采用多模設(shè)計(jì)無線充電 兼顧效率與便利性

　　無線充電技術(shù)的解決方案，包含磁感應(yīng)(MI)和磁共振(MR)兩種技術(shù)，不論消費(fèi)市場的走向?yàn)楹?，無線充電已成為必然趨勢。接下來的幾年內(nèi)，無線充電主要將由手機(jī)廠商推動，并開始滲透手機(jī)市場;隨后，生態(tài)系統(tǒng)健全的計(jì)算機(jī)市場將會跟進(jìn)，并帶來無線充電技術(shù)的成長，自此開始，無線充電將發(fā)展為支持手機(jī)及計(jì)算機(jī)的解決方案。當(dāng)前已有許多針對無線電源采用率及潛在總體有效市場(TAM)之報(bào)告與研究，但要提供準(zhǔn)確的市場信息并不容易，因?yàn)樵谶@些預(yù)測中，采用率和技術(shù)的選擇是關(guān)鍵參數(shù)。磁感應(yīng)技術(shù)主要有兩種標(biāo)準(zhǔn)：無線充電聯(lián)盟(WPC)和電力事業(yè)聯(lián)盟(PMA)，這兩種標(biāo)準(zhǔn)皆已相當(dāng)成熟，且消費(fèi)市場已有多種使用中的產(chǎn)品。

　　無線電力聯(lián)盟(A4WP)是磁共振的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，值得注意的是，英特爾(Intel)的磁共振無線充電技術(shù)是為自有的超輕薄筆記本電腦和生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì);其他如在工業(yè)及軍事領(lǐng)域已建立其地位的PowerbyProxi和WiTricity也開始進(jìn)入消費(fèi)市場。

　　要解答標(biāo)準(zhǔn)和解決方案對無線充電技術(shù)未來方向的影響，首先須了解MI和MR技術(shù)上的不同，完全理解并熟悉應(yīng)用/系統(tǒng)的需求后，就可選擇特定應(yīng)用的解決方案。

　　解決電池容量瓶頸 無線充電應(yīng)用抬頭

　　移動解決方案率先于消費(fèi)市場采用無線充電技術(shù)。因?yàn)橛虚L程演進(jìn)計(jì)劃(LTE)技術(shù)，通訊速度和帶寬至少在未來幾年內(nèi)不會遇到瓶頸。方便性是消費(fèi)市場中推動移動解決方案的關(guān)鍵要素之一，不同的移動解決方案，如手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、多媒體播放器和移動電視等，需要不同的變壓器和連接器接口，因此要為移動裝置充電，須要攜帶很多連接器和變壓器，若有通用的無線變壓器加上完整基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)系統(tǒng)，就可滿足此需求，在汽車、咖啡店、圖書館、餐廳、火車、飛機(jī)、辦公室、會議廳等地點(diǎn)都能隨時(shí)無線充電，可帶來眾所期盼的方便性。

　　每2年移動解決方案的外觀、性能和各種功能便會升級，而這些升級迫使電源需求、連接器和接口產(chǎn)生變化，因此需要新的變壓器。這些變化和升級也因淘汰和棄置現(xiàn)有變壓器而造成浪費(fèi)，若能免去各種變壓器和連接器并采用標(biāo)準(zhǔn)無線充電，將能協(xié)助減少電子廢棄物，并提升移動設(shè)備的“綠色資歷”。

　　另一個(gè)重要因素是移動解決方案的技術(shù)升級，如采用1,080p和3D等顯示技術(shù)。移動解決方案將增加采用高解析的顯示技術(shù)，該顯示技術(shù)受到高效能圖形控制器和多核心中央處理器(CPU)的支持;此外，整合日益增加的各種移動解決方案技術(shù)，包括3D全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)解決方案、高效能影音技術(shù)、近距離無線通信(NFC)技術(shù)、可攜式電視及高效能游戲，這些功能將會提高裝置電池電源的需求。

　　移動解決方案的電源通常是鋰離子(Li-ion)聚合物電池，其能源密度達(dá)到飽和已經(jīng)數(shù)年。鋰電池在技術(shù)升級和向不同金屬轉(zhuǎn)移所提升的效能和壽命，已無法滿足增加的電源需求，同時(shí)電池必須維持在小尺寸，以符合移動解決方案的應(yīng)用需求。因?yàn)閱挝惑w積的電池容量已達(dá)極限，解決方案將須要達(dá)到更高的電池容量，或提高充電頻率。

