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无线充电引领无线革命
自由充电不设「线」

【作者: 陳韋哲】2013年11月20日 星期三

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随着行动装置设备成为市场主流产品后,人手多机(行动装置设备)的景象亦不再是新鲜事,为了能够让使用者在解决充电这件事上头可以更加便利,且能摆脱传统有线充电的束缚,无线充电技术更显得其存在的必要。举凡生活中常见的电动牙刷、电动刮胡刀等日用家电设备,都是采用了非接触式无线充电技术,才让广大的使用者摆脱「线」的束缚。


谈到无线充电技术,严格来说并不是一项新技术,早在十多年前就已经应用并实现在不少产品上,其原理主要是源自于1831 年英国物理学家麦克‧法拉第所提出的法拉第电磁感应定律。当电流通过线圈时,周围会产生磁场,而磁场又会与其他没有通电的线圈建立感应电压,有了电压就可以提供电流,而无线充电就是利用感应电压进行充电。


以无线方式传递电源的方法主要可区分成三种形式,分别为磁感应式、磁共振式以及无线电波式,其中又以磁感应式、磁共振式为目前主流的无线充电传递技术,以下为两种传递技术之基本原理介绍。


(一)磁感应〈magnetic induction〉:在发送和接收端都设置一个线圈,从发送端线圈连接有线电源,并产生电磁信号,当接收端线圈感应到这个电磁信号,从传输点留给设备电池充电。电磁感应技术的缺点就是使用距离较短(充电距离无法超过5mm),随着距离的增加,电能损耗会变得很大,以及透过磁感应充电时,电子设备会有过热的问题,对于支援大功率产品会有安全上的疑虑。


(二)磁共振〈magnetic resonance〉:两个振动频率相同的物体之间可以高效传输能量,这就是共振产生无线能量传输作用。例如将两个铜线圈作为共振器,发射端以10MHz频率振动,周围会发散出电磁场,而接收端需要同样以10MHz频率振动,才能接收到这个传递过来的能量,两个线圈形成一个几乎封闭的「能量通道」。


目前采取磁感应技术的联盟阵营分别是WPC(Wireless Power Consortium)和PMA(Power Matters Alliance),而A4WP(Alliance for Wireless Power)则是采取磁共振技术,三阵营皆极力推动无线充电技术迈向标准化。其中又以WPC与PMA无线充电技术的市场能见度最高,但若以解决方案则是WPC(Qi)阵营所推出的相关无线充电产品为最大宗。


无线联电科技公司总裁邓蕴美指出,从去年至今,采用Qi标准的手机,已经从14款手机,增加到今年的43款手机,且该数目还在持续增加当中,而目前全球更有超过2000万个具备Qi认证的产品出货量,显见Qi标准几乎已经成为无线充电市场的领头羊。



图一
图一

虽然WPC的Qi技术受到最多厂商关注与采用,但PMA阵营亦不是省油的灯,随着宏达电、华为、三星以及乐金等重量级业者陆续加入,未来会由谁引领无线充电技术最终标准,任谁也说不准。


然而,市场上对于无线充电技术最关注且质疑的问题,仍是聚焦在无线充电微波对于人体是否有安全上的考量,对​​此,TI(德州仪器)高效能类比产品市场行销经理何信龙表示,WPC以及PMA无线充电技术的距离为5mm,对于人体影响程度几乎降至最低,反观A4WP所属的磁共振式阵营,虽然支援无线充电距离较远,但其所产生的电磁波,对于人体是否有安全上的考量,仍是该技术在市场上备受关注的重点。


此外,随着WPC 1.0版本已经在今年到期,由WPC 1.1版本负责接手,并首重强调FOD功能。对此,何信龙强调,目前WPC 1.0认证时间已到期,所以各家厂商皆推出符合WPC 1.1版本的无线充电技术相关产品。百佳泰研发处协理李有智表示,在WPC 1.1版本中,特别强调FOD功能,能够有效避免当使用者不小心在无线充电板上放置硬币、戒指等金属物品,​​引发导致系统发热或过载的情况产生。


除了能够解决金属异物问题之外,同时也将一并改善无线充电接收端(Rx)传输资讯封包的最小时间周期,让接收器在发现金属异物时,能够立即通报发送器停止送电。不过,无线充电由于特性的关系,较不利金属机壳设计的机种采用,何信龙表示,为了避免因为金属干扰造成加热引发意外,是故目前原生支援无线充电的​​机种多半以非金属材质为主。


