无线充电联盟 (WPC) 在全球拥有 232 个企业会员，包括华硕、联发科、宏达国际、瑞昱、佳能、戴尔、乐金、三星、松下、索尼、飞利浦、东芝等电子厂商，以及家具业者宜家 (IKEA)。WPC 主席 Menno Treffers 表示，该联盟所推行的低功率无线感应式电力传输标准「Qi」正快速成长，单是 2015 年就销售 1.4 亿支内建 Qi 功能的手机和 5,000 万台充电器。他乐观预估，Qi 在之后几年将有 100% 的成长率，今年将往 1 亿台充电器迈进，居家、汽车、办公室或公用场所皆在应用之列，市面上约 99.8% 的无线充电手机或充电器都可与 Qi 相容。
Treffers 指出，反观以 6.78 MHz 频段充电的另一阵营 (意指 A4WP，2015 年与 PMA 合并改名为 AirFuel)，因效率低、易有过热及干扰问题且制作成本高，尚未商品化，就连一度力挺的英特尔 (Intel) 亦萌生退意。至于 2.4 GHz 和 5.8GHz 虽适合长距离传输，但缺点是只能负载几毫瓦的电力，并不适合手机或平板充电，同样未见新品问市。他强调，安全绝对是第一要务，而是否具市场竞争力亦是开发者不可忽略的要素；WPC 本身不断创新，15 W 可望在今年列入 Qi 1.2 官方修订版规格，让无线快充再升级，并积极往 2,000 W 的厨房家电设备供电迈进。
照片人物：WPC 主席 Menno Treffers
谐振式 vs. 感应式，因势利导
WPC 营销副总 John Perzow 说明效率量测的方式有四：从直流电进到发送端、输出到线圈 (coils)、输出到降压／稳压芯片，或是输入到电池的电量，指标各异；他补充，目前无线充电有「谐振式」(松散耦合，Loose Coupling) 和「感应式」(紧密耦合，Close Coupling) 两种。Perzow 认为，前者可在两个线圈之间垂直充电，后者具有低成本、高效率利基，在坊间较为常见。WPC 最初的 1.0 版本，是目前市面上的智能型手机主流搭载；到了 1.1 版，已在原先感应之外，加入谐振架构；1.2 再加入中功率产品规范。Qi 是现今唯一能向后兼容的感应谐振标准。
WPC 营销副总 John Perzow 说明效率量测的方式有四：从直流电进到发送端、输出到线圈 (coils)、输出到降压／稳压芯片，或是输入到电池的电量，指标各异；他补充，目前无线充电有「谐振式」(松散耦合，Loose Coupling) 和「感应式」(紧密耦合，Close Coupling) 两种。Perzow 认为，前者可在两个线圈之间垂直充电，后者具有低成本、高效率利基，在坊间较为常见。WPC 最初的 1.0 版本，是目前市面上的智能型手机主流搭载；到了 1.1 版，已在原先感应之外，加入谐振架构；1.2 再加入中功率产品规范。Qi 是现今唯一能向后兼容的感应谐振标准。
照片人物：WPC 营销副总 John Perzow
表：「谐振式」和「感应式」比较
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架构 |
代表规格 |
操作频率 |
天线结构 |
特点 |
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松散耦合 (Loose Coupling) |
•AirFuel Rezence •WPC Qi |
•6.78 MHz •100～205 kHz |
•Perimeter •Planar |
Extended Z-distance |
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紧密耦合 (Close Coupling) |
•WPC Qi |
•100~ 205 kHz |
Planar |
•Highly efficient •Low cost |
前述两者其实各有利弊，应针对不同使用目的选择适合的模式；而 WPC 之所以未全面支持双重标准，亦是回归「效率」之故。然而，为了让谐振操作及「松散耦合」系统兼顾效率和向后兼容性，WPC 持续朝支持多个接收端并穿透厚层传输而努力，相关延伸规范将分阶段纳入 Qi 的官方规格，期在今年完成向后兼容的谐振原型。经美国科罗拉多大学实验，将进入发送端的能量与经过时间累积后的电池电量相较，结果显示在低频状态下，Qi 线圈对线圈的充电效率最佳，但低电流时由于持续的电压循环须花费较长时间，效果不如预期。
