淺談無線充電技術:磁感應與磁共振,3大陣營WPC、A4WP、PMA

by Tandee
2014.08.12 04:41PM
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是淺談無線充電技術:磁感應與磁共振,3大陣營WPC、A4WP、PMA這篇文章的首圖

手機發展已經十多年,在無線充電技術上直到近幾年才有較大的突破與整合,但有線仍有其不可取代性,像是低廉的設計成本、親民的終端售價、較高的傳輸效率等。然而無線充電仍有其魅力,尤其是隨放即充的便利性,就會讓人忽略掉價格因素而買來嘗鮮。本文將針對進年的無線充電技術:磁感應、磁共振,以及3大無線充電陣營WPC、A4WP與PMA做個介紹,讓大家對於無線充電技術與概況有基本的認識。

手機、車、生活3C,無線隨處可見

當聽到無線充電應該會覺得這是很新穎的玩意,事實上無線充電技術早在10多年前就已經出現在市面上,但你可能沒有注意到。在行動裝置領域,當年的PHS的J88手機就曾搭配過無線充電模組,有點年紀的朋友應該都有些印象。

數年前的Palm亦有推出Touchstone無線充電模組,甚至迄今還有玩家買線圈回來改裝在其他手機上,讓一般手機也能玩無線充電。而更接近一點,Nokla、SamsungSony等廠商也都有推出以內建無線充電模組的手機,像是Nokia Lumia 920是首款內建Qi標準的智慧型手機。

至於其他科技產品部分,最常見的莫過於中高階電動刮鬍刀與牙刷,透過無線的方式可避免接點老化與氧化,同時也是無線充電技術應用較廣的領域。此外,近年逐漸普及的電動車,也開始規劃無線充電模組。今年Toyota在自家Plug-in Hybrid車款上測試無線充電模組,該模組採用的是磁共振技術,據稱能在90分鐘將車輛充電完畢。

此外GM、Nissan、Volvo等車商亦有推出類似設計,可預見無線充電裝置會快速普及。說了這麼多應用領域,到底無線充電是如何辦到的?又有些什麼優缺點?接下來我們先來了解無線充電的原理。

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無線充電需要裝置端與設備端配合才能充電,充電座有大有小,圖為Lumia 920使用的無線充電座。

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隨放即充是無線充電最大的魅力,但多數無線充電仍須注意方向性與角度,否則會影響充電效率。

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電動牙刷與刮鬍刀等3C產品早已進入無線時代,圖為飛利浦電動牙刷充電座。圖片來源:Mobile01

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除了消費性電子產品外,近年逐漸普及的電動車也將採用無線充電,圖為採用磁共振技術的Toyota電動車。圖片來源:caranddriver

磁感應透過法拉第電磁感應定律

無線充電的技術有不少種,但較常見的不外乎磁感應(Magnetic Induction)與磁共振(Magnetic Resonance)這2種方式,另外還有射頻、微波等技術但較為少見。磁感應聽起來很深奧,但說穿原理你一定知道甚至還可能玩過,那就是依靠國中教過的法拉第電磁感應定律,透過電生磁、磁生電的方式傳導。實作時充電器的電力端提供電力,因而讓電力端的線圈產生磁力。接著接收端的線圈感應到磁力,再將磁力轉換成電力讓手機充電。

磁感應對於線圈的尺寸、距離較為敏感且會影響傳輸效率,大多用於短距離傳輸效率較佳。磁感應的優點是成本低廉,缺點則是於物理限制較大,容易受到距離的影響使得電能轉換效率低落,幾乎要讓接收端貼著發送端才能傳輸。

受限於物理特性,較難做到單線圈多裝置充電,也就是讓多個裝置同時充電。且傳輸時若功率較高容易產生廢熱,也是待解決的問題。目前無線充電陣營中,WPC(Wireless Power Consortium,無線充電聯盟)與PMA(Power Matters Alliance,電力事業聯盟)都採用磁感應技術。

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Intel曾於2010年CES展示無線電力傳輸技術,主要透過線圈產生磁場進行傳輸。

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磁感應的運作流程與系統如圖所示,發送端傳送電力,接收端則需要控制負載並提供資訊給發送端避免傳輸過大。圖片來源:moneydj

