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無線充電應用起飛 Qi標準取得先機
 

【作者: 葉奕緯】   2018年02月05日 星期一

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無線充電,是利用電磁感應(Electromagnetic induction),由充電器將能量傳送至終端裝置(手機等),兩者之間不需使用電線連接,即可充電。


為了分食無線充電的大餅,目前有兩大聯盟欲成為充電標準的制定者,一是WPC(Wireless Power Consortium)的Qi標準,成員包括蘋果、三星、Sony、高通、NXP等大廠,二是AFA(AirFuel Alliance),成員包括AT&T、Dell、Duracell、Energous等。


自從品牌大廠蘋果於2017年採用Qi標準後,眾多供應商也紛紛朝向WPC聯盟傾斜,其中一間無線充電晶片供應商盛群(Holtek)半導體便因此獲得訂單,出貨量大增,並將於近期推出15w的充電規格。


盛群擅長製作MCU(微控制器),在有線行動電源領域也耕耘多年,早在2014年便研發了5w無線充電的MCU晶片,也在同年獲得Qi標準認證。然而當時的出貨量少,盛群行動電源產品二處處長劉宏裕對此表示:「當時市場普遍仍在觀望,蘋果和三星都沒出手,僅是雷聲大、雨點小。」


然而在2017下半年情況開始不同,因為蘋果iPhone X及iPhone 8支援無線充電Qi標準,市場開始一面倒地追捧無線充電板,終端需求大增,造成一陣風潮,盛群的訂單也隨之湧入,並正努力通過下一代產品的Qi標準認證。


WPC認證嚴謹

要讓自家產品被貼上Qi標準的標籤,可不容易。首先你要將自家產生產產品帶到香港或中國深圳實驗室測量電器特性、功率夠不夠,接著還要測試非常規的流程,會不會影響產品的穩定性等等,這至少需耗費兩周的時間。


要是第一步的測試沒問題,就會將產品送到比利時做第二階段的測試。能夠被貼上Qi標準標籤,就表示此項無線充電器,可以適用所有經過認證的產品,因此,WPC會收集大約三百多種的手機,一一進行相容性測試,每台約需花費15分鐘,視產品能否確實充電。目前盛群的產品仍處測試階段,如果順利,最快能在一個月內完成認證。


除了產品的相容性需要通關外,安全性也是一大考量重點。無線充電板的充電效率會受機殼厚度干擾,金屬硬幣同樣是常見的干擾源之一。因此盛群提供給客戶的方案中,除了提供客戶自行調整效率外,還可以知道接收/發送端的瓦數。



圖1 : 產品二處經理廖智民(圖左)、產品二處處長劉宏裕(圖右)。(攝影/葉奕緯)
圖1 : 產品二處經理廖智民(圖左)、產品二處處長劉宏裕(圖右)。(攝影/葉奕緯)

若在充電過程中,不慎將干擾源置於手機與充電板之間時,干擾源(如硬幣)就會吸收其中的熱量,當溫度上升時,會使塑料機殼融化,產生危險。因此,若是軟體能顯示當前傳輸數據,當充電效率低於常態時(轉換效率70%以下),就能將之斷線,預防危害。


盛群產品二處經理廖智民也舉了一個適切例子:「還記得以前使用USB時,時常會發現與電腦不相容的問題嗎?但是現在為何不再發生呢?這是因為USB的產品標準已經有一定規範,所以製造商會依據規格來製造產品。因此目前無線充電仍處在過渡期,想必未來很快會趨向統一,至於是WPC或是AFA取得主導,就不得而知了。」


無線充電的技術

談到盛群所研發的無線充電板,經理廖智民表示:「你可以看到,早期我們電路板上的功率元件多達四、五個,但現在卻只剩下三個,那是因為除了控制功率大小的MCU是自己做的之外,其他元件都是外包給別人,也使我們的整合度比別人更高,元件之間也才不會產生干擾問題。」


當前的主流,是使用磁感應的無線充電技術,裡頭包含兩組電圈,透過導體切割磁場而產生電流,原理如同生活中的變壓器。其優點是充電效率高(80%以上),然而充電距離短,僅有數公厘至數公分而已,並且需要對準才能充電。


而目前相對少見的磁共振技術,則是靠發射/接收端達相同頻率引起共振,以利能量交換。其優點是充電距離遠(數公分至數公尺)、面積大,並能隨放隨充,缺點是充電效率低,成本高。



圖2 : 兩款盛群研發的無線充電電路板(左為新品)。(攝影/葉奕緯)
圖2 : 兩款盛群研發的無線充電電路板(左為新品)。(攝影/葉奕緯)

最後則是無線射頻技術,它靠著空間電場作媒介,將電力透過無線電波傳導,接收端再用天線取得電力。優點是距離遠,成本低,但在傳輸上需要有方向性,轉換效率也低,更有潛在的輻射危險。


經理廖智民表示:「比起同業來看,盛群很早以前就開始研發無線充電,所以過往合作的廠商中,曾經碰過哪些問題,多已經有解決方案。另外針對產品所做的MCU,也有內建FSK (Frequency-Shift Keying)調變功能,以及PWM (脈寬調變),解析度高,最高可達18w的傳輸功率。」


盛群也曾因為客戶要求,而製作一款透過NFC傳遞訊號的產品,一般NFC是讓裝置之間可以進行通訊,並能支援非接觸式的支付系統。而盛群則曾製造一款手機背蓋,資料使用NFC傳遞,但充電功率則是用一般無線充電的方式傳遞,兩個線圈之間易產生干擾,所以僅成為一款非標準型的充電產品。


除了盛群之外,另一家台灣業者凌通的15W無線充電方案,已正式獲得無線充電聯盟(WPC)的Qi規格認證,並已送樣至智慧手機品牌廠。凌通具備5W、15W技術通過認證,也早在五年前便曾推出無線充電產品,同樣受惠蘋果導入無線充電功能,開始受到多方詢問,可望在今年首季推出15w產品。


廣泛的應用市場

盛群處長劉宏裕表示,目前盛群的訂單中,中國就占了九成,廠商製造完後便會銷往世界各地,而產品中,無線充電器占了八成的訂單,再來就是內建無線充電的檯燈。另外還有一項有趣的應用,就是魚缸,無線充電可以讓打氣用的幫浦馬達,不必再特地拉線充電,解決滲水漏電的問題。



圖3 : 盛群研發的無線充電板。(攝影/葉奕緯)
圖3 : 盛群研發的無線充電板。(攝影/葉奕緯)

除此之外,瑞典家具大廠IKEA也嗅得先機,在家中的茶几、桌子裡內建無線充電,回到家後,只要將手機往桌面上一擺,即可開始充電,而更早以前的無線滑鼠所配置的滑鼠墊,也有著相似功能。而台灣富達通則針對工業應用市場進行開發,其RFID無線充電方案可以為工業平板、路燈、機器人等高功率設備充電,最高轉換效率可達90%,最大接收功率更高達100w。


除了期待無線充電能實際應用到生活外,也必須提醒自己安全性的問題,無線充電越方便,就越會讓人疏忽它可能造成的危害,不論是輻射過量,或是高溫爆炸。而對企業來說,這次無線充電的熱潮會歷久不衰,抑或只是曇花一現,則是他們更為關心的重點。


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