60W 中功率准备就绪
Perzow 特别点出，考虑到接收端放置空间不同，效率计算应采空间的平均值。那么，金属是否会影响充电效率？Perzow 回复，有此现象即意味充电器放射在外的能量过多，设计有待改善；除非是基于安全考虑的异物侦测，则另当别论。今年 3 月间才加入 WPC 会员、担纲「60W 工作小组」的博世 (BOSCH) 工具机，亦赞同异物侦测的重要性；电动工具部门计划经理 Nils Donath 表示，电钻工具的使用者常身处粉尘多的恶劣环境，周遭金属多，异物侦测功能别具意义；耐热、防尘则是另一卖点，可保护机具、延长使用寿命。
Donath 细数，博世现有无线充电产品包括：电钻和18V / 4 Ah、18V / 2 Ah、12V / 2.5 Ah 等三种规格的电池，均可在相同的充电器上充电；另有充电架、车充和变流器 (Inverter)，冀将这些产品的无线充电标准开放给业界使用，目标应用包括：电力、园艺、居家、工业、医疗，以及笔电、平板和电动单车。其电力传输是透过紧邻谐振的电磁感应耦合线圈，功率可达 60W、效率大于 80%；之所以选定中功率发展，是因看中工具机械的电力需求多落在此区间。行动装置可透过通讯协议控制电力传输，任意摆放皆可充电，不须停下手边工作为工具换电池。
图1：博世「Wireless Charging L-BOXX Bay」工具箱，随意静置角落时亦在充电，确保内部电动工具的电力永远充足
高功率仍在创新萌芽
根据研调机构 IHS 统计，接收器销售呈现上扬趋势；截至 2014 年年底，有 5,500 万件出货、2015 年有 1.4 亿件，今年底预估有 2.59 亿件，成长力道甚于发送器，其中 Qi 占多数。IHS 研究经理 David Green 指出，当他们进行市调时，询问受众是否听过无线充电？2014 年有 63% 的人给出否定答案，但到了 2015 年情势已逆转，有高达 76% 的人都回答 Yes。值得留意的是，调查显示有购买意愿但尚未行动者，占 70.1%，将是潜力市场所在。他不只一次强调，2016 年将是推展无线充电的最后黄金期，否则市场可能转移关注焦点，不利前景。
根据研调机构 IHS 统计，接收器销售呈现上扬趋势；截至 2014 年年底，有 5,500 万件出货、2015 年有 1.4 亿件，今年底预估有 2.59 亿件，成长力道甚于发送器，其中 Qi 占多数。IHS 研究经理 David Green 指出，当他们进行市调时，询问受众是否听过无线充电？2014 年有 63% 的人给出否定答案，但到了 2015 年情势已逆转，有高达 76% 的人都回答 Yes。值得留意的是，调查显示有购买意愿但尚未行动者，占 70.1%，将是潜力市场所在。他不只一次强调，2016 年将是推展无线充电的最后黄金期，否则市场可能转移关注焦点，不利前景。
Green 建议，业者可用营销套装方案创造使用诱因，例如买手机就附送相关无线充电产品。不过，关于高功率产品，IHS 认为还需经过市场对技术、产品和成本的洗礼，才有较清楚的轮廓。即使尚在概念推广期，着重高功率的家电大厂亦为感应式无线充电背书。日本飞利浦总经理 Nick Kuroda 表示，没有电线纠缠，可避免被电线绊倒、方便任意移动、没有因线路老化而损毁的危险；电器完全密封，可防尘／防水、容易清理，甚至可放到洗碗机清洗；加热炉面可从事其他工作，不占空间；线圈亦可隐藏于餐桌下，不必苦守在炉边。
照片人物：日本飞利浦总经理 Nick Kuroda
图2：飞利浦支持 Qi 无线充电及线圈感应加热的一系列小家电
厨房少了电线掺杂，将更干净整洁，也能收纳更多家用品。身为 WPC 「厨房工作小组」(The Kitchen Work Group) 一员，飞利浦日前展示无线圈厨房应用，支持高效率、低成本的新版垂直Z轴谐振操作。Kuroda 透露，目前已完成厨房家电的无线充电商用规格文件，可供应 1.5～2.4 kW 用电，可与现有热感应发电的装置合并使用；并正研拟将控制面板内嵌在家电机体，让使用者直接在上面操作传输功率，或从网络下载食谱等。他指出，除了循 Qi 规格从远程供应电力，直接感应加热是更有效率的方式，即使金属材质亦适用。
软件定义＋远程控制，催生新型商业模式
