無線充電的原理與實際運作分析 - 全文

　　引言

　　無線充電技術經(jīng)過了數(shù)年的推廣與演進后，到如今終于開始受到人們的關注。無線充電是指具有電池的裝置透過無線感應的方式取得電力而進行充電，正是因為其方便性，才得以讓消費者愿意支付額外的費用購買無線充電相關產(chǎn)品；如此一來，大批廠商愿意投入資金進行相關產(chǎn)品開發(fā)，看好其商機。由于這產(chǎn)技術相當新穎且各廠商有自己對技術的表述，所以無線充電、感應式電力、非接觸充電、無接點充電都是泛指相同的技術，距離1mm到數(shù)公尺都是一樣是無線，供電端與受電端交互作用就稱感應，所以無線充電是廣義的名詞而沒有一定的規(guī)格。

　　1 原理簡單，實作困難

　　無線充電的方法在實驗階段有開發(fā)出很多方法，但目前唯一有機會量產(chǎn)商品化為線圈感應式。線圈感應式的原理很簡單，是百年前就被發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象，但過去長久以來這樣的線圈感應只運用在繞線式的變壓器中。早期就有人發(fā)現(xiàn)將繞線式的變壓器的將“E”型鐵心繞線后對向緊貼后接上市電就可以感應傳電，但距離略為分開后感應效果就消失，這是因為在市電60Hz下，電磁波傳遞會隨著距離增加能量快速衰退。在現(xiàn)今的應用中，由于裝置本身需要有外殼包裝，發(fā)射端加上接收端的外殼厚度至少從3mm起算，早期電動牙刷產(chǎn)品開發(fā)時就發(fā)現(xiàn)當距離拉開后需要將線圈上的操作頻率提高才能讓電力能傳送的更遠；在電磁波中有一個特性，就是頻率越高的電磁波可以傳送比較長的距離后能量衰減較低。后來RFID應用開始發(fā)展，主要就規(guī)劃的三個頻段LF低頻（125~135KHz）、HF高頻（13.56MHz）、UHF超高頻（860~960MHz）可以使用，而這些頻段也造就了目前無線電力系統(tǒng)在設計之初頻率采用的參考點。早在10年前電動牙刷的無線充電就已經(jīng)上市，當時的傳送功率小、充電時間長，在現(xiàn)在的智能手持裝置的耗電狀況來看，當時的充電能量不敷使用所以10年來還無法實用化。但這幾年來發(fā)展出新的技術可用較高的“共振”接收效率運作方式，由于這個技術較新所以各界的說法很多，但都是有一個很重要的特性，就是接收線圈上都會有配置電容來構成一個具有頻率特性的接收天線，在特定的頻率下可以得到較大的功率移轉。這部份就跟早期的電磁感應不同，當距離拉開后依然就可以得到良好的電力傳送效果。共振的原理非常簡單，就跟鋼琴調(diào)音師一樣放不同水量的玻璃杯，在精準的調(diào)音下可以將某個玻璃杯透過共振將其振碎；但其它的文章都沒有提到，若是沒有經(jīng)過專業(yè)鋼琴調(diào)音師訓練的一般人，可能永遠也調(diào)不出可以讓玻璃杯振碎的頻率！這就是原理簡單、實作困難。

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　　2 展示簡單，上市困難

　　電子零件出廠時就像是未調(diào)過音的鋼琴，鋼琴透過專業(yè)的調(diào)音師精準調(diào)校后可以發(fā)出高品質(zhì)的聲音；當大量生產(chǎn)后為了成本考量可能就無法在每一個產(chǎn)品都經(jīng)由專業(yè)人員調(diào)校再出貨，如果每一個產(chǎn)品都要專業(yè)人員來修正那就會有困難，因為專業(yè)人員有限。這就跟目前可以看到很多無線充電產(chǎn)品在很久前就發(fā)表了，在發(fā)表會上產(chǎn)品都可以完美演出，但過了很久的等待后還沒見產(chǎn)品上市？就跟剛提到的例子一樣，無線充電的產(chǎn)品為了達到很好的共振效果必需經(jīng)過精準的調(diào)校，在這樣的狀況下量產(chǎn)會變的非常困難。所以無線充電系統(tǒng)的設計首先必需要能針對共振這部份能自我調(diào)整，這樣才能解決量產(chǎn)難題。2008年INTEL即發(fā)表了可以離一公尺距離的兩個線圈傳送電力用以點亮60瓦特燈泡，發(fā)表當時也宣告了無線電力時代已經(jīng)到來；但三年過去了相關產(chǎn)品還是沒有上市，仔細想一下可以相距一公尺傳送電力，這么強大的電磁能量就算對人體沒影響、對周遭的電氣制品會有非常大的殺傷力。無線電力系統(tǒng)的原理與烹調(diào)電磁爐相同，透過電磁波來傳送能量只不過目標不同，電磁爐使用頻率約50KHz能量發(fā)出后給鍋具加熱用已烹飪，過去網(wǎng)絡上就有流傳過一段影片就是將手機放在運作中的電磁爐表面上，在短時間內(nèi)手機即燒毀，這樣的原理一樣電磁波會穿過手機外殼直接對內(nèi)部的金屬構造加熱終至燒毀。前文題到過，為了加長傳送距離必需提高傳送頻率，電磁爐的頻率較低在離開數(shù)公分后就衰減到安全界限以下，INTEL發(fā)表的相距一公尺傳送電力必需將頻率提高到約13MHz才能傳送，在這個狀況下線圈之間若是存在金屬物體將會被加熱而發(fā)生危險，表演中工作人員可以站在兩個線圈中間不會有危險，是因為人體內(nèi)的金屬成份很少所以溫度上升有限。當電磁波頻率加到1GHz以上就會直接對水分子加熱；這個原理就變成微波爐了，水分子被電磁波攪動后發(fā)出熱量。所以微波爐與電磁爐不一樣，必需在屏蔽體內(nèi)操作避免為害到人體。這部份又與市面上的無線通訊產(chǎn)品不同，因為能量差距甚大；無線電力系統(tǒng)需要傳送電力而發(fā)送到受電裝置所以需高功率傳送，無線通訊產(chǎn)品收到低功率訊號后再透過內(nèi)部的電池將訊號放大處理。所以不管是在13MHz會對金屬加熱或是1GHz以上直接傷害人體，無線電力在設計時必需解決安全的問題才能上市，這就是展示簡單、上市困難。