规格统一 蓄势待发


有鉴于目前无线充电市场上几乎已是WPC(Qi)阵营的天下,而PMA阵营已有后起新秀之姿紧追在后,但这多头马车的走向,却使得美国通讯业龙头Verizon与AT&T支持的无线充电解决方案技术标准分歧(Verizon选择支持WPC阵营,而AT&T则支持PMA阵营),进而演变成手机制造商,若想将搭配无线充电的​​智慧手机大举攻进美国通讯市场,只能选边站的局面。



图二 : 美国星巴克已陆续提供无线充电服务。
图二 : 美国星巴克已陆续提供无线充电服务。


IDT副总裁暨类比电源部门总经理Arman Naghavi表示,无线充电绝对是行动市场下一个最火热的议题,只是无线充电有不同技术,更有不同厂商所支持的不同协定,这也导致不同协定间会有不相容的问题产生。何信龙亦表示,无线充电并非是替代现有有线充电的方案,而是让充电除了有线外增加一个方便的选择;也因此,消费者对无线充电有需求纵然是个驱动力,大型企业、尤其是电信商对于无线充电技术的支持态度是影响市场推广速度的关键。


为了要解决因不同无线充电技术标准,造成消费者购买时的隐忧,担心所选购的产品会不会在日后被淘汰的问题,无线充电联盟与晶片商开始着手设计能够同时支援双模无线充电技术的解决方案,何信龙表示,由于WPC以及PMA的线圈相似度高,故适合朝向整合双模无线充电技术支援的模式发展。


再加上,WPC成立新的磁共振小组,进而促使WPC在1.1版本Qi标准中加入电磁共振技术,为的就是希望让单一充电板、扩充底座能够对支援磁共振或磁耦合技术的产品进行充电,也激励无线充电晶片商开始积极发展支援不同标准规范的接收器(Rx)产品,市场更预测2015年磁共振式将全面取代磁感应式成为主流无线充电技术。


然而,随着无线充电晶片商开始着手推出结合支援WPC与PMA双模无线充电技术晶片,对于消费者而言,最乐见的莫过于推出整合WPC、PMA、A4WP三大无线充电标准技术之三模无线充电晶片终极解决方案。


对此,何信龙进一步解释,由于A4WP采用的是磁共振式,与WPC以及PMA采用的磁感应式可说是大不同,再加上,其所采用的工作频率以及线圈设计与WPC以及PMA也不一样,因此想要看到整合三方无线充电技术标准的三模晶片可说是难上加难。



图三 : 脱离有线 随时都来电。
图三 : 脱离有线 随时都来电。


李有智也表示,就现阶段而言,不论是采取磁感应式或是磁共振式技术方案的无线充电联盟阵营,皆正积极寻求更具效率的无线充电解决方案。而磁共振技术则属较完善方案,双方阵营亦有意朝向磁共振技术方向发展,李有智进一步解释,由于磁感应技术面临最大的问题便是受限于充电距离,反观磁共振技术不但能够提升充电功率以及增加充电距离,更能支援为两部以上装置同时充电,加快数位装置充电时间。


无线充电整合NFC 电力不浪费


此外,为了节省能源的耗损,NFC技术也开始被整合到智慧型无线充电系统,为的就是要避免无线充电系统待机时的能量损耗、或者非目标物的无效或者窃电情况。结合无线充电与NFC技术,不但可提高普及度,还可大幅减少物料成本。李有智表示,无线充电与NFC的结合可以使产品设计更简洁而且成本更低,与此同时增加现代行动装置设备的电池续航能力。


国际产品安全测试及认证厂商UL也表示,当NFC不做为高保密性的用途时,其应用领域更为广泛,尤其在智慧型产品或系统的应用上,无线充电系统就是其中一个最佳的例子。由于电磁共振技术采用6.78MHz频率,恰巧与无线射频识别匹配,因此若能搭上近期市场相当火热的NFC便车,无线充电技术普及度将更上一层楼。


结论

在无线充电技术领域,正上演着一场技术标准拉锯战,多个联盟各自推动自家无线充电技术(PMA、WPC、A4WP)使得统一的技术标准仍无法拍板定案。想要实现无线充电技术大量商用化,第一要务莫过于确立无线充电技术标准化,毕竟随着导入无线充电技术的行动装置产品越来越多,倘若没有标准的统一规范,将无法在相容方面达成一致,也无法进一步提升消费者购买意愿。


再加上,消费者对于无线充电所产生的辐射及电磁波仍存有安全上的疑虑,相信在无线充电大量导入到各领域之前,无线充电技术联盟以及相关制造商还是必须尽快完成统一技术标准确定,并提出电磁波与辐射安全相关报表,才能让消费者受惠于无线充电的​​便利之下,同时对健康也多一份保障。


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