恩智浦 (NXP) 高级首席系统架构师吴崇理介绍，WPC Qi标准在技术面有两大利基：软件定义与远程控制。首先，充电站发送端 (Tx) 与行动装置接收端 (Rx) 之间的通讯协议由软件控制，方便进行产品差异化；因不须改变硬件架构，设计添加新功能将更有弹性，可透过「动态装置比对」(Dynamic Device Mapping, DDM) 做多模方案扩充或规格升级，不受电阻、电容温度等硬件条件影响，转换时间延迟会更精确且省成本，尤其适用于车载装置。其次，使用者若在外地有充电需求时，可向供电的营运商从云端购买所需的确切电量，就近充电，开发新的商业模式。
恩智浦 (NXP) 高级首席系统架构师吴崇理介绍，WPC Qi标准在技术面有两大利基：软件定义与远程控制。首先，充电站发送端 (Tx) 与行动装置接收端 (Rx) 之间的通讯协议由软件控制，方便进行产品差异化；因不须改变硬件架构，设计添加新功能将更有弹性，可透过「动态装置比对」(Dynamic Device Mapping, DDM) 做多模方案扩充或规格升级，不受电阻、电容温度等硬件条件影响，转换时间延迟会更精确且省成本，尤其适用于车载装置。其次，使用者若在外地有充电需求时，可向供电的营运商从云端购买所需的确切电量，就近充电，开发新的商业模式。
充电站的营运商可向 IEEE 申请一个身份标识符 (WPID)，将该地址放在接收端，以便与云端系统进行数据交换，并藉以追踪用户偏好和购买习惯。那么，接收端是否会与用于行动支付的 NFC (近场通讯) 产生冲突？吴崇理解释，NFC 操作频率为 13.56 MHz，较 WPC Qi 的 100 kHz～205 kHz高，原则上小功率不成问题，而大功率因为充电及异物侦测频繁或许有此疑虑，但可透过系统控制解决。他特别提到，Qi 不需额外蓝芽等收发器就能实现频内 (in-band) 通讯的特性，有助 WPID 和多装置操作，以开发新应用、改善使用体验并为日后扩充铺路。
图3：无线充电网络架构
数据源：恩智浦 (NXP) 提供
改善电路设计，提升充电效率及安全
Qi 既以「高效率」自诩，要如何设计无线充电的电路系统？立锜科技技术处长刘国基揭示，一般以感应技术将电力从发送端送到接收端的效率只有72%，但透过中间线圈设计的改良，可提升至80%。着眼于良好兼容性，WPC 对发送端有较多的规范和设计要求，包括：线圈规格、电力控制方式、操作频率范围和通讯规范；目前经 WPC 认可的低功耗发送端设计有单线圈 (Type A) 和多线圈 (Type B) 两大类——A 有 34 种、B 有 7 种，另中功率有 5 种；相较于单线圈仅固定在中央、有更多的空间和设计自由度，多线圈占用空间较大。
Qi 既以「高效率」自诩，要如何设计无线充电的电路系统？立锜科技技术处长刘国基揭示，一般以感应技术将电力从发送端送到接收端的效率只有72%，但透过中间线圈设计的改良，可提升至80%。着眼于良好兼容性，WPC 对发送端有较多的规范和设计要求，包括：线圈规格、电力控制方式、操作频率范围和通讯规范；目前经 WPC 认可的低功耗发送端设计有单线圈 (Type A) 和多线圈 (Type B) 两大类——A 有 34 种、B 有 7 种，另中功率有 5 种；相较于单线圈仅固定在中央、有更多的空间和设计自由度，多线圈占用空间较大。
在接收端部分，不仅能做成贴片或手机背盖，也可直接将接收器做在手机主板；因为机身没有接口，可隔绝外部水、尘侵袭。等流、等压是接收端设计重点，而散热是关键要素；此外，将稳压器与充电器整合已成趋势，且系统架构影响甚巨。假设在同样的输出电压和瓦数下，半桥架构的等效电压只有 1/2，电流必须倍增才能达标，但此法的电路耗损相对较大，约有四倍；若换个方式，将输入电压提升两倍以上，此时半桥架构反而有所需组件较少的优势，并非一无是处。反之，若采用全桥架构，则须考虑多了两个开关所增加的切换耗损。
图4：常见的无线充电发送端 (Tx) 及接收端 (Rx) 设计
数据源：立锜科技提供
刘国基提醒，基于安全设计还有几项要件：异物侦测 (Foreign Object Detection, FOD)、电磁／射频干扰 (EMI/RFI) 管理、完整的电压过低锁定 (UVLO) 和过电压／电流／温度保护 (OVP / OCP / OTP) 机制，以及频内通讯、休眠作业等。异物侦测有两个途径：一是 Power Loss，检查发射端和接收端的功率相减差值是否超出容许范围？二是 Q-Factor，观察谐振电路的输出电压值是否因异物屏蔽而下降？是否被电阻吸收而快速衰减？在 EMI 法规部分，以美国联邦通信委员会 (FCC) 最为严谨；规范消费装置之电源管理频内通讯的 FCC Part 18 只是基本款。
