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細觀無線充電進入手機電源管理的挑戰
各項因素都要考量 才是王道

【作者: 姚嘉洋】   2013年11月25日 星期一

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儘管目前WPC(Wireless Power Consortium;無線充電聯盟)、PMA與A4WP等三大技術陣營同為無線充電產業的技術標準,同時也各有主要的科技大廠扮演領頭羊角色,使得現階段產業界對無線充電的發展還是有種「摸不著頭緒」的感覺,不過,可以確定的是,目前WPC在市場的能見度還是最高,在標準制定上也較為明確,市面上許多智慧手機大廠在這一年多來,也開始陸續採用該技術,希望能為消費者提供更多的附加價值。


從配件到手機 只是時間早晚問題

IDT類比與電源部門全球事業發展總監陳曰亮談到,就全球市場的發展狀況來看,WPC雖然有著不低的能見度,但PMA陣營有星巴克的加持,在北美市場也有一定的影響力,台灣在這波無線充電的競賽當中,除了HTC外,並沒有太多的發言權,最多就只能扮演配合的角色,若再將目光放到北美市場的話,從接收端的配件設計層面來思考,台灣業者就必須同時支援這兩種標準,以滿足市場需求。


就接收端的產品發展上,大多是以配件型的產品為大宗,像是手機背蓋或是手機套最為普遍,理由在於這類產品的彈性較高,不用犧牲手機本身的厚度,消費者購買配件後,同樣也能實現無線充電的應用,但大家也都同意,這種配件式的作法,只是過渡性的,長期來看,接收端晶片還是會被放在智慧手機中。



圖一 : 目前手機套或是背蓋已經開始導入無線充電的功能,而且已有相當的能見度,但長期來看,無線充電的功能還會被整合進手機中。(Source:www.bigfunmarket.com )
圖一 : 目前手機套或是背蓋已經開始導入無線充電的功能,而且已有相當的能見度,但長期來看,無線充電的功能還會被整合進手機中。(Source:www.bigfunmarket.com )

電源管理效率為觀察指標

然而,無線充電畢竟與「電」有著直接關係,這也連帶地與系統層級的充電系統有著直接關係。就無線充電的整體架構來看,可以分為發射端、接收端與傳送過程,這三者的電力轉換效率,大多座落在90%的範圍,相乘之下,整體效率僅為73%至75%的水準。


陳曰亮卻也不諱言,目前就IDT的觀察,各大技術陣營對於接收端的充電轉換效率,並沒有直接明定相關的標準或是規範,這一部份的系統設計仍然是由各大系統與半導體業者來傷腦筋。整體而言,目前接收端的應用以智慧手機最為常見,所採用的技術則是以WPC為主。


陳曰亮分析,就實際的應用情境上,就算發射與接收兩端都能將轉換效率提升至95%以上,但只要使用者在位置的擺放上出現落差,其整體的轉換效率還是無法有效提升。相對的,對使用者而言,關鍵仍在相容性的問題上,由於各大陣營的技術無法彼此相容。換言之,接收端就必須兼容各家技術,以提升其便利性。



圖二 : 由於北美的星巴克支持PMA標準,然而WPC的能見度也不低,因此接收端同時支援兩大技術陣營是必要的作法。(Source:www.computerworld.com)
圖二 : 由於北美的星巴克支持PMA標準,然而WPC的能見度也不低,因此接收端同時支援兩大技術陣營是必要的作法。(Source:www.computerworld.com)

厚度才是業界最在意的地方

陳曰亮進一步表示,就轉換效率來看,不論是從發射或接收端,都有辦法再向上提升。問題在於,一旦轉換效率提升,整體成本也將隨之增加,對消費者來說,是否可以接受,這是廠商必須思考的問題。


陳曰亮認為,將晶片加以整合,是目前可以做到的產品發展方向,將接收端晶片與充電晶片加以整合,成本方面便能有效降低。同時,由於晶片在整合過後,少了一次電力傳輸,也就意味著避免了一次損耗的機會。但就目前現有的技術發展,晶片整合後,首先帶來的效益是成本降低與厚度的減少,在效率提升方面的進展就相對有限。


德州儀器(TI)亞洲市場開發行銷經理何信龍表示,普遍來看三大無線技術陣營與USB充電相較,仍是以WPC的75%為最高。而就TI本身的解決方案來看,除了WPC所需要的線圈無法提供,其餘皆一應俱全,不論是發射或是接受端,其轉換效率可以達到90%以上。問題在於WPC對於線圈厚度的要求在0.6至0.4mm,這對於不斷要求厚度輕薄化的智慧手機業者來說,無疑是機構設計上的一大挑戰。


的確,效率的提升,可以用增加線圈厚度的方式來克服,但除了增加成本外,先前所提到手機厚度也會增加,這多少讓業者對於採用無線充電技術的態度有所保留。觀察眾家手機業者的外觀設計,對業者們來說,手機厚度的輕薄化被業者們視為第一優先。至於效率方面,業者們反倒放在次之的位置。


阻抗、電流下降 有助降低損耗

從電源管理的角度來看,元件的阻抗值(歐姆)愈高,其運作效率也就愈差,若要降低阻抗,元件的體積就會增加。但這方面的問題,可以透過技術演進來加以克服,以TI發射端的電源管理元件為例,先前的CSD17308,它僅僅只是一顆MOSFET元件,其阻抗值為12mΩ,但到了CSD97376,整合了兩顆MOSFET與一顆驅動元件,其阻抗值卻下降到5至7 mΩ的水準。


而除了將阻抗值降低來提升電源效率外,降低電流也是另一種作法,以高通先前所推出的Quick Charge 2.0標準,其實就是雷同於:在整體功率不變的情況下,提升電壓,同時降低電流,以將不必要的損耗降至最低。


何信龍也同意,降低電流的確有助於損耗的降低,但還是得看應用端所需要的功率為何,以智慧手機來說,絕大部份的機種都是採取USB介面進行充電,其採行的電壓為5V,若將充電晶片與接收端晶片加以整合,USB充電的問題就必須加以考量。所以這也是市場目前大多採用配件式的方法,來進行無線充電的原因。


但長期來看,這方面的技術問題都有辦法克服,即便是現階段也是可以解決,但畢竟還是要考量系統成本的因素,才相對客觀。



圖三 : 就電源管理的角度來看,充電晶片的整合與否,牽動了整個系統電源設計的變化。(Source:TI)
圖三 : 就電源管理的角度來看,充電晶片的整合與否,牽動了整個系統電源設計的變化。(Source:TI)

(For美編:要做圖4時,請跟我說一聲,謝謝。)


系統設計仍要廣泛考量各項要素

陳曰亮提醒:「就手機的無線充電而言,不要只看絕對的數值,而是要注意相對的平衡拿捏。」


其言下之意,效率、成本與厚度等要素,都應該被一併被考量進去,這才會相對客觀。若只過度考量單一要素的情況下,恐怕會顧此失彼,反而無法獲得客戶的青睞,尤其是在智慧手機這種競爭異常激烈的應用領域更是如此。


陳曰亮也進一步談到,儘管現階段整體效率僅約有75%左右,在效率的提升上相對有限,不過隨著技術不斷突破,預料明年年底應該會有相對長足的進展才是。



圖四 : 智慧手機市場戰火愈演愈烈,輕薄化概念也成了各家大廠十分在意的重點。(攝影:姚嘉洋)
圖四 : 智慧手機市場戰火愈演愈烈,輕薄化概念也成了各家大廠十分在意的重點。(攝影:姚嘉洋)
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