在標(biāo)準(zhǔn)紛紛出籠之際,無線充電亦開始跨入磁共振階段。盡管標(biāo)準(zhǔn)的訂定必然推動磁共振技術(shù)向前邁步,但也使過去既存的問題再次浮上臺面,包含物料成本、元件供應(yīng)與安全認(rèn)證等議題均受到熱切關(guān)注,同時市場對解決方案的需求也更加迫切。
雖然無線充電聯(lián)盟(WPC)已發(fā)布具備磁共振技術(shù)的Qi 1.2版標(biāo)準(zhǔn),但目前業(yè)界普遍尚未取得詳細(xì)規(guī)格,也未見采用WPC磁共振標(biāo)準(zhǔn)的解決方案;相較之下,采用無線電力聯(lián)盟(A4WP)標(biāo)準(zhǔn)的首波磁共振無線充電方案預(yù)期將于年底上市,無論在技術(shù)或產(chǎn)品方面皆有較多實例可供參考。因此,以下系針對A4WP標(biāo)準(zhǔn)的磁共振無線充電開發(fā)挑戰(zhàn)進(jìn)行探討。
高頻元件規(guī)格提升 磁共振無線充電挑戰(zhàn)重重
A4WP的磁共振方案并非采行一般電力傳輸常用的低頻率,而是選用較適合通訊的高頻率。由于通訊用頻段通常無須乘載大電流,而適用于電力傳輸?shù)脑蝉r少針對高頻率設(shè)計,因而使磁共振無線充電方案無論是在元件的設(shè)計上或供應(yīng)上,都為制造商增添了新的挑戰(zhàn)。
博通(Broadcom)手機平臺部門產(chǎn)品行銷總監(jiān)Reinier van der Lee表示,為避免無線充電系統(tǒng)受到其他設(shè)備的頻率干擾,A4WP選擇避開無線電運行的頻譜,采用于工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療頻段(ISM-band)中的 6.78MHz進(jìn)行電力傳輸,以增加磁共振無線充電的穩(wěn)定性。
圖1 UL消費性事業(yè)電子科技產(chǎn)業(yè)部大中華區(qū)工程部總監(jiān)蔡英哲指出,無線充電的頻段除了要避免與生物體自然頻率共振外,也必須避開各種通訊系統(tǒng)的頻段。
UL消費性事業(yè)電子科技產(chǎn)業(yè)部大中華區(qū)工程部總監(jiān)蔡英哲(圖1)補充,頻段的選擇相當(dāng)重要,為避免造成頻段間的干擾問題,因此目前的趨勢是將通訊頻段采用現(xiàn)有的成熟技術(shù),如近距離無線通訊(NFC)、藍(lán)牙(Bluetooth)、無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)等,并將設(shè)備加入通用識別碼以減少不預(yù)期的干擾,讓電力波可以在非通訊與諧波區(qū)域使用。
不同于WPC透過頻內(nèi)(In-Band)訊號進(jìn)行傳輸,A4WP在通訊機制上是采用藍(lán)牙Smart做為發(fā)射端(Tx)與接收端(Rx)的通訊方式。十銓行動應(yīng)用事業(yè)處產(chǎn)品總監(jiān)林家成表示,Qi標(biāo)準(zhǔn)是透過方波長短的不同進(jìn)行通訊,但磁共振技術(shù)若在電波中加入其他訊號將會影響系統(tǒng)的共振點,因此A4WP才藉由藍(lán)牙Smart將系統(tǒng)分為通訊與電力傳輸兩個通道。
致伸科技平臺資深經(jīng)理丘宏偉進(jìn)一步說明,因現(xiàn)在多數(shù)智慧型手機都已配備藍(lán)牙Smart,成本增加僅會出現(xiàn)在Tx部分,且增加幅度并不大。至于其他通訊方式如Wi-Fi,其頻寬較大而且并不完全適用于電力傳輸,所以采用藍(lán)牙Smart的方案較為劃算。