磁共振透過共振原理傳輸能量

磁共振則是讓發送端與接收端達到特定頻率,可讓雙方形成磁場共振現象,透過這種方式達到能量傳輸的目的。磁共振技術的優點在於傳輸功率較高,具使用該技術的廠商PowerByProxi表示,零售端做到50、100W輸出都沒有問題,商用領域甚至能達到1000W以上的輸出功率。缺點則是成本較高,且共振頻率會影響到傳輸效率,但設計上容易做到多裝置同時充電。

相較於磁感應,磁共振一般而言效率較好,應用距離也比較遠且相對於磁感應更容易穿透非金屬物質。以PowerByProxi的解決方案而言,約可達到75%傳輸效率。現在WPC與A4WP(Alliance for Wireless Power,無線電力聯盟)使用的是磁共振技術,眼尖的話你應該發現WPC同時有磁感應與磁共振技術,這是在該聯盟近期發布的Qi 1.2規範中制訂的,先前僅支援磁感應技術。

看到這你可能會問金屬外殼手機能夠無線充電嗎?不論是磁感應還是磁共振都有同樣的罩門,那就是無法穿透金屬,金屬的遮蔽效果太強,容易降低效率且危險性提升。假若你的手機採用金屬外殼設計,那麼依照現行的設計方式,是無法使用無線充電技術。

實作上若非得使用金屬外殼,一般會在設計時開個窗口放置線圈或接收端,才有機會使用磁共振或磁感應技術,但仍不建議如此搭配,畢竟金屬遮蔽效果太強變數多,亦影響傳輸效率與產品安全。

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磁共振依然是使用線圈傳輸,但主要是靠共振傳輸,因而傳輸頻段與頻率相當重要。圖為採用磁共振的PowerByProxi。

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磁共振的傳輸距離較遠,且相對於磁感應方向性更自由,手機擺放於充電板傳輸範圍內就能充電,不需要正對傳輸線圈。

透過無線射頻原理來充電

除了磁感應與磁共振再來談談個很早進入市場,但能見度卻比較低的無線射頻技術。早在2007年Powercast就曾經在CES展示無線射頻的充電方式,該技術是透過類似RF射頻原理,將電力透過無線電波的方式傳導,接收端則是使用天線將電力接收下來,其傳輸原理與礦石收音機類似。

實際應用上發射端會安裝於插座上,可想像成安裝在插座上的廣播電台,其運作頻段在900MHz,接收端則透過天線接收無線電波。

該技術優點同樣是成本低,當年據稱只要5美元,且可幫射頻範圍內的裝置充電。但缺點是無線射頻傳輸若無方向性傳輸效率比較差,最初測試時還得需要指向性天線才能達到充電的目的,加上傳輸功率較低只適合用於耗電量較低的裝置。Powercast共推出P1110與P2110晶片,前者是用於短距離,後者則是長距離,頻段同樣是850~950MHz。

看過無線充電技術的原理後,應該要來了解現在無線充電的組織有哪些,這些組織推動無線充電技術的普及,目前有3大聯盟分別是WPC(Wireless Power Consortium,無線充電聯盟)、A4WP(Alliance for Wireless Power,無線電力聯盟)與PMA(Power Matters Alliance,電力事業聯盟)。

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Powercast共有2款傳輸晶片,分別用於短距離與長距離環境,運作頻段為850~950MHz。

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圖為1930年代早期的礦石收音機。圖片來源:Wikipedia

WPC(Wireless Power Consortium,無線充電聯盟)

WPC是目前最大的無線充電組織,會員數量超過A4WP加上PMA,共計約有200個廠商與19個國家參與,像是HTC、Nokia、LG、Sony、Samsung等廠商皆為其會員。你可能會問,WPC組織這麼有龐大為什麼好像沒有聽說過一樣?是的,相較於WPC這個組織名稱,他們提出的規範Qi(讀音:氣)反而比較知名。

WPC於2010年制定Qi規範,目前Qi規範已經到1.2版本,在1.2版本中最大輸出功率已經達到2000W、單一逆變器亦可提供多個裝置充電,更重要的是納入磁共振技術,讓WPC同時擁有磁感應與磁共振技術。此舉有益於該組織的發展,而不用受限於單一磁感應技術,納入磁共振廠商不僅能增加聲勢,亦能讓產品更加完善。Qi是目前較有組織且相對普級的規範,雖然仍處於無線充電的戰國時代,但Qi的影響力依然不能忽視。

