无线充电技术优劣分析：谁技高一筹即将胜出？

【电源网】在无线电源技术的发展上，针对理想解决方案的使用方向，最近开始出现了一些疑问。磁感应(Magnetic Induction)或磁共振(Magnetic Resonance)两者都可被考虑用于消费性市场，而不论消费性市场采用了哪一种技术，都意谓无线充电方式的使用即将实现。在接下来几年内，我们将会看到此种现象从移动电话市场的生态系统开始普及，这主要得力于移动电话业者的大力推动。

接下来，运算产业及其本身强大的生态系统将会随之普及，并因而促使无线充电技术使用的下一阶段成长。届时此种无线电源技术很可能会扩展至支持移动电话与运算解决方案的基础设施中。这些使用情况，只是无线电源技术被运用于未来架构及解决方案的开端而已。

目前已有许多有关无线电源技术采用率及潜在总市场值的报告及市场研究。在这些预测报告中，采用率及技术的选择是主要的变量，因此要提供准确的市场信息就成为极具挑战的任务。就磁感应技术而言，目前主要有两种现行标准：无线充电联盟(WPC)及电力事业联盟(PMA)。这两种标准已相当成熟，而且在消费性市场上已有许多产品在使用中。

无线电源联盟(A4WP)则是第一个基于磁共振的标准。应该注意的是，英特尔的无线充电技术也是基于磁共振原理，英特尔是将目标放在超轻薄笔记本电脑以及自己的生态系统上。其他像是Power by Proxy及无线电力都已在工业及军用应用上建立它们各自的地位，且现在也开始渗透至消费性市场。

针对这些标准及解决方案，我们不禁会有所疑问，究竟哪一种无线电源技术方向能持续下去，以及哪一种解决方案是最理想的采用方案?在我们解答这些问题之前，很重要的是，首先要试着去了解磁感应与磁共振技术之间的根本差异为何。之后再根据这些了解，以及应用/系统的需求，才能针对特定应用选择正确的解决方案。

行动设备解决方案

在消费性市场上，首先采用无线电源解决方案的是行动产品。每隔两年，行动产品的造型外观、效能及特点便会有所升级及改变。这些升级，迫使电源需求、连接器与接口必需随之改变，结果就是必需更换使用新的转接器。这些变更与升级造成现有的转接器无可避免地被淘汰及弃置，形成浪费。消除使用各种不同的转接器及连接装置的需求，进而使用标准的无线充电设备，将有助于减少电子废弃物，并能改善行动设备的「绿色履历」。

在我们的生活周遭，使用电力的每一种应用都可能成为采用无线电源技术的潜在候选人。为了回答哪一种特定应用应该使用哪一种无线技术 - 磁感应或是磁共振?何者对其而言是最佳技术，我们必须回顾每一种技术的基本原理。

图一 ： 无线充电器系统：发射器及接收器方块图

磁性技术比较

磁感应与磁共振技术两者在架构上有许多相似之处。例如，两者皆使用磁场做为传递电源的桥梁。

在这两种技术中，电流被导入至谐振电路中，进而产生磁场来传递电源。磁性规格对于电磁场的形状成形有着很大的影响。磁通量可以被抑制和/或使用电磁屏蔽来定向和/或塑造磁芯的实际尺寸。磁通量密度和抑制可藉由改善电磁屏蔽的磁导率而有所改进。成本与厚度是选择适当电磁屏蔽的关键因素。

在磁通量场中接收与发射线圈的校准，以及介于两者之间的距离将决定能量如何有效地传递;发射与接收线圈之间分隔的距离越大，将导致电源传递越无效率。谐振频率、发射线圈对接收线圈在尺寸上的比率、耦合系数、线圈阻抗、集肤效应、交流与直流元素，以及寄生线圈，则是显著影响能量有效传递的其他因素。

图二 ： 耦合位移效应实测图

x、y与z轴的分离，以及发射与接收线圈间的比例角度增加时，则产生的损耗及效率将会受到很大的影响。

在WPC的规范中，对于发射器上的接收线圈位置有着特定的要求，藉此解决效率的问题。这需要由用户进行校准，以最大化两个线圈间的耦合系数。在磁共振的例子中，可以自由摆放，以及可在磁通量场中放置单一或多个设备的能力，使得此种技术得以为用户创造更多的便利性。然而，我们也必需了解，当两个耦合设备间的分隔距离增加时，对于传递效率也会有所影响。

根据成本与尺寸考虑等各种需求，可以在所有技术中使用单一或多重线圈解决方案。

在 WPC 与 PMA 规范的磁感应技术下，电源能以广泛的频率范围进行传递。而电源传递的谐振频率则是根据负载阻抗而决定。由于这样的变异性，Q值在与磁共振相较下，显得相对较低。因此唯有在选定的频率及负载阻抗下，方能得到最佳的效率。

在磁共振技术中，由于电源仅在一定的谐振频率之下才能传递，所以Q值会比较大，而且需要能和收器与发射器紧密匹配的谐振阻抗网络。

在磁共振与磁感应两种技术中，必须严密控制网络参数的变异，因为这些变异会直接影响电源的传递。

图三 ： Q值百分比

在WPC 1.1版的规范中，可以在100KHz至205KHz的宽广范围中来选择谐振频率。这种状况类似于在PMA的规范中，其频率范围可从277KHz至357Khz。然而，频率范围在最近已有所改变，现在是依据输入的供应电压而定。

一般对于这些解决方案而言，Q值的范围会落在30至50之间。在依据A4WP规范的解决方案中，在频率已经固定的情况下，介于接收器与发射器之间的谐振频率与阻抗网络就必须要合理、密切地相互匹配。一般而言，相较于磁感应解决方案，磁共振解决方案需要较高的Q值(50到100)。

