減少充電耗能的無線充電應(yīng)用

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[導(dǎo)讀] 無線充電技術(shù)其實(shí)并不是新東西，只是設(shè)計(jì)方案因?yàn)樵缙谝驗(yàn)?strong>無線充電技術(shù)無法達(dá)到高功率、高速充電與安全性考量問題，僅能將無線充電技術(shù)應(yīng)用于低功率、小電力的設(shè)計(jì)方案

無線充電并不是一個(gè)全新的技術(shù)方案，實(shí)際上我們?nèi)粘Ｉ钪校殉涑獯罅康臒o線充電應(yīng)用，例如電動(dòng)牙刷、電動(dòng)刮胡刀…等消費(fèi)性電子裝置，只是充電應(yīng)用的無線化在應(yīng)用時(shí)的充電效能與安全性差異問題，一直無法有效改善，直至現(xiàn)今在微控制器應(yīng)用整合下，無線充電已獲得更高充電效能、與更好的實(shí)用價(jià)值…

無線充電技術(shù)其實(shí)并不是新東西，只是設(shè)計(jì)方案因?yàn)樵缙谝驗(yàn)闊o線充電技術(shù)無法達(dá)到高功率、高速充電與安全性考量問題，僅能將無線充電技術(shù)應(yīng)用于低功率、小電力的設(shè)計(jì)方案，例如需要達(dá)到防水、防塵的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，利用無線充電技術(shù)讓設(shè)計(jì)外觀不需有外露的金屬充電連接器設(shè)計(jì)，例如電動(dòng)牙刷、電刮胡刀等產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案上。

無線充電解決方案，為利用Tx端線圈形成電場(chǎng)，再由Rx端線圈感應(yīng)轉(zhuǎn)換能量進(jìn)行電力無線傳輸。Texas Instruments

為了強(qiáng)化能量傳輸效率，線圈的設(shè)計(jì)形式、尺寸也會(huì)影響傳送效能，圖為TDK開發(fā)的無線充電專用線圈模組。TDK Corporation

無接點(diǎn)、引線傳輸能量 無線充電技術(shù)適用于高耐度設(shè)計(jì)方案

基本上在低功率的充電應(yīng)用方案上，無線充電技術(shù)可以說是使用相當(dāng)普遍的應(yīng)用方案，主要可用來解決耐候型、防水/防塵類型電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的應(yīng)用需求，但無線充電技術(shù)用于這類電子產(chǎn)品，不需過于要求充電效能，同時(shí)也因?yàn)榈凸β士色@得較高的應(yīng)用安全性，自然技術(shù)不需提升現(xiàn)有使用方案即可應(yīng)付設(shè)計(jì)需求，但設(shè)計(jì)產(chǎn)品若換成智慧型行動(dòng)電話、數(shù)位相機(jī)/攝影機(jī)或是采用更高容量電池的行動(dòng)裝置，舊式的無線充電技術(shù)就無法因應(yīng)設(shè)計(jì)需求。

先檢視電池供電設(shè)備在充電時(shí)常會(huì)碰到的問題，電池充電器在能源消耗的關(guān)鍵主要可從兩個(gè)問題進(jìn)行檢視，分別是是充電的效率與待機(jī)耗電的狀況。在待機(jī)耗電方面，許多使用者經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的應(yīng)用型態(tài)，大多會(huì)在設(shè)備完成充電后仍然將充電器插在供電回路上，這代表著充電環(huán)境會(huì)形成大量的待機(jī)狀態(tài)的額外耗電(即空載耗電)，加上充電器為了節(jié)省成本，電路設(shè)計(jì)也相對(duì)較簡陋，往往設(shè)備充電器處于空載時(shí)產(chǎn)生的耗能幾乎能與充電時(shí)的耗能相當(dāng)!