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WPC的商標如圖所示,但一般人更熟悉的應該是下方的Qi圖。

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目前不少手機製造商、無線充電製造商都向Qi規範靠攏,產品上標示Qi圖示代表其相容性,但需注意Qi仍有版本差異。

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Qi運作原理如圖,同樣是透過線圈製造磁場,再透過電與磁轉換取得電力。

A4WP(Alliance for Wireless Power,無線電力聯盟)

A4WP最初是由Samsung與Qualcomm號召組成,後來還加入Intel這重量級廠商,主要應用技術是磁感應。相較於WPC的成員A4WP會員數量相對較少,約有103個會員且不少都是筆電廠商如Asus、Dell、Fujitsu、Lenovo、LG、HTC、Samsung,外加一些半導體與技術供應商,如IDT、Intel、Marvell、MediaTek、NEC TOKIN、NXP Semiconductors、ON Semiconductor、Qualcomm等。

從成員列表中應該可以看出WPC與A4WP的異同,相同點在於有不少廠商會同時是多個組織的成員,像是HTC、Asus皆然。甚至是A4WP的創始成員Samsung亦為WPC成員之一,不難想像這情況,畢竟無線充電技術仍在競爭階段,應避免把雞蛋放在同個籃子裡面。差異處在於A4WP成員不少都是半導體廠商,而WPC則以製造商或品牌廠商居多。

WPC推出Qi規範與認證,A4WP自然也有一套認證辦法,那就是2014年CES期間提出的Rezence規範。畢竟是磁共振技術的領導廠商,Rezence認證的產品大多在距離、材質上有較大的突破,且部分磁共振技術的產品能突破充電的方向性,放著不需要正對線圈也能充電。

值得注意的是,受到WPC組織日益龐大的影響,A4WP於2014年與磁感應組織PMA簽定合作備忘錄,結合次要敵人(PMA)打擊主要敵人(WPC)。此舉意味著雙方可能朝相雙模技術發展,可克服目前產品與會員數量的問題。但要結合不同組織的規範並不容易,加上無線充電技術彼此之間有相容性的隱憂,磁感應與磁共振雙模設計開發也有難度。

該備忘錄指的合作內容是雙模設計案的開發,並不意味雙方規範的統一,光是A4WP使用6.78MHz頻段,PMA使用200~400KHz頻段就有所差異,備忘錄內容還是以短期合作為主,而非長期的規範統一。

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A4WP主要由Samsung與Qualcomm號召組成,成員當中不少都是半導體製造商,近期與PMA合作對抗WPC。

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Rezence是A4WP推出的無線充電認證規範,意義與WPC推出的Qi規範相同。

PMA(Power Matters Alliance,電力事業聯盟)

最後介紹PMA陣營,它是於2012年由P&G與Powermat共同成立的組織,主要應用技術是磁感應,成員有Asus、AT&T、BlackBerry、Microsoft、LG、Starbucks等。目前PMA仍未有認證機制,有消息指出今年應該能看到如同Qi或Rezence的機制出現。比較特別的是,PMA與Starbucks合作,今年於加州將試辦無線充電計畫,Starbucks櫃台與咖啡桌下內建充電模組,是較早針對終端客戶提供的異業合作案。

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PMA成員較少但積極與異業合作,今年已於美國Starbucks推出無線充電服務。

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支援PMA的裝置都有圖示,但至今PMA仍未推出相關認證機制。

無線充電的未來

說了這麼多無線充電技術與聯盟,無線充電真的這麼好嗎?這倒未必。筆者認為無線充電終要克服效率問題,依照物理特性與成本結構,很難做到逼近傳統線材的傳輸效果。不僅傳輸效率只有75%左右,且需要花費比線材更長的充電時間。加上環保意識抬頭,效率差且昂貴但方便的充電方式適合我們嗎?或許值得大家深思。

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未來手機、穿戴式裝置只要隨手一放就能充電,免去找線材的麻煩。但傳輸效率、終端成本、傳輸規範仍是待解決的問題。圖片來源:compositry

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1 則回應

應用教學
十分鐘快速認識無線充電~
Chevelle.fu
8 年前