　　3 三大效能指針——效率、安全、功率

　　電動牙刷早在10年前就堆出無線充電了，當時由于功率需求低所以不需要考慮效率與安全。早期的系統(tǒng)轉換效率只有20%-30%，且沒有安全機制并不會辯識目標連續(xù)供電，這樣的系統(tǒng)就與微型電磁爐一樣。由于功率很小，接收需求只有0.1W上下，只有20%的轉換效率下即有80%的能量于傳送中轉成熱量散逸，這樣推算發(fā)射器提供0.5W的能量到接收器為0.1W的能量，0.4W產(chǎn)生的熱量有限對系統(tǒng)的溫度上升不明顯，且系統(tǒng)最大輸出能力也不大即0.5W，所以在發(fā)射器上放置金屬異物也不會產(chǎn)生危險；但今日的裝置需求遠高于0.1W，以熱銷的智能型手機來看接收需要5V-1A 即5W的充電能量，若用電動牙刷的系統(tǒng)進行設計問題就會很大了，接收端5W的需求在只有20%的轉換效率下有20W的能量轉換成熱能散逸，這樣的能量會產(chǎn)生龐大的熱能會導致系統(tǒng)溫度大幅上升，在這樣的推算下，系統(tǒng)最大輸出能力會在25W，若為無安全設計下于發(fā)射器上放置金屬異物可能會導致火災意外，所以在功率需求提高后衍生的問題需要全新的設計來完成無線充電，所以10年前即出現(xiàn)的無線充電到今還改良之中。新設計的系統(tǒng)需為了達到目標功率，必需先解決效率與安全的問題。

4 高轉換效率仰賴先進規(guī)格零件與材料

　　現(xiàn)今無線充電系統(tǒng)都采用共振的方式進行設計，在架構上都大至相同有下列這些構造：

　　4.1發(fā)射器內(nèi)有

　　A. 直流電源輸入

　　B. 頻率產(chǎn)生裝置

　　C. 切換電力的開關

　　D. 發(fā)射的線圈與電容諧振組合

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　　4.2 接收器內(nèi)有

　　A. 接收的線圈與電容諧振組合

　　B. 整流器

　　C. 濾波與穩(wěn)壓器

　　D. 直流電源輸出

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　　在樣的架構下從發(fā)射器的1.直流電源輸入到接收器 D.直流電源輸出應過的每一個環(huán)節(jié)都是效率損耗的要點，在電源電路中電流通過的每一個有阻抗特性的零件都會在上面損耗部份能量，這幾年材料的進步也讓無線充電的實用化大增，其中有幾樣先進零件是無線充電系統(tǒng)中與傳輸效率相關的，為了達到高轉換效率需要將這些零件與材料作組合運用。