無線充電技術(shù)已有效改善充電器空載耗能

而在設(shè)計(jì)無線充電解決方案時(shí)，空載的耗能問題最佳化，則必須加以改善，讓充電系統(tǒng)在升級(jí)無線應(yīng)用環(huán)境時(shí)，可以獲得更有效的節(jié)能效益，至少也能改善無意義的空載耗電問題，而這也成為增加導(dǎo)入無線充電應(yīng)用方案的重點(diǎn)加值效益，而目前新一代無線充電系統(tǒng)，在Tx(Transmitter)的解決方案空載負(fù)載的功耗設(shè)計(jì)，目前空載功耗已可達(dá)到100mW以下，已大幅超越一般傳統(tǒng)充電器的空載功耗表現(xiàn)。

對(duì)于無線充電應(yīng)用環(huán)境來說，充電效率也是另一個(gè)影響耗電量的一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)槌潆娦试礁?，也代表著可以透過無線環(huán)境傳送高密度的能量，更快速地完成充電過程。以目前的無線充電解決方案，透過無線傳輸自然無法與直接用銅纜傳輸傳遞效能進(jìn)行比較，但目前無線技術(shù)方案已可達(dá)到70%以上的無線傳輸效能，若可以在無線充電的Rx(Receiver)/Tx(Transmitter)采用更高效率的零組件，此無線充電的效能還可進(jìn)一步改善。[!--empirenews.page--]

多裝置同時(shí)充電應(yīng)用 無線充電方案節(jié)能效益更大

而討論無線充電應(yīng)用方案，大家關(guān)心的不只是更炫、更便捷的IT/3C周邊充電效益，反而是進(jìn)階升級(jí)了無線充電方案后，會(huì)不會(huì)因?yàn)槿粘３潆娦枨蠖皆隽苏w的總耗電量?基本上這必須從多方面進(jìn)行檢視，因?yàn)閷?duì)于電子產(chǎn)品的耗電量統(tǒng)計(jì)，會(huì)因?yàn)橛脩舻氖褂昧?xí)慣不同、充電應(yīng)用方式差異而有極大的計(jì)算差距。若評(píng)估時(shí)，采取多數(shù)用戶的預(yù)設(shè)應(yīng)用情境作為基礎(chǔ)，例選用一組無線充電Tx取代數(shù)個(gè)充電器(目前無線充電Tx已可同時(shí)支援多Rx裝置同時(shí)充電)，在這種使用基礎(chǔ)下無線充電解決方案的導(dǎo)入效益會(huì)更高，因?yàn)楣?jié)約了不只一組有線的充電器，而節(jié)省了數(shù)個(gè)有線充電器的空載功耗浪費(fèi)。

以符合「Energy Start」綠色能源應(yīng)用標(biāo)章的AC電源充電器微粒，5W的電源充電器在能源轉(zhuǎn)換效率約在70~75%左右，而5W功率的充電器一般在平均耗電量為0.1~0.15W,如果用戶習(xí)慣不佳，多數(shù)使用者在完成充電后多半不會(huì)去拔掉電源充電器，而會(huì)持續(xù)將充電器插在電源插座整天、甚至數(shù)個(gè)月之久，這種使用情境會(huì)令整個(gè)過程產(chǎn)生的功耗產(chǎn)生極大的損耗!

傳統(tǒng)充電器單價(jià)低 空載耗能往往造成更大浪費(fèi)

例如，若5W充電器在進(jìn)行充電過程中的耗能約產(chǎn)生2~3W的供應(yīng)電源，取較高3W計(jì)算一小時(shí)的充電時(shí)間，搭配能源轉(zhuǎn)換效率為70%的設(shè)計(jì)方案，等于在充電過程已產(chǎn)生一小時(shí)4.3W耗電，若充電器插在電源插座一整天(即23小時(shí)空載/1小時(shí)進(jìn)行充電程序)，那代表23小時(shí)內(nèi)每小時(shí)損耗0.15W電能，23小時(shí)總產(chǎn)生3.45W耗能，充電時(shí)的耗能加上空載耗能等于整天下來損失了7.75W.

從計(jì)算過程會(huì)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)充電器的消耗能量，會(huì)因?yàn)榇龣C(jī)空負(fù)載的耗能白白浪費(fèi)能源，若是以兩個(gè)充電器在近似的使用情境下使用，等于是一天光兩組充電器就會(huì)損耗15.5W能源。以此為基礎(chǔ)來對(duì)比無線充電解決方案時(shí)，即便目前透過無線機(jī)制傳送的電能會(huì)有近30%的功耗損失，但因?yàn)槎喑潆娫O(shè)備的無線充電盤進(jìn)行整合，只要能在空載功耗有效壓低在100mW,只要是一組以上的有線充電器應(yīng)用條件，無線充電器的整體功耗就可明顯優(yōu)于有線充電器方案。

無線充電技術(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜 線圈尺寸、角度、傳輸方式都會(huì)影響能量傳遞