此外,因磁共振系統(tǒng)頻率的提升,連帶影響其他零組件必須相應(yīng)采用高頻元件,這部分為墊高A4WP磁共振方案成本的最大塬因。林家成分析,磁共振系統(tǒng)若運行頻率很高,便要采用高頻率金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(MOSFET)來做開關(guān)的動作,在電力傳輸?shù)倪^程中,從波峰到波谷間上下可能相差幾十到上百伏特 (V),能夠承受如此高電壓的MOSFET便會非常昂貴;假如還要做到效率高,則費用將會是呈現(xiàn)指數(shù)性上漲。再者,目前這種高頻率的MOSFET必須采用訂制,因此關(guān)鍵元件的供應(yīng)問題也可能是磁共振技術(shù)未來發(fā)展的阻礙之一。
德州儀器(TI)電池管理市場經(jīng)理文司華表示,磁共振與磁感應(yīng)技術(shù)還有一項不同點在于積體電路(IC)制程。磁感應(yīng)方案所用的晶片制程為30伏特,但磁共振方案的制程估計需要40?60伏特。丘宏偉補充,當(dāng)頻段提高也會同步增加元件制造的技術(shù)門檻,在材料上可能要使用到氮化鎵(GaN),因此能夠供應(yīng)氮化鎵MOSFET的關(guān)鍵元件廠商也開始蠢蠢欲動。
另一方面,磁共振無線充電的優(yōu)勢在于可同時對多個設(shè)備充電(圖2),因此在Tx設(shè)計上也有不同于磁感應(yīng)方案的考量。林家成指出,線圈處于高頻率時會出現(xiàn)寄生的電容、電阻、電感等干擾,此時要控制頻率就較為困難,比如當(dāng)系統(tǒng)中有多個Rx線圈進(jìn)入時,因為寄生的電感發(fā)生變化而會影響共振點;另外,當(dāng)Tx與Rx 的垂直距離改變時,系統(tǒng)在輸出功率和共振頻率上也必須同步調(diào)整,所以Tx重點在于必須適應(yīng)不同的頻率。
圖2 磁共振頻率會受到待充物數(shù)量與充電距離影響。 圖片來源:POWERMAT
關(guān)于線圈的部分,高創(chuàng)行銷部副理王世偉也表示,進(jìn)入到磁共振技術(shù)后,因為頻段較磁感應(yīng)方案高,除了天線長度須要改變之外,共振式磁性材料的生產(chǎn)門檻亦會提升,挑戰(zhàn)包含粉料的配方與天線設(shè)計等。
整體看來,現(xiàn)行磁共振無線充電方案價格偏高的塬因,主要在于須采用特殊高頻元件,且在市場尚未普及的情形下難以壓低成本。林家成說明,磁共振無線充電的終端價格要分為Tx與Rx來看,Tx因為具有高附加價值,即使賣到20美元還是有市場;而Rx是內(nèi)建于消費性產(chǎn)品之中,這部分價格將占有較大影響力。然而,未來WPC的磁共振方案是否將能突破上述挑戰(zhàn),仍須待后續(xù)觀察。
突破空間限制 磁共振方案距離不設(shè)限
相較于磁感應(yīng)無線充電,磁共振方案在使用上具備更高的便利性,包括智慧型手機毋須準(zhǔn)確放置于充電板、可達(dá)更長的充電距離,并能同時對多個設(shè)備充電,上述特性為制造商帶來了相當(dāng)可觀的應(yīng)用商機。
王世偉表示,磁感應(yīng)技術(shù)的充電距離受限于線圈尺寸,因此在Rx設(shè)備體積有限的情形下已面臨距離上的瓶頸;而磁共振技術(shù)在這方面尚未達(dá)到物理限制,因此距離仍有增長空間。磁共振無線充電的優(yōu)勢,在于當(dāng)充電距離拉長或是沒有對準(zhǔn)Tx的情況下,雖然會導(dǎo)致磁共振系統(tǒng)充電效率降低,然而不至于造成充電能力的喪失。