　　在移動解決方案尺寸縮小的同時(shí)，較高容量的電池將影響解決方案整體尺寸和成本;另外須要注意的是，較高容量的電池需要更快速的充電效率，而在維持電池生命周期和所需壽命條件時(shí)會產(chǎn)生化學(xué)變化，因此，提高充電效率似乎是更顯而易見的解決方案。

　　技術(shù)原理影響MI/MR應(yīng)用領(lǐng)域

　　任何一種須使用電力的應(yīng)用都可能采用無線充電方案，然而要如何選擇采用MI或MR無線充電技術(shù)，則須要先檢視二者的基本原理。

　　MI和MR在技術(shù)架構(gòu)上有很多相似之處，例如兩者皆使用磁場做為電力傳輸?shù)臉蛄?，同時(shí)電流都會在共振電路感應(yīng)，產(chǎn)生傳輸電源的磁場。磁力參數(shù)對電磁場如何形成有深遠(yuǎn)的影響;磁通量可藉由直接使用電磁防護(hù)和/或變更磁芯的實(shí)際形狀加以控制。磁通量的密度和容量則可藉由改善電磁場防護(hù)的穿透性加以提升(圖1)。

　　圖1 無線充電磁場

　　成本和厚度是選擇適當(dāng)電磁防護(hù)的關(guān)鍵因素。電流場接收和傳輸線圈的排列，和兩者間的距離，將決定電力傳輸?shù)男?傳輸和接收線圈的距離越大，電力傳輸?shù)男试降?。其他對能量傳輸效率有重大影響的因素，還包括共振頻率、傳輸及接收線圈尺寸比例、耦合系數(shù)、線圈阻抗、集膚效應(yīng)、交流(AC)及直流(DC)組件和線圈的寄生。

　　當(dāng)x、y和z分離且傳輸及接收線圈的比例角增加時(shí)，將對能量的損失和效率產(chǎn)生很大影響。在WPC規(guī)格中，對接收器(Rx)線圈在傳輸器(Tx)上的位置有特定需求，以維持其效率，并達(dá)到兩線圈間最高耦合系數(shù)。但在MR技術(shù)方面，擺放位置具有自由度，并可在磁場中放置單一或多個(gè)裝置，可讓用戶更為便利;然而，當(dāng)耦合裝置間的間隔距離增加時(shí)，對傳輸效率亦將會產(chǎn)生影響。

　　依照不同需求，包含成本和尺寸的考慮，所有的無線充電技術(shù)皆能使用單一或多個(gè)線圈解決方案。依據(jù)WPC和PMA規(guī)格的MI技術(shù)，傳輸電力的頻率范圍很廣。電力傳輸?shù)墓舱耦l率會依負(fù)載阻抗選擇，因?yàn)榇俗兞颗cMR解決方案相比，Q系數(shù)相對較低，僅能在指定的頻率和負(fù)載阻抗，達(dá)到最佳效率。

　　對MR技術(shù)而言，因?yàn)殡娏χ荒苡商囟ü舱耦l率傳輸，因此Q系數(shù)較大，且需要接收器和傳輸器間極相近的共振阻抗網(wǎng)絡(luò)匹配。在MR和MI技術(shù)中，匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變量須要嚴(yán)格控制，因?yàn)闀苯佑绊戨娏鬏敗?/p>

　　在WPC 1.1標(biāo)準(zhǔn)中，可于100k-205kHz的范圍中選擇共振頻率。在PMA的情況類似，其頻率范圍為277k-357kHz.然而，近期頻率范圍已有變更，現(xiàn)在取決于輸入供電電壓。這些解決方案中，典型的Q系數(shù)范圍為30-50(圖2)。

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　　圖2 Q系數(shù)百分比

　　在A4WP規(guī)格的解決方案中，因?yàn)轭l率固定，傳輸器和接收器間的共振頻率和阻抗網(wǎng)絡(luò)需要更為精準(zhǔn)匹配。典型的MR解決方案與MI解決方案相較，需要較高的Q系數(shù)(50-100)。

　　電源管理影響無線充電效能

　　高效能電源管理架構(gòu)的發(fā)展，對MR和MI解決方案成功的建置有重大影響。對傳輸器而言，為了在共振電路感應(yīng)電流，須進(jìn)行DC到AC的轉(zhuǎn)換，在MI技術(shù)中，會在此轉(zhuǎn)換使用半橋或全橋變頻器;而在MR技術(shù)中，是透過功率放大器(PA)感應(yīng)電流。