再來觀察無線充電設(shè)計(jì)方案的塬理與結(jié)構(gòu)，無線充電解決方案，主要是利用能量轉(zhuǎn)換成無線傳輸后，利用感應(yīng)耦合電能的傳輸過程，進(jìn)行電能的無線傳遞，基本上由Tx(發(fā)射端)將交流電通過線圈形成磁場(chǎng)后，再利用Rx(接收端)的線圈進(jìn)行感應(yīng)產(chǎn)生電壓差，而這種透過無線過程傳遞在Rx端線圈形成的電壓差，就可以用于直接驅(qū)動(dòng)電子裝置的供應(yīng)電源，或是經(jīng)由Rx線路轉(zhuǎn)換變壓后形成對(duì)電池充電的電力來源。

至于電能的傳輸效率，其實(shí)決定在Tx/Rx間的耦合(k)值與品質(zhì)(Q)參數(shù)的差異，而影響耦合與品質(zhì)的關(guān)鍵相當(dāng)多，例如Tx/Rx兩方的距離、相對(duì)尺寸、線圈設(shè)計(jì)、線圈角度、線圈形狀等都會(huì)有影響。

一般而言，要令無線充電的電能傳輸效率提高，有許多作法，例如將Tx/Rx之間的距離盡可能縮小，即距離越短、無線充電效能表現(xiàn)即越高!另外，Tx/Rx兩者的線圈尺寸差距越大，能源傳輸效率也會(huì)相對(duì)降低，若要達(dá)到無線充電的高效率傳遞能源目的，礙于能量的傳遞限制，應(yīng)該盡可能減少Tx/Rx的距離、Tx/Rx兩方的線圈設(shè)計(jì)也盡可能接近采取同樣尺寸，即可達(dá)到最佳的傳輸效率。

無線充電解決方案已在安全性、實(shí)用性大幅改善

但在設(shè)計(jì)無線傳輸應(yīng)用方案時(shí)，若傳輸能量密度增加，也會(huì)代表傳輸過程所造成的能量耗損將會(huì)以熱的形式耗損，亦即傳輸能量越高、充電過程產(chǎn)生的熱也會(huì)因此增加的物理現(xiàn)象，而對(duì)無線充電方案設(shè)計(jì)來說，應(yīng)最大化的針對(duì)系統(tǒng)問題進(jìn)行優(yōu)化，透過降低功率耗損的同時(shí)，也能進(jìn)一步改善充電過程所產(chǎn)生的熱問題，如果為了提高充電能量密度提昇充電效能，但卻還必須為Tx與Rx設(shè)置主動(dòng)式散熱設(shè)計(jì)(如風(fēng)扇)，這就會(huì)造成強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行散熱的額外功耗浪費(fèi)，與整體充電系統(tǒng)的電能節(jié)約設(shè)計(jì)目的產(chǎn)生沖突。

另一個(gè)無線充電方案較常見的困擾就是EMF(Electric and Magnetic Fields)問題，因?yàn)闊o線充電是在Tx產(chǎn)生電磁場(chǎng)，透過電磁場(chǎng)的形成、與Rx端線圈進(jìn)行無線電能的感應(yīng)與轉(zhuǎn)換，而為了強(qiáng)化充電效能，勢(shì)必得加強(qiáng)Tx的電磁能量，即便是我們生活的環(huán)境也充斥著各種強(qiáng)度的電磁場(chǎng)，但實(shí)際上無線充電Tx所形成的電磁場(chǎng)一樣會(huì)令使用者產(chǎn)生健康疑慮。

而以無線充電解決方案，所使用的電磁頻譜為例，一般都是非電離層區(qū)段，而對(duì)人體有顯著危害的電磁場(chǎng)為電離區(qū)段為主，而非電離層區(qū)段的電波能量通常極微小，對(duì)人體組織影響不大，目前多數(shù)無線充電解決方案，也針對(duì)使用者應(yīng)用安全部分議題，針對(duì)用戶疑慮進(jìn)行認(rèn)證審核，對(duì)于使用安全疑慮也可降到最低，對(duì)于無線充電應(yīng)用方案，除了可以帶來3C電子產(chǎn)品更便捷的使用方式外，在充電應(yīng)用時(shí)導(dǎo)入更安全的智能控制搭配高效率主動(dòng)智能調(diào)整充電能量的設(shè)計(jì)方案，不僅可讓全載充電進(jìn)行時(shí)更為安全，也能令充電設(shè)備的空載功耗降到更低，長期使用亦可達(dá)到節(jié)約能源之目的。