采用多模設計無線充電 兼顧效率與便利性

　　無線充電技術的解決方案，包含磁感應(MI)和磁共振(MR)兩種技術，不論消費市場的走向為何，無線充電已成為必然趨勢。接下來的幾年內，無線充電主要將由手機廠商推動，并開始滲透手機市場;隨后，生態系統健全的計算機市場將會跟進，并帶來無線充電技術的成長，自此開始，無線充電將發展為支持手機及計算機的解決方案。當前已有許多針對無線電源采用率及潛在總體有效市場(TAM)之報告與研究，但要提供準確的市場信息并不容易，因為在這些預測中，采用率和技術的選擇是關鍵參數。磁感應技術主要有兩種標準：無線充電聯盟(WPC)和電力事業聯盟(PMA)，這兩種標準皆已相當成熟，且消費市場已有多種使用中的產品。

　　無線電力聯盟(A4WP)是磁共振的第一個標準，值得注意的是，英特爾(Intel)的磁共振無線充電技術是為自有的超輕薄筆記本電腦和生態系統設計;其他如在工業及軍事領域已建立其地位的PowerbyProxi和WiTricity也開始進入消費市場。

　　要解答標準和解決方案對無線充電技術未來方向的影響，首先須了解MI和MR技術上的不同，完全理解并熟悉應用/系統的需求后，就可選擇特定應用的解決方案。

　　解決電池容量瓶頸 無線充電應用抬頭

　　移動解決方案率先于消費市場采用無線充電技術。因為有長程演進計劃(LTE)技術，通訊速度和帶寬至少在未來幾年內不會遇到瓶頸。方便性是消費市場中推動移動解決方案的關鍵要素之一，不同的移動解決方案，如手機、平板計算機、多媒體播放器和移動電視等，需要不同的變壓器和連接器接口，因此要為移動裝置充電，須要攜帶很多連接器和變壓器，若有通用的無線變壓器加上完整基礎設施和生態系統，就可滿足此需求，在汽車、咖啡店、圖書館、餐廳、火車、飛機、辦公室、會議廳等地點都能隨時無線充電，可帶來眾所期盼的方便性。

　　每2年移動解決方案的外觀、性能和各種功能便會升級，而這些升級迫使電源需求、連接器和接口產生變化，因此需要新的變壓器。這些變化和升級也因淘汰和棄置現有變壓器而造成浪費，若能免去各種變壓器和連接器并采用標準無線充電，將能協助減少電子廢棄物，并提升移動設備的“綠色資歷”。

　　另一個重要因素是移動解決方案的技術升級，如采用1,080p和3D等顯示技術。移動解決方案將增加采用高解析的顯示技術，該顯示技術受到高效能圖形控制器和多核心中央處理器(CPU)的支持;此外，整合日益增加的各種移動解決方案技術，包括3D全球衛星定位系統(GPS)解決方案、高效能影音技術、近距離無線通信(NFC)技術、可攜式電視及高效能游戲，這些功能將會提高裝置電池電源的需求。

　　移動解決方案的電源通常是鋰離子(Li-ion)聚合物電池，其能源密度達到飽和已經數年。鋰電池在技術升級和向不同金屬轉移所提升的效能和壽命，已無法滿足增加的電源需求，同時電池必須維持在小尺寸，以符合移動解決方案的應用需求。因為單位體積的電池容量已達極限，解決方案將須要達到更高的電池容量，或提高充電頻率。

　　在移動解決方案尺寸縮小的同時，較高容量的電池將影響解決方案整體尺寸和成本;另外須要注意的是，較高容量的電池需要更快速的充電效率，而在維持電池生命周期和所需壽命條件時會產生化學變化，因此，提高充電效率似乎是更顯而易見的解決方案。

　　技術原理影響MI/MR應用領域

　　任何一種須使用電力的應用都可能采用無線充電方案，然而要如何選擇采用MI或MR無線充電技術，則須要先檢視二者的基本原理。

　　MI和MR在技術架構上有很多相似之處，例如兩者皆使用磁場做為電力傳輸的橋梁，同時電流都會在共振電路感應，產生傳輸電源的磁場。磁力參數對電磁場如何形成有深遠的影響;磁通量可藉由直接使用電磁防護和/或變更磁芯的實際形狀加以控制。磁通量的密度和容量則可藉由改善電磁場防護的穿透性加以提升(圖1)。

　　圖1 無線充電磁場

　　成本和厚度是選擇適當電磁防護的關鍵因素。電流場接收和傳輸線圈的排列，和兩者間的距離，將決定電力傳輸的效率;傳輸和接收線圈的距離越大，電力傳輸的效率越低。其他對能量傳輸效率有重大影響的因素，還包括共振頻率、傳輸及接收線圈尺寸比例、耦合系數、線圈阻抗、集膚效應、交流(AC)及直流(DC)組件和線圈的寄生。

　　當x、y和z分離且傳輸及接收線圈的比例角增加時，將對能量的損失和效率產生很大影響。在WPC規格中，對接收器(Rx)線圈在傳輸器(Tx)上的位置有特定需求，以維持其效率，并達到兩線圈間最高耦合系數。但在MR技術方面，擺放位置具有自由度，并可在磁場中放置單一或多個裝置，可讓用戶更為便利;然而，當耦合裝置間的間隔距離增加時，對傳輸效率亦將會產生影響。

　　依照不同需求，包含成本和尺寸的考慮，所有的無線充電技術皆能使用單一或多個線圈解決方案。依據WPC和PMA規格的MI技術，傳輸電力的頻率范圍很廣。電力傳輸的共振頻率會依負載阻抗選擇，因為此變量與MR解決方案相比，Q系數相對較低，僅能在指定的頻率和負載阻抗，達到最佳效率。

　　對MR技術而言，因為電力只能由特定共振頻率傳輸，因此Q系數較大，且需要接收器和傳輸器間極相近的共振阻抗網絡匹配。在MR和MI技術中，匹配網絡參數的變量須要嚴格控制，因為會直接影響電力傳輸。

　　在WPC 1.1標準中，可于100k-205kHz的范圍中選擇共振頻率。在PMA的情況類似，其頻率范圍為277k-357kHz.然而，近期頻率范圍已有變更，現在取決于輸入供電電壓。這些解決方案中，典型的Q系數范圍為30-50(圖2)。