　　A. 頻率產(chǎn)生裝置：目前有數(shù)家公司將此部份開發(fā)成IC銷售，其為發(fā)射電路板上的關鍵零件。

　　B. 切換電力的開關：大多為MOSFET所構成，低導通阻抗與高切換速度是選用的要點。

　　C. 發(fā)射／接收的線圈與電容諧振組合：此部份為過去從未出現(xiàn)過的技術，由于無規(guī)則可循所以只能透過不斷的嘗試，另外未了阻絕多于的能量散到其它地方，于線圈的未感應側都會家上磁性材料，這類的材料特性也是全新的應用。

　　D. 整流器：由于在線圈上的操作都是高頻率、高電壓的能量訊號需要能有效的換成直流電才能給受電裝置使用，目前大多采用超低VF的蕭特基二極管所構成。

　　E. 濾波與穩(wěn)壓器：這部份難度在接收裝置空間有限，設計上要小型化的困難處，通常高轉換效率的電路配置大體積被動零件。

??? 5 設計最艱難的部份——安全

　　先前提到無線充電系統(tǒng)與電磁爐一樣會發(fā)射電磁波能量，這有兩大問題：

　　其一為當發(fā)射器上沒有放目標充電裝置時一樣在發(fā)射能量，長時間下會造成能源的浪費，不符合現(xiàn)在產(chǎn)品節(jié)能的趨勢。另外一個問題較嚴重，為當發(fā)射器上放的是金屬異物，電磁波對其加熱；這個狀況輕則燒毀裝置，重則發(fā)生火災危其人員生命財產(chǎn)。所以無線充電系統(tǒng)若要上市銷售，必需要有一個重要的功能即為“受電端目標物辨識”，當正確的目標物放置在發(fā)射器上才開始送電，若不是的話則不送電。用來偵測近距離裝置的方法有很多，但在無線充電系統(tǒng)上有一個問題就是無法采用昂貴的零件來完成這個功能，記住目前設計的只是一個充電器，若成本太高的話市場會無法接受這個功能。

　　而目前有兩個實用的方法來完成這個功能： 1. 磁力激活：在受電端上裝一個磁鐵，當發(fā)射端感應到磁力后開始發(fā)送能量，這個方法簡單有效，因為沒有人會無意中放一個磁鐵在發(fā)射器上讓它燒毀。2.感應線圈上的資料傳送：這是目前認為最安全的方法，與RFID的原理相同，利用兩個線圈內(nèi)的電力傳送中，包含資料碼一起傳送；這個方法最安全也是最難完成的，因為感應線圈上有高能量的電力傳輸、另外還包含了系統(tǒng)的噪聲與負載電流變化的干擾，如何有效的傳送資料碼是一大難題。

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　　6 可變功率系統(tǒng)需建立在數(shù)據(jù)傳輸機制上

　　一個理想的系統(tǒng)為在無線充電發(fā)射器上放置不同的接收器，接收器可為不同的裝置從小電力的耳機到大功率的筆記型計算機，都應該要能對應不同的目標物；但每個接收裝置的電力需求都不一樣，這時發(fā)射器必需要能自動調(diào)節(jié)功率輸出。但這樣的功能要建立在發(fā)射器與接收器要能夠傳送資料碼來進行溝通，所以如何運用感應電力的線圈進行資料碼傳送是研發(fā)的要點。關于這個技術數(shù)年前已經(jīng)有多家公司投入開發(fā)，其每家公司的方法有差異在實作上的穩(wěn)定性也需要再經(jīng)過驗證。

　　7 無線充電共通標是理想?yún)s難以實現(xiàn)

　　目前有業(yè)者在推行無線充電標準，理想化的標準是可以跨品牌使用。這個是一個很理想化的目標，所謂的標準就針對兩個部份需要規(guī)范才能運作；第一就是要有共通的共振頻率，電力傳輸是需要透過預設好的共振頻率來傳送，發(fā)射器提供的電磁波能量之頻率需要是接收器的共振頻率才能得到好的轉換效率。第二就是標準的資料傳送碼或其它識別激活方式，發(fā)射器需要對應到正確的接收器才能開始送電。一個共通的標準的確是市場所期待的，目前在推動無線充電標準化的團體已經(jīng)運作多時，但在市面上的產(chǎn)品還算少見，這部份可以深入了解后可以發(fā)現(xiàn)一些問題，一部份是其標準尚未完整以致研發(fā)人員照規(guī)格書開發(fā)確無法順利將產(chǎn)品完成；另一個問題是該標準并不是免費的，當產(chǎn)品上市前需要先支付相關專利的權利金，所以共通標準是未來的趨勢，但目前實際應用還未成熟。

　　8 三大關鍵組件牽動三個產(chǎn)業(yè)鏈

　　就無線充電產(chǎn)品看有三大關鍵組件，其中有控制電路板、感應線圈、磁性材料。

　　目前無線充電尚在起步階段，市場預期接下來的二到三年會開始高度成長，而四年后將會變成品牌商品的標準備規(guī)格之一。這個市場的成長會牽動的產(chǎn)業(yè)鏈不只在電子產(chǎn)業(yè)，感應線圈需要精密治具生產(chǎn)這牽動的是機械工業(yè)，線圈上需要運用高效能電磁波屏蔽能力的磁性材料這牽動的是化學工業(yè)。所以一個產(chǎn)品的成長可以牽動三個產(chǎn)業(yè)鏈，因為這個產(chǎn)品并不是過去已經(jīng)存在的產(chǎn)品，而是全新的類別全新的應用，相關的材料都要重新開發(fā)生產(chǎn)，對經(jīng)營面來看這也是可以開發(fā)的新領域。