近場/遠距無線充電技術大革新 不止于擺脫線纜這么簡單

　　便攜設備無線充電的優勢遠遠不止于擺脫線纜的束縛。智能型手機制造商早在2013年就開始在其智能型手機中整合無線充電功能。未來，行動設備的無線充電功能有望像Wi-Fi和藍牙一樣普及。

　　2015年6月無線電源聯盟（Alliance for Wireless Power， A4WP）和電力事業聯盟（Power Matters Alliance， PMA）合并，組成AirFuel聯盟（AirFuel Alliance）。這一合并之舉加速了未來消費者無論到何處，設備充電將具有互操作性、便利性的愿景實現。

　　近場感應充電

　　尼古拉特斯拉（Nikola Tesla）最早在19世紀80年代證明了近場或磁共振充電，透過振蕩磁場傳遞能量（圖1）。

　　圖一磁共振示意圖

　　從發射器傳遞到接收器的電流和電壓必須是交流電。充當發射器的充電墊從墻上插座中汲取電力，將交流電網電壓進行降壓并轉換為直流，為發射器的驅動器和控制器電路提供偏置。驅動器和控制器產生開關訊號，并可調節開關頻率，將直流電再變為交流電，輸入到初級側線圈。

　　在接收器側，交流電經過整流后，透過同步轉換進行調節，用于對電池充電。根據接收器所需的功率大小，線圈中的頻率發生變化。通訊訊號迭加在功率訊號上，所以兩者均知道設備已經放在了充電墊上。感應充電效率較高，但對于線圈是否對準非常敏感。需要將耦合線圈調節到略微偏離諧振頻率，以優化功率傳輸（圖2）。

　　圖2 近場感應充電系統

　　無線充電聯盟（Wireless Power Consortium， WPC）制定的Qi是目前主流的近場無線充電標準之一，該共同體包括200多家公司。AirFuel近距離磁感應（Inductive）是另一種標準。Powermat是橋接技術的很好例子，該技術提供通用環，配合充電墊使用，為便攜設備充電。

　　近場共振充電

　　共振充電是另一種近場充電形式，與電磁場工作原理相同，但需要共振器前端（圖3）。該標準由AirFuel Resonant主導，允許發射器和接收器之間的距離較短。單個6.78MHz發射器可支持多個接收器，無需實物對準。然而，接收器和發射器之間要求嚴格的頻率匹配，從而在特定線圈尺寸下最大程度地延長功率傳輸距離。隨著連接設備數量增多和距離延長，傳輸功率下降。發射器和每個接收器之間，需要具有獨立的雙向信道，通常是由藍牙來負責這項任務。

　　圖3 近場共振充電系統

　　表1為Qi、AirFuel Inductive及AirFuel Resonant三種近場充電標準比較表。值得注意的是，無論是電磁感應還是共振充電，發射器和接收器之間都必須保持在最短距離以上。

　　表1 近場充電標準比較

　　由于存在兩種標準，通用汽車（GM）宣布其汽車將同時支持AirFuel Inductive和Qi標準。三星（Samsung）也決定其手機將支持兩種標準。

　　遠距充電系統

　　相較于近場充電系統，遠距充電系統將能量從功率集線器傳遞至特定設備的方法更為多元，藍牙、Wi-Fi、超音波和紅外線等都曾被試用過（圖4）。

　　圖4 遠距共振充電系統

　　基于射頻（RF）的系統如WattUp、Cota，均使用一個或多個天線廣播能量并進行通訊。2015年10月，力拱WattUp的Energous公司宣布可提供首款射頻功率接收器IC，該組件可將射頻整流為直流訊號，讓可攜式設備也能支持WattUp充電技術。

　　另一種基于射頻技術的Cota無線充電技術，實際上是使用現有的Wi-Fi和藍牙天線來實現數據通訊和接收無線功率，然后將這些微訊號挹注到電池的充電電流。值得一提的是，Cota會將接受電力的設備數據，包含電池充電特征數據傳輸回電源路由器，待兩端建立起持續的通訊鏈路后，再由電源路由器向接收器所在的位置發射能量束。

　　以uBeam為代表的超音波系統中，路由器中的訊號產生器負責產生電訊號，發送到放大器。然后將經過放大的訊號連接至轉換器，產生超音波，經過聚焦并發送到接收器。受電端內建的壓電轉換器在接收到超音波所施加的壓力后，便會產生充電電流。系統兩側使用的轉換器必須具備高效率，并且能承受大能量訊號（圖5）。

　　圖5 壓電轉換器

　　另一家新創公司Wi-Charge則專注于將紅外線轉換為電力。發射端透過雷射二極管向接收器準確地射出紅外線光束，接收器中的太陽能電池則負責將紅外線光轉換回電能。該公司于2015年2月在舊金山進行了系統功能展示，證明其概念可行。紅外線技術雖然必須在視線范圍內才能運作，但具備無電磁干擾（EMI）輻射這項明顯優勢。表2為各公司遠距充電技術比較示例。

　　表2 遠距充電方法示例

　　無線充電系統實作應注意六大重點

　　相較于有線充電，無線充電系統在先天上有許多變數，在實作時應特別注意。

　　．移動性

　　在無線充電系統的實作中，定位和跟蹤多個移動接收器的能力至關重要。近場充電中發射器和接收器的相對位置不變，但在遠場充電中用戶可能不斷移動。用戶應能隨意移動而不會丟失訊號。

　　．安全性

　　射頻安全性取決于在不損害人類健康的前提下，人體可以承受的照射量，通常是以吸收率（SAR）用來定義這個極限值。消費類產品的安全性要求其實相當嚴格，因為它關乎能否讓消費者建立安全感，不能只以通過安全規范為目標來設計。

　　至于超音波的安全性，可能也是消費者非常關心的問題，畢竟消費者對于充滿射線的空間，心理上可能多少會有排斥，而且超音波有可能會影響動物。在動物也感知不到的高頻段上提供無線充電，可能是此一問題的解決方法。

　　．系統干擾

　　無線充電系統基于高頻率開關訊號，必須具備預測噪訊來源的能力，包括充電系統本身的噪訊和系統外部的噪訊。

　　．成本

　　在成本方面，需要考慮的兩項因素是電源成本和傳輸效率。美國每年的電池使用量高達29億顆，若無線充電普及，將具有避免數百萬顆電池被投入垃圾掩埋場的潛力。

　　．如何為完全沒電的設備進行無線充電？

　　無線充電器能夠對電力完全耗盡的設備進行充電嗎？對設計人員來說，這是個必須審慎思考的問題。對近場充電系統來說，要為電力完全用完的接收裝置充電不成問題，但遠場充電系統的接收側必須在控制電路上電的情況下，才能連接到電源路由器。

　　．生態系統和基礎設施

　　移動設備從不斷電的愿望是可以實現的，但要實現這個目標，生態系中的各方必須緊密協作（圖6）。

　　圖6 無線充電生態系統

　　根據調研機構IHS在2014年的資料，70%的消費者每天至少為一個設備充電一次。設備不僅應該支持無線充電技術，而且應該有足夠的熱點供其充電。一旦基礎設施部署到位，其普及將會水到渠成。從Nikola Tesla首次傳輸電力至今已經超過100年，但我們依然遠遠未釋放能量轉換的全部潛力。我們的電子設備要變得更聰明，才能自行充電。