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無線充電引領無線革命
自由充電不設「線」

【作者: 陳韋哲】   2013年11月20日 星期三

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隨著行動裝置設備成為市場主流產品後,人手多機(行動裝置設備)的景象亦不再是新鮮事,為了能夠讓使用者在解決充電這件事上頭可以更加便利,且能擺脫傳統有線充電的束縛,無線充電技術更顯得其存在的必要。舉凡生活中常見的電動牙刷、電動刮鬍刀等日用家電設備,都是採用了非接觸式無線充電技術,才讓廣大的使用者擺脫「線」的束縛。


談到無線充電技術,嚴格來說並不是一項新技術,早在十多年前就已經應用並實現在不少產品上,其原理主要是源自於1831 年英國物理學家麥克‧法拉第所提出的法拉第電磁感應定律。當電流通過線圈時,周圍會產生磁場,而磁場又會與其他沒有通電的線圈建立感應電壓,有了電壓就可以提供電流,而無線充電就是利用感應電壓進行充電。


以無線方式傳遞電源的方法主要可區分成三種形式,分別為磁感應式、磁共振式以及無線電波式,其中又以磁感應式、磁共振式為目前主流的無線充電傳遞技術,以下為兩種傳遞技術之基本原理介紹。


(一)磁感應〈magnetic induction〉:在發送和接收端都設置一個線圈,從發送端線圈連接有線電源,並產生電磁信號,當接收端線圈感應到這個電磁信號,從傳輸點留給設備電池充電。電磁感應技術的缺點就是使用距離較短(充電距離無法超過5mm),隨著距離的增加,電能損耗會變得很大,以及透過磁感應充電時,電子設備會有過熱的問題,對於支援大功率產品會有安全上的疑慮。


(二)磁共振〈magnetic resonance〉:兩個振動頻率相同的物體之間可以高效傳輸能量,這就是共振產生無線能量傳輸作用。例如將兩個銅線圈作為共振器,發射端以10MHz頻率振動,周圍會發散出電磁場,而接收端需要同樣以10MHz頻率振動,才能接收到這個傳遞過來的能量,兩個線圈形成一個幾乎封閉的「能量通道」。


目前採取磁感應技術的聯盟陣營分別是WPC(Wireless Power Consortium)和PMA(Power Matters Alliance),而A4WP(Alliance for Wireless Power)則是採取磁共振技術,三陣營皆極力推動無線充電技術邁向標準化。其中又以WPC與PMA無線充電技術的市場能見度最高,但若以解決方案則是WPC(Qi)陣營所推出的相關無線充電產品為最大宗。


無線聯電科技公司總裁鄧蘊美指出,從去年至今,採用Qi標準的手機,已經從14款手機,增加到今年的43款手機,且該數目還在持續增加當中,而目前全球更有超過2000萬個具備Qi認證的產品出貨量,顯見Qi標準幾乎已經成為無線充電市場的領頭羊。



圖一
圖一

雖然WPC的Qi技術受到最多廠商關注與採用,但PMA陣營亦不是省油的燈,隨著宏達電、華為、三星以及樂金等重量級業者陸續加入,未來會由誰引領無線充電技術最終標準,任誰也說不准。


然而,市場上對於無線充電技術最關注且質疑的問題,仍是聚焦在無線充電微波對於人體是否有安全上的考量,對此,TI(德州儀器)高效能類比產品市場行銷經理何信龍表示,WPC以及PMA無線充電技術的距離為5mm,對於人體影響程度幾乎降至最低,反觀A4WP所屬的磁共振式陣營,雖然支援無線充電距離較遠,但其所產生的電磁波,對於人體是否有安全上的考量,仍是該技術在市場上備受關注的重點。


此外,隨著WPC 1.0版本已經在今年到期,由WPC 1.1版本負責接手,並首重強調FOD功能。對此,何信龍強調,目前WPC 1.0認證時間已到期,所以各家廠商皆推出符合WPC 1.1版本的無線充電技術相關產品。百佳泰研發處協理李有智表示,在WPC 1.1版本中,特別強調FOD功能,能夠有效避免當使用者不小心在無線充電板上放置硬幣、戒指等金屬物品,引發導致系統發熱或過載的情況產生。


除了能夠解決金屬異物問題之外,同時也將一併改善無線充電接收端(Rx)傳輸資訊封包的最小時間週期,讓接收器在發現金屬異物時,能夠立即通報發送器停止送電。不過,無線充電由於特性的關係,較不利金屬機殼設計的機種採用,何信龍表示,為了避免因為金屬干擾造成加熱引發意外,是故目前原生支援無線充電的機種多半以非金屬材質為主。