电源管理

高效能电源管理架构的发展，对于磁共振与磁感应解决方案的成功执行有很大的影响。在发射器方面，为了导入电流至谐振电路中，直流电必转换成交流电。在磁感应技术中，这必须使用一个半桥式或全桥式的逆变器来进行这种转换;在磁共振技术中，则是透过功率放大器来导入电流。

功率放大器的架构与分类，会因为频率、待机电流、效率、尺寸、成本，以及应用相关的整合需求等因素而有所不同。在这些转换中，必须谨慎考虑每一环节，以降低在闸极驱动器、交换器、传导、偏压、本体二极管的损失、以及外部组件，例如等效串联电阻及等效串联电感的寄生效应。这些是发展高效能整合解决方案过程中所必须面对的一些重要挑战。

图四 ： 两种技术磁场效应示意图

根据对输入电压的要求以及设计架构的规范，制程的选择对于整合解决方案的优化有着很大的影响。系统中存在着多种控制回路，而整个控制回路的稳定性对于高效能解决方案的整体成功性有着很大的影响。在磁感应与磁共振两种技术中，透过有效的电源管理，将可达到相类似的效能与效率。

通讯方式

为了能成功地达成电力传输，发射器必须辨识正确的耦合接收器。在WPC与PMA解决方案中，发射器会定期发出「pings」指令来搜寻是否有接收器存在。当接收器被辨识，就会产生电力传输。这些解决方案使用固定的频率调变来进行通讯。其他一些通讯方式包括振幅、功率、电流、以及脉冲宽度调变(PWM)等。只要介于发射与接收的匹配网络能够承受更宽的频率变化，则这些选项都是可以被使用的。

在A4WP磁共振解决方案中，发射与接收的匹配网络是紧密匹配的，因此无法使用频率调变。然而，假如负载是固定的，则有可能使用振幅调变。若接收器效能不会受到影响，则可以使用功率与电流调变。在行动应用中，由于负载会根据功能的需求而有所不同，因此便形成挑战，而且，根据上述调变方案所发展的解决方案，可能会不符合尺寸及成本效益。

A4WP可选择蓝牙或ZigBee来做为通讯的标准方式。这些方法都已存在于现有的行动解决方案中，因此很便于使用，仅要辨识出不同的接收器即可，它也同样有利于发射器将电力传输至多个设备上。其他还有类似的方法也可用以达到同样的目标。

通讯也被利用来通知电源传输的状态，例如异物检测、耦合状态、甚至是校准引导讯息。金属这类的异物在电磁场中可能会导致温度上升，上升的程度端视材料的导电性而定。这是与技术无关的潜在问题。

在磁感应技术中，为了达到效率极大化，必需精确地监视发射与接收端两者的电压与电流。其他功能，例如负载反射效应、电流感应及调变与解调变时机，以及它们在封闭回路系统中所造成的影响等等，对于维持系统的稳定性及确保成功的通讯都是至为关键的。其他的挑战包括需符合加州环境协会(CEA)及美国联邦通信委员会(FCC)第15及18条的法规，也可能会对系统的整体效率有所影响。

结语

我们可以合理的断定，对于特定的应用而言，最佳的可能解决方案是根据所需的特性及效能而定的。假如可自由摆放位置，或是在X、Y与Z轴方向可对多个设备充电的能力是必要的特性，则磁共振可能是一个优先选用的解决方案。假如高效率效能及强大的标准兼容能力是必有的特性，则WPC兼容的解决方案，或许就是最理想的选择。

然而，能够无缝辨识耦合的设备是以磁感应或是磁共振为基础，且有效地且有效率地传递电源的多模式解决方案，毫无疑问将会是用于这些应用的最理想解决方案。

无线充电谁胜出?

行动装置普遍了，人手一只智能手机或平板计算机已经是司空见惯的事。只不过随之而来的，却是更大的烦恼，也就是电源不足的问题。行动装置耗电量非常大，尽管新机种上市，都号称更长待机时间，与更久的使用能力，然而实际使用上，却往往没几个小时电量就告急。随身携带行动电源虽然是个救急的方法，然而笨重与不便也令人望之生畏。这时，许多人又把注意力，集中到了无线充电的身上。

无线充电顾名思义，就是完全不透过电线，而是利用电磁力来为设备充电的技术。目前无线充电技术的3大阵营包括电力事业联盟(PMA)、WPC (Wireless Power Consortium)及A4WP (Alliance for Wireless Power)。PMA与WPC两者都是采电磁感应技术，A4WP则是电磁谐振技术。

WPC于2008年成立后，包括HTC、LG、Motorola及Sony、TI、飞利浦、ST-Ericsson等大厂都投入参与，2010年并制定出 Qi标准。Qi标准采磁气诱导方式，是针对5瓦以下的低功率电子设备所设计，包括手机、耳机、可携式多媒体播放器、数字相机等消费性电子产品，只要通过认证的设备，不管任何品牌或款式，都可在符合该认证的无线充电板上充电。至于A4WP则是三星与高通等厂商所共同联盟，所研发的共振式无线充电技术。其与 Qi充电方式不同，不需要将装置放在充电板上，即使分离也能进行充电。

目前由于标准纷乱，因此一支拥有无线充电功能的手机，不代表在任何充电平台上都可以进行充电，必须是相同标准才可以。当然，市场也正在观望与预测，未来哪一种标准可以胜出。以目前来看，Qi是最多厂商采用的无线充电技术，然而势力更强的三星与高通联盟，会否拦路杀出，还未见分晓。而且另一个可能出头的势力还有苹果。由于无线充电在未来拥有庞大商机，这使得苹果也有意开发自有标准。且苹果一向有能力引领市场发展步调，专家甚至认为苹果非常可能是决定未来无线充电标准的关键力量。