圖3 德國萊因資深專案經(jīng)理Jan Willem Vonk表示,磁共振無線充電要普及,必須先解決充電效率不佳以及安全認(rèn)證等問題。
就使用者立場而言,無線充電系統(tǒng)的穩(wěn)定固然重要,不過充電花費的時間卻更是有感。德國萊因(TUV)資深專案經(jīng)理Jan Willem Vonk(圖3)表示,現(xiàn)階段磁共振方案的充電效率仍較磁感應(yīng)方案低,假若無法縮小與有線充電在充電時間上的差距,勢必降低消費者使用無線充電的意愿。
蔡英哲也強調(diào),磁共振技術(shù)在理論上可達(dá)到90%以上的傳輸效率,但是在內(nèi)嵌至設(shè)備時所造成的磁損,與非預(yù)期接收設(shè)備造成損失為典型的隱憂,因此強逆磁化與強順磁化是目前亟待推展的效率提升技術(shù);同時,磁場透鏡技術(shù)的發(fā)展同樣值得期待,將可望達(dá)到比擬有線充電系統(tǒng)的整體效率。
除此之外,由于充電板與待充物之間的距離增加,使Tx不再受限于必須放置在如桌子等物體表面,將可內(nèi)嵌至各種家具之中,降低視覺上的侵入感,并減少直接接觸造成的破壞,更有助于解決電力傳輸所造成的發(fā)熱問題(圖4)。
圖4 藉由增加充電距離,無線充電板將可完全內(nèi)嵌于家具之中。 圖片來源:Panasonic
丘宏偉說明,磁感應(yīng)技術(shù)在充電板與待充物之間的散熱空間有限,當(dāng)以更大功率進(jìn)行傳輸時,提高的溫度可能無法被市場所接受。藉由磁共振方案增加充電距離,Tx與Rx間的散熱空間大幅擴展,有利于執(zhí)行隔熱、散熱、絕熱等設(shè)計,例如將充電板裝在桌子下,透過桌面的大面積將熱能發(fā)散,便可降低系統(tǒng)充電時產(chǎn)生的發(fā)熱感。
然而,王世偉點出,現(xiàn)階段A4WP無線充電方案的一大賣點,在于擺放位置較以往磁感應(yīng)方案更為自由,但空間自由度包含了水平與垂直范圍,目前僅看到 Rezence BSS 1.2版在垂直距離的進(jìn)展,而水平距離尚無法達(dá)到理想范圍,這是未來邁向更好的使用者體驗所必須克服的問題。
另外,針對市場對充電距離的需求,王世偉補充,為了將無線充電發(fā)射器安裝于任何桌板下,Tx與Rx的距離必須達(dá)到1英吋;目前已出現(xiàn)距離達(dá)18毫米 (mm)的方案,相信1英吋目標(biāo)也將很快實現(xiàn)。此外,一般民眾習(xí)慣將智慧型手機拿于一定高度而非平放在桌面使用,因此2英吋可能為更理想的充電距離。
值得注意的是,充電距離增加固然帶來使用上的便利,但磁共振系統(tǒng)將Tx與Rx的距離增加后,也相對使磁場較磁感應(yīng)方案開放,同時消費大眾對于高頻率電磁波對人體的影響也存有疑慮。Vonk指出,目前磁共振技術(shù)的主要挑戰(zhàn)包括充電效率與安全認(rèn)證,其中,安全性是一般大眾最關(guān)注的問題,即使在技術(shù)上能克服距離限制,并可將充電器安裝于家中任何位置,但在系統(tǒng)安全性尚未完整測試之前,仍將可能影響消費者的采用意愿。
由此可見,未來磁共振技術(shù)在攻占市場上的阻礙,將不僅僅只有技術(shù)門檻或價格等因素,如何藉由有效的安全驗證讓產(chǎn)品為一般大眾所接受,這部分的影響將至關(guān)重要。
強化安全驗證 磁共振無線充電邁向商用
當(dāng)前磁共振無線充電標(biāo)準(zhǔn)已出爐,緊接著下一步就是開發(fā)產(chǎn)品、取得市場滲透率。盡管磁共振在技術(shù)上的關(guān)卡能逐一擊破,但市場最關(guān)心的議題,還是圍繞在以高頻率、長距離進(jìn)行無線充電,無論在產(chǎn)品安全或人體健康上是否將造成影響。
