采用多模設(shè)計(jì)無(wú)線充電 兼顧效率與便利性

　　無(wú)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(chǎng)的走向?yàn)楹危瑹o(wú)線充電已成為必然趨勢(shì)。接下來(lái)的幾年內(nèi)，無(wú)線充電主要將由手機(jī)廠商推動(dòng)，并開(kāi)始滲透手機(jī)市場(chǎng);隨后，生態(tài)系統(tǒng)健全的計(jì)算機(jī)市場(chǎng)將會(huì)跟進(jìn)，并帶來(lái)無(wú)線充電技術(shù)的成長(zhǎng)，自此開(kāi)始，無(wú)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(duì)無(wú)線電源采用率及潛在總體有效市場(chǎng)(TAM)之報(bào)告與研究，但要提供準(zhǔn)確的市場(chǎng)信息并不容易，因?yàn)樵谶@些預(yù)測(cè)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(wú)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(chǎng)已有多種使用中的產(chǎn)品。

　　無(wú)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(wú)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(kāi)始進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)。

　　要解答標(biāo)準(zhǔn)和解決方案對(duì)無(wú)線充電技術(shù)未來(lái)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(wú)線充電應(yīng)用抬頭

　　移動(dòng)解決方案率先于消費(fèi)市場(chǎng)采用無(wú)線充電技術(shù)。因?yàn)橛虚L(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)劃(LTE)技術(shù)，通訊速度和帶寬至少在未來(lái)幾年內(nèi)不會(huì)遇到瓶頸。方便性是消費(fèi)市場(chǎng)中推動(dòng)移動(dòng)解決方案的關(guān)鍵要素之一，不同的移動(dòng)解決方案，如手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、多媒體播放器和移動(dòng)電視等，需要不同的變壓器和連接器接口，因此要為移動(dòng)裝置充電，須要攜帶很多連接器和變壓器，若有通用的無(wú)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(chē)、咖啡店、圖書(shū)館、餐廳、火車(chē)、飛機(jī)、辦公室、會(huì)議廳等地點(diǎn)都能隨時(shí)無(wú)線充電，可帶來(lái)眾所期盼的方便性。

　　每2年移動(dòng)解決方案的外觀、性能和各種功能便會(huì)升級(jí)，而這些升級(jí)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(jí)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(wú)線充電，將能協(xié)助減少電子廢棄物，并提升移動(dòng)設(shè)備的“綠色資歷”。

　　另一個(gè)重要因素是移動(dòng)解決方案的技術(shù)升級(jí)，如采用1,080p和3D等顯示技術(shù)。移動(dòng)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(dòng)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(wú)線通信(NFC)技術(shù)、可攜式電視及高效能游戲，這些功能將會(huì)提高裝置電池電源的需求。

　　移動(dòng)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(jí)和向不同金屬轉(zhuǎn)移所提升的效能和壽命，已無(wú)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(dòng)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(dòng)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(huì)產(chǎn)生化學(xué)變化，因此，提高充電效率似乎是更顯而易見(jiàn)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(wú)線充電方案，然而要如何選擇采用MI或MR無(wú)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(chǎng)做為電力傳輸?shù)臉蛄?，同時(shí)電流都會(huì)在共振電路感應(yīng)，產(chǎn)生傳輸電源的磁場(chǎng)。磁力參數(shù)對(duì)電磁場(chǎng)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(chǎng)防護(hù)的穿透性加以提升(圖1)。

　　圖1 無(wú)線充電磁場(chǎng)

　　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(chǎng)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?duì)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(duì)能量的損失和效率產(chǎn)生很大影響。在WPC規(guī)格中，對(duì)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(chǎng)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(duì)傳輸效率亦將會(huì)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(wú)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(huì)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(duì)較低，僅能在指定的頻率和負(fù)載阻抗，達(dá)到最佳效率。

　　對(duì)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?huì)直接影響電力傳輸。

　　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)。