huì )非常有用，他們都在考慮利用無(wú)人機送貨。

　　在醫療應用方面，目前采用穿透皮膚之電源線(xiàn)的植入式裝置，可利用無(wú)線(xiàn)電源傳輸技術(shù)降低患者受感染的機會(huì )，神經(jīng)刺激器、心臟輔助幫浦等是首選應用;心律調整器以及脊髓、神經(jīng)刺激器都有望在某一天，能于患者睡覺(jué)時(shí)透過(guò)4~5英呎距離的電源進(jìn)行充電。

　　從患者端接收訊號的線(xiàn)圈數量可以增加，以利用無(wú)線(xiàn)電源傳輸技術(shù)取得更高質(zhì)量的MRI成像，同時(shí)降低成本、免除電源線(xiàn)的使用并降低使用無(wú)線(xiàn)電源傳輸技術(shù)的復雜性。

　　酒吧、咖啡廳及機場(chǎng)則可將無(wú)線(xiàn)電源傳輸設備應用于下一代的各種家具、桌子設計中;如此一來(lái)，所有的墻壁、地板與裝潢可以減少電源插座數量，甚至可以完全不要插座。

　　汽車(chē)內部搭載的電纜不但昂貴、笨重也可能不可靠，而無(wú)線(xiàn)電源傳輸技術(shù)可以為車(chē)用照明、音響、電話(huà)等設備供電，也能支持電動(dòng)車(chē)充電、啟動(dòng)雷達及光達等裝置，讓汽車(chē)內更多電子裝置擺脫銅線(xiàn)的羈絆;無(wú)線(xiàn)充電也能應用于汽車(chē)座椅、車(chē)門(mén)及行李箱等區域，以模塊化方案取代客制化設計架構，簡(jiǎn)化汽車(chē)制造流程。

　　此外，無(wú)線(xiàn)電源傳輸還能預防由危險的電源火花導致之爆炸、火災，特別是在加油站、水下，或是滿(mǎn)氧氣的空間，海濱住宅/設施，以及糧倉等充滿(mǎn)粉塵的環(huán)境。

　　有一天，高壓電纜線(xiàn)可能會(huì )完全消失，被日常生活無(wú)所不在的高壓無(wú)線(xiàn)電源傳輸技術(shù)替代;de Rooij也透露，在今年將可看到更多關(guān)于無(wú)線(xiàn)電源傳輸技術(shù)的創(chuàng )新成果，電子及電力系統的設計終將憑借這種令人驚嘆的新興技術(shù)而被永遠改變。