　　功率放大器的架構(gòu)和分類會因各應(yīng)用的頻率、靜態(tài)電流、效率、尺寸、成本和整合需求而有不同，轉(zhuǎn)換時(shí)須謹(jǐn)慎考慮如何降低閘極驅(qū)動器損失、切換、導(dǎo)電、偏壓、內(nèi)接二極管損失，以及外部組件等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感的寄生(ESL)。這些是開發(fā)高效能整合解決方案所遭遇的部分重大挑戰(zhàn)。

　　根據(jù)輸入電壓需求和設(shè)計(jì)架構(gòu)流程，制程選擇對整合型解決方案優(yōu)化有重大的影響。系統(tǒng)中有多個(gè)控制循環(huán)，而完整控制循環(huán)的穩(wěn)定性對高效能解決方案的整體效果有非常大的影響。在MI和MR技術(shù)中，可藉由有效的電源管理達(dá)到相近的效能和效率。

　　整合藍(lán)牙通訊機(jī)制 無線充電管理更精準(zhǔn)

　　為成功傳輸電力，傳輸器須辨識正確的耦合接收器。在WPC和PMA解決方案中，傳輸器會定時(shí)發(fā)出檢測信號以搜尋接收器;找到接收器后，即開始進(jìn)行電力傳輸。這些解決方案以固定的頻率調(diào)變進(jìn)行通訊。其他通訊方法包括振幅、功率、電流和脈沖寬度調(diào)變(PWM)。如果傳輸端和接收端間相符的網(wǎng)絡(luò)可容忍較大頻率變化，則可選擇使用這些選項(xiàng)。

　　因?yàn)樵贏4WP磁共振解決方案中，發(fā)射及接收端間的網(wǎng)絡(luò)緊密匹配，所以無法使用頻率調(diào)變;然而，若負(fù)載固定，則可使用振幅調(diào)變;如果接收器效能不會被影響，則可使用功率和電流調(diào)變。在移動應(yīng)用中，負(fù)載依功能需求有所不同，如果根據(jù)上述調(diào)變方式開發(fā)解決方案可能有困難，且不符尺寸及成本效益。

　　A4WP選擇藍(lán)牙(Bluetooth)或ZigBee做為通訊的標(biāo)準(zhǔn)方法，這些方法非常便利，因?yàn)橐呀?jīng)存在于移動解決方案中，透過辨識多個(gè)接收器，讓傳輸器進(jìn)行電力傳輸亦非常便利。然而，要達(dá)到這些目的，也可選擇其他類似的方法。此外，通訊也可用于通知電力傳輸?shù)臓顟B(tài)，如異物檢測(FOD)、耦合狀態(tài)，甚至校準(zhǔn)引導(dǎo)信息(AGI)。磁場中金屬異物可能因材料導(dǎo)電性導(dǎo)致溫度上升，這是一個(gè)非關(guān)技術(shù)的潛在問題。

　　除了上述原因之外，如負(fù)載反射效果、電流感應(yīng)和調(diào)變及解調(diào)時(shí)機(jī)，以及它們在封閉循環(huán)系統(tǒng)的影響，是協(xié)助維持系統(tǒng)穩(wěn)定性并確保成功通訊的關(guān)鍵。

　　其他挑戰(zhàn)包括符合法規(guī)，如加州環(huán)保協(xié)會(CEA)和美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)第15和18條的規(guī)定，也可能影響系統(tǒng)的整體效率。

　　MI/MR特性大不同 應(yīng)用需求為選用依據(jù)

　　合理的結(jié)論是，最適合特定應(yīng)用的潛在解決方案，將取決于所需要的功能和效能。比方說當(dāng)無線充電系統(tǒng)需要可在X、Y、Z方向自由放置，或?qū)Χ鄠€(gè)裝置同時(shí)充電，則磁共振可能會是較佳的解決方案;但如果系統(tǒng)有高效能效率需求，且必須符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，則WPC規(guī)格的解決方案可能是理想選擇。

　　然而，毫無疑問地，能夠完美辨識耦合磁感應(yīng)或磁共振裝置，并有效傳輸電力的多模式解決方案，將是此類應(yīng)用的理想解決方案。