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。