無線充電系統設計方案

原理簡單·實作困難

無線充電的方法在實驗階段有開發出很多方法，但目前唯一有機會量產商品化為線圈感應式。線圈感應式的原理很簡單，是百年前就被發現物理現象，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。早期就有人發現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。

在現今的應用中，由于裝置本身需要有外殼包裝，發射端加上接收端的外殼厚度至少從3mm起算，早期電動牙刷產品開發時就發現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應用開始發展，主要就規劃的三個頻段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上市，當時的傳送功率小、充電時間長，在現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，就跟鋼琴調音師一樣放不同水量的玻璃杯，在精準的調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，若是沒有經過專業鋼琴調音師訓練的一般人，可能永遠也調不出可以讓玻璃杯振碎的頻率！這就是原理簡單、實作困難。

展示簡單·上市困難

電子零件出廠時就像是未調過音的鋼琴，鋼琴透過專業的調音師精準調校后可以發出高品質的聲音；當大量生產后為了成本考量可能就無法在每一個產品都經由專業人員調校再出貨，如果每一個產品都要專業人員來修正那就會有困難，因為專業人員有限。這就跟目前可以看到很多無線充電產品在很久前就發表了，在發表會上產品都可以完美演出，但過了很久的等待后還沒見產品上市？就跟剛提到的例子一樣，無線充電的產品為了達到很好的共振效果必需經過精準的調校，在這樣的狀況下量產會變的非常困難。

所以無線充電系統的設計首先必需要能針對共振這部份能自我調整，這樣才能解決量產難題。2008年INTEL即發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，發表當時也宣告了無線電力時代已經到來；但三年過去了相關產品還是沒有上市，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。

無線電力系統的原理與烹調電磁爐相同，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能量發出后給鍋具加熱用已烹飪，過去網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公分后就衰減到安全界限以下，INTEL發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出熱量。所以微波爐與電磁爐不一樣，必需在屏蔽體內操作避免為害到人體。這部份又與市面上的無線通訊產品不同，因為能量差距甚大；無線電力系統需要傳送電力而發送到受電裝置所以需高功率傳送，無線通訊產品收到低功率訊號后再透過內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。

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。早期的系統轉換效率只有20%-30%，且沒有安全機制并不會辯識目標連續供電，這樣的系統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，這樣推算發射器提供0.5W的能量到接收器為0.1W的能量，0.4W產生的熱量有限對系統的溫度上升不明顯，且系統最大輸出能力也不大即0.5W，所以在發射器上放置金屬異物也不會產生危險；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，這樣的能量會產生龐大的熱能會導致系統溫度大幅上升，在這樣的推算下，系統最大輸出能力會在25W，若為無安全設計下于發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年前即出現的無線充電到今還改良之中。新設計的系統需為了達到目標功率，必需先解決效率與安全的問題。

高轉換效率仰賴先進規格零件與材料

現今無線充電系統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：發射器內有

1. 直流電源輸入；2. 頻率產生裝置；3. 切換電力的開關；4. 發射的線圈與電容諧振組合

接收器內有

A. 接收的線圈與電容諧振組合；B. 整流器；C. 濾波與穩壓器；D. 直流電源輸出

在樣的架構下從發射器的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節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. 頻率產生裝置：目前有數家公司將此部份開發成IC銷售，其為發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. 發射／接收的線圈與電容諧振組合：此部份為過去從未出現過的技術，由于無規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。

設計最艱難的部份在于安全

先前提到無線充電系統與電磁爐一樣會發射電磁波能量，這有兩大問題:

其一為當發射器