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细观无线充电进入手机电源管理的挑战
各项因素都要考虑 才是王道

【作者: 姚嘉洋】2013年11月25日 星期一

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尽管目前WPC(Wireless Power Consortium;无线充电联盟)、PMA与A4WP等三大技术阵营同为无线充电产业的技术标准,同时也各有主要的科技大厂扮演领头羊角色,使得现阶段产业界对无线充电的发展还是有种「摸不着头绪」的感觉,不过,可以确定的是,目前WPC在市场的能见度还是最高,在标准制定上也较为明确,市面上许多智能手机大厂在这一年多来,也开始陆续采用该技术,希望能为消费者提供更多的附加价值。


从配件到手机 只是时间早晚问题

IDT模拟与电源部门全球事业发展总监陈曰亮谈到,就全球市场的发展状况来看,WPC虽然有着不低的能见度,但PMA阵营有星巴克的加持,在北美市场也有一定的影响力,台湾在这波无线充电的竞赛当中,除了HTC外,并没有太多的发言权,最多就只能扮演配合的角色,若再将目光放到北美市场的话,从接收端的配件设计层面来思考,台湾业者就必须同时支持这两种标准,以满足市场需求。


就接收端的产品发展上,大多是以配件型的产品为大宗,像是手机背盖或是手机套最为普遍,理由在于这类产品的弹性较高,不用牺牲手机本身的厚度,消费者购买配件后,同样也能实现无线充电的应用,但大家也都同意,这种配件式的作法,只是过渡性的,长期来看,接收端芯片还是会被放在智能手机中。



图一 : 目前手机套或是背盖已经开始导入无线充电的功能,而且已有相当的能见度,但长期来看,无线充电的功能还会被整合进手机中。(Source:www.bigfunmarket.com )
图一 : 目前手机套或是背盖已经开始导入无线充电的功能,而且已有相当的能见度,但长期来看,无线充电的功能还会被整合进手机中。(Source:www.bigfunmarket.com )

电源管理效率为观察指针

然而,无线充电毕竟与「电」有着直接关系,这也连带地与系统层级的充电系统有着直接关系。就无线充电的整体架构来看,可以分为发射端、接收端与传送过程,这三者的电力转换效率,大多座落在90%的范围,相乘之下,整体效率仅为73%至75%的水平。


陈曰亮却也不讳言,目前就IDT的观察,各大技术阵营对于接收端的充电转换效率,并没有直接明定相关的标准或是规范,这一部份的系统设计仍然是由各大系统与半导体业者来伤脑筋。整体而言,目前接收端的应用以智能手机最为常见,所采用的技术则是以WPC为主。


陈曰亮分析,就实际的应用情境上,就算发射与接收两端都能将转换效率提升至95%以上,但只要用户在位置的摆放上出现落差,其整体的转换效率还是无法有效提升。相对的,对用户而言,关键仍在兼容性的问题上,由于各大阵营的技术无法彼此兼容。换言之,接收端就必须兼容各家技术,以提升其便利性。



图二 : 由于北美的星巴克支持PMA标准,然而WPC的能见度也不低,因此接收端同时支持两大技术阵营是必要的作法。(Source:www.computerworld.com)
图二 : 由于北美的星巴克支持PMA标准,然而WPC的能见度也不低,因此接收端同时支持两大技术阵营是必要的作法。(Source:www.computerworld.com)

厚度才是业界最在意的地方

陈曰亮进一步表示,就转换效率来看,不论是从发射或接收端,都有办法再向上提升。问题在于,一旦转换效率提升,整体成本也将随之增加,对消费者来说,是否可以接受,这是厂商必须思考的问题。


陈曰亮认为,将芯片加以整合,是目前可以做到的产品发展方向,将接收端芯片与充电芯片加以整合,成本方面便能有效降低。同时,由于芯片在整合过后,少了一次电力传输,也就意味着避免了一次损耗的机会。但就目前现有的技术发展,芯片整合后,首先带来的效益是成本降低与厚度的减少,在效率提升方面的进展就相对有限。


德州仪器(TI)亚洲市场开发营销经理何信龙表示,普遍来看三大无线技术阵营与USB充电相较,仍是以WPC的75%为最高。而就TI本身的解决方案来看,除了WPC所需要的线圈无法提供,其余皆一应俱全,不论是发射或是接受端,其转换效率可以达到90%以上。问题在于WPC对于线圈厚度的要求在0.6至0.4mm,这对于不断要求厚度轻薄化的智能手机业者来说,无疑是机构设计上的一大挑战。


的确,效率的提升,可以用增加线圈厚度的方式来克服,但除了增加成本外,先前所提到手机厚度也会增加,这多少让业者对于采用无线充电技术的态度有所保留。观察众家手机业者的外观设计,对业者们来说,手机厚度的轻薄化被业者们视为第一优先。至于效率方面,业者们反倒放在次之的位置。


阻抗、电流下降 有助降低损耗

从电源管理的角度来看,组件的阻抗值(奥姆)愈高,其运作效率也就愈差,若要降低阻抗,组件的体积就会增加。但这方面的问题,可以透过技术演进来加以克服,以TI发射端的电源管理组件为例,先前的CSD17308,它仅仅只是一颗MOSFET组件,其阻抗值为12mΩ,但到了CSD97376,整合了两颗MOSFET与一颗驱动组件,其阻抗值却下降到5至7 mΩ的水平。


而除了将阻抗值降低来提升电源效率外,降低电流也是另一种作法,以高通先前所推出的Quick Charge 2.0标准,其实就是雷同于:在整体功率不变的情况下,提升电压,同时降低电流,以将不必要的损耗降至最低。


何信龙也同意,降低电流的确有助于损耗的降低,但还是得看应用端所需要的功率为何,以智能手机来说,绝大部份的机种都是采取USB接口进行充电,其实行的电压为5V,若将充电芯片与接收端芯片加以整合,USB充电的问题就必须加以考虑。所以这也是市场目前大多采用配件式的方法,来进行无线充电的原因。


但长期来看,这方面的技术问题都有办法克服,即便是现阶段也是可以解决,但毕竟还是要考虑系统成本的因素,才相对客观。



图三 : 就电源管理的角度来看,充电芯片的整合与否,牵动了整个系统电源设计的变化。(Source:TI)
图三 : 就电源管理的角度来看,充电芯片的整合与否,牵动了整个系统电源设计的变化。(Source:TI)

(For美编:要做图4时,请跟我说一声,谢谢。)


系统设计仍要广泛考虑各项要素

陈曰亮提醒:「就手机的无线充电而言,不要只看绝对的数值,而是要注意相对的平衡拿捏。」


其言下之意,效率、成本与厚度等要素,都应该被一并被考虑进去,这才会相对客观。若只过度考虑单一要素的情况下,恐怕会顾此失彼,反而无法获得客户的青睐,尤其是在智能手机这种竞争异常激烈的应用领域更是如此。


陈曰亮也进一步谈到,尽管现阶段整体效率仅约有75%左右,在效率的提升上相对有限,不过随着技术不断突破,预料明年年底应该会有相对长足的进展才是。



图四 : 智能手机市场战火愈演愈烈,轻薄化概念也成了各家大厂十分在意的重点。(摄影:姚嘉洋)
图四 : 智能手机市场战火愈演愈烈,轻薄化概念也成了各家大厂十分在意的重点。(摄影:姚嘉洋)
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