據(jù)了解,無論磁感應(yīng)或磁共振技術(shù),都是透過Tx與Rx在相同頻段間產(chǎn)生傳遞能量的磁場,但同樣的頻率不僅僅存在于無線充電系統(tǒng)之中,更會與同樣頻率的不同系統(tǒng)間產(chǎn)生反應(yīng)。過去曾于美國發(fā)生手機與烤箱晶片相互干擾,當(dāng)手機收到訊號時烤箱也同步啟動,并在最高功率下產(chǎn)生空燒的情況。
A4WP的磁共振方案加入藍(lán)牙做為通訊機制,減少通訊干擾,并采用較高頻的6.78MHz以避開多數(shù)設(shè)備的運行頻段;同時,采用高頻段還有另一好處,就是可減少對系統(tǒng)中金屬異物的加熱作用。丘宏偉指出,A4WP磁共振技術(shù)的運行頻段,對于系統(tǒng)中其他金屬的共振影響很輕微,與磁感應(yīng)方案相比,金屬發(fā)熱程度的差距可能達(dá)到十倍之多。
然而須要注意的是,雖然磁共振方案對于金屬異物的影響程度較低,但在磁共振技術(shù)全面普及之前,仍有一段時間須采用兼容磁感應(yīng)技術(shù)的多模方案,因此異物偵測(Foreign Object Detection, FOD)依然會是短期間內(nèi)無線充電設(shè)備所須仰賴的重要技術(shù)。
此外蔡英哲表示,抗強電磁干擾與多模化的切換能力,應(yīng)該是目前晶片業(yè)者主要面臨挑戰(zhàn)與測試需求的部分,為了要達(dá)到完整的長期安全使用,晶片的軟硬體架構(gòu)功能性安全(Functional Safety),必須架構(gòu)完善的失效模式及效應(yīng)分析(FMEA),也就是在設(shè)計階段立即會面臨的挑戰(zhàn)。
蔡英哲進(jìn)一步強調(diào),在進(jìn)入磁共振技術(shù)后,無線充電系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)將不只是傳統(tǒng)以測試為主的評估架構(gòu),會更偏向設(shè)計端的長期安全可靠性架構(gòu)評估,例如磁共振電源是否會產(chǎn)生過熱以及過大電流,進(jìn)而傷害產(chǎn)品的運作。藉由評估安全設(shè)計的可靠性與對應(yīng)風(fēng)險,將有助于減少產(chǎn)品因設(shè)計不當(dāng)而產(chǎn)生的潛在危機。
另一方面,因磁共振無線充電方案采用的頻率較高,是否將產(chǎn)生輻射的問題也備受消費者關(guān)注。Vonk認(rèn)為,目前尚無針對磁共振方案的安全標(biāo)準(zhǔn),但電磁波能量吸收比值(SAR)未來必定將納入磁共振無線充電的測試項目;同時,待首波產(chǎn)品發(fā)布并進(jìn)行測試后,相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)才會更臻明確(圖5)。
圖5 磁共振無線充電邁向普及,仍須先建立完整的安全認(rèn)證機制。 圖片來源:德國萊因
總和上述觀點,首先磁共振無線充電與磁感應(yīng)方案最大的不同,就在于系統(tǒng)運行頻率的差異,采用高頻段雖有其優(yōu)點,然而關(guān)鍵零組件的設(shè)計難度與成本卻大幅提升;其次,在磁共振系統(tǒng)中,電力經(jīng)由高頻率與相對開放的環(huán)境進(jìn)行傳遞,亦引發(fā)消費大眾對于是否將產(chǎn)生電磁波的擔(dān)憂,對此業(yè)界也須要建立出完整的安全性認(rèn)證機制,以減少未來無線充電發(fā)展上可能面臨的阻礙。
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