規格統一 蓄勢待發


有鑑於目前無線充電市場上幾乎已是WPC(Qi)陣營的天下,而PMA陣營已有後起新秀之姿緊追在後,但這多頭馬車的走向,卻使得美國通訊業龍頭Verizon與AT&T支持的無線充電解決方案技術標準分歧(Verizon選擇支持WPC陣營,而AT&T則支持PMA陣營),進而演變成手機製造商,若想將搭配無線充電的智慧手機大舉攻進美國通訊市場,只能選邊站的局面。



圖二 : 美國星巴克已陸續提供無線充電服務。
圖二 : 美國星巴克已陸續提供無線充電服務。


IDT副總裁暨類比電源部門總經理Arman Naghavi表示,無線充電絕對是行動市場下一個最火熱的議題,只是無線充電有不同技術,更有不同廠商所支持的不同協定,這也導致不同協定間會有不相容的問題產生。何信龍亦表示,無線充電並非是替代現有有線充電的方案,而是讓充電除了有線外增加一個方便的選擇;也因此,消費者對無線充電有需求縱然是個驅動力,大型企業、尤其是電信商對於無線充電技術的支持態度是影響市場推廣速度的關鍵。


為了要解決因不同無線充電技術標準,造成消費者購買時的隱憂,擔心所選購的產品會不會在日後被淘汰的問題,無線充電聯盟與晶片商開始著手設計能夠同時支援雙模無線充電技術的解決方案,何信龍表示,由於WPC以及PMA的線圈相似度高,故適合朝向整合雙模無線充電技術支援的模式發展。


再加上,WPC成立新的磁共振小組,進而促使WPC在1.1版本Qi標準中加入電磁共振技術,為的就是希望讓單一充電板、擴充底座能夠對支援磁共振或磁耦合技術的產品進行充電,也激勵無線充電晶片商開始積極發展支援不同標準規範的接收器(Rx)產品,市場更預測2015年磁共振式將全面取代磁感應式成為主流無線充電技術。


然而,隨著無線充電晶片商開始著手推出結合支援WPC與PMA雙模無線充電技術晶片,對於消費者而言,最樂見的莫過於推出整合WPC、PMA、A4WP三大無線充電標準技術之三模無線充電晶片終極解決方案。


對此,何信龍進一步解釋,由於A4WP採用的是磁共振式,與WPC以及PMA採用的磁感應式可說是大不同,再加上,其所採用的工作頻率以及線圈設計與WPC以及PMA也不一樣,因此想要看到整合三方無線充電技術標準的三模晶片可說是難上加難。



圖三 : 脫離有線 隨時都來電。
圖三 : 脫離有線 隨時都來電。


李有智也表示,就現階段而言,不論是採取磁感應式或是磁共振式技術方案的無線充電聯盟陣營,皆正積極尋求更具效率的無線充電解決方案。而磁共振技術則屬較完善方案,雙方陣營亦有意朝向磁共振技術方向發展,李有智進一步解釋,由於磁感應技術面臨最大的問題便是受限於充電距離,反觀磁共振技術不但能夠提升充電功率以及增加充電距離,更能支援為兩部以上裝置同時充電,加快數位裝置充電時間。


無線充電整合NFC 電力不浪費


此外,為了節省能源的耗損,NFC技術也開始被整合到智慧型無線充電系統,為的就是要避免無線充電系統待機時的能量損耗、或者非目標物的無效或者竊電情況。結合無線充電與NFC技術,不但可提高普及度,還可大幅減少物料成本。李有智表示,無線充電與NFC的結合可以使產品設計更簡潔而且成本更低,與此同時增加現代行動裝置設備的電池續航能力。


國際產品安全測試及認證廠商UL也表示,當NFC不做為高保密性的用途時,其應用領域更為廣泛,尤其在智慧型產品或系統的應用上,無線充電系統就是其中一個最佳的例子。由於電磁共振技術採用6.78MHz頻率,恰巧與無線射頻識別匹配,因此若能搭上近期市場相當火熱的NFC便車,無線充電技術普及度將更上一層樓。


結論

在無線充電技術領域,正上演著一場技術標準拉鋸戰,多個聯盟各自推動自家無線充電技術(PMA、WPC、A4WP)使得統一的技術標準仍無法拍板定案。想要實現無線充電技術大量商用化,第一要務莫過於確立無線充電技術標準化,畢竟隨著導入無線充電技術的行動裝置產品越來越多,倘若沒有標準的統一規範,將無法在相容方面達成一致,也無法進一步提升消費者購買意願。


再加上,消費者對於無線充電所產生的輻射及電磁波仍存有安全上的疑慮,相信在無線充電大量導入到各領域之前,無線充電技術聯盟以及相關製造商還是必須儘快完成統一技術標準確定,並提出電磁波與輻射安全相關報表,才能讓消費者受惠於無線充電的便利之下,同時對健康也多一份保障。


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