FCC 针对不同频率的「意图发射」(Intentional Radiator，又称「主动幅射体」或「幅射主体」)，另有 FCC Part 15 规范；欧盟亦在原有 ISM 充电装置法规 EN55011 之外，于去年底将无线充电列入 ETSI (欧洲电信标准协会) 的测试标准，进一步设立 EN 300 330-1，规定若频率高于 148.5kHz，场效限制将从 37.7 dB 大幅降至 -5 dB，带来新的设计挑战。刘国基建议，可以下列方法降低开关噪声：改变控制器的斜率、额外加电容、整合 MOSFET 以降低等效串联电感 (ESL)、电容尽量靠近 MOSFET、优化布线、加上滤波器 (filter) 或扼流线圈 (choke)……。
线圈设计须首尾一体思考
ConvenientPower 公司对于如何在收发器状态处于「松散耦合」情况下、增加电力传输效率颇有心得，认为这是收发两端的线圈尺寸或线圈间的距离不匹配时，常见的典型案例。ConvenientPower 的谐振发送端线圈间距可达 20 毫米、为相距 30 毫米的客制化接收端充电，利用独特谐振匹配技术补偿因松散耦合所导致的损耗。技术长刘逊强调，线圈设计应就发射基地与行动接收 (Base station- Mobile device, BM) 做系统思考；除了既有电感、电阻，行动装置的电池或其他金属组件也会影响线圈谐振频率。
ConvenientPower 公司对于如何在收发器状态处于「松散耦合」情况下、增加电力传输效率颇有心得，认为这是收发两端的线圈尺寸或线圈间的距离不匹配时，常见的典型案例。ConvenientPower 的谐振发送端线圈间距可达 20 毫米、为相距 30 毫米的客制化接收端充电，利用独特谐振匹配技术补偿因松散耦合所导致的损耗。技术长刘逊强调，线圈设计应就发射基地与行动接收 (Base station- Mobile device, BM) 做系统思考；除了既有电感、电阻，行动装置的电池或其他金属组件也会影响线圈谐振频率。
图5：发送端的线圈设计，会影响装置摆放位置及充电效率
数据源：ConvenientPower提供
因此，当接收端装置与登录型号不一致，对于「友善金属」的认定亦不同；这就是异物侦测功能的基础，命令发送端停止运作以避免过热。关于发送端线圈有三个设计重点：定域充电 (localized charging)、线圈大小、均质的电磁流量分布。有别于近场应用，IMEC 台湾区总经理 Peter Lemmens 则聚焦「远距」传输。他表示，日常生活中其实充斥各种光、热、振动等能源，但撷取成本可能很高，太阳能即是一例，故借助整合芯片和天线大量发射能源，以获取更高密度的能源；但长距电力传输用在消费产品并不实际，反倒适用物联网 (IoT) 感测或监控。
Lemmens 展示，将电力从发送端送到目标物的天线，即可获得温度等讯息；而如何将整个天线收发、负载模块与半导体材料、制程优化，正是 IMEC 强项；与现有顶级工艺相比，可提升 18～25% 电路效率。IMEC 曾在办公环境实验，以 3W EIRP / 868-915MHz 发送器，相距 5 公尺以内可产生 30μW 直流电，若设为暂停或休眠模式，可在 2 分钟内、每 40 毫秒提供 60mW 直流电，最大传输距离为 12 公尺，对仅需几毫瓦的 IoT 场域已绰绰有余。与同业相较，在相同的电力下能传输的距离更远，未来也将往更高频率演进。
照片人物：IMEC 台湾区总经理 Peter Lemmens
无线充电的愿景擘画
既然无线充电这么方便，公共场所尤其适用，为何迄今未在全世界遍地开花？据宏达国际电子 (HTC) 副理朱峰森实地了解，发现有以下五项关键点有待突破：
1. 铺设成本：因为手机等终端装置未普及，消费者需求有限，餐饮店等业主参与意愿不高；
2. 管理不便：公共场所的充电器损坏频率高，但经营者或管理者缺乏管理接口、不易察觉，反会引来民众抱怨、甚至有损形象；
3. 设计美感：是否能融入家具？需要高度客制化能力；
4. 采用好处：除了「方便」，似乎还欠缺其他诱因；
5. 使用观感：充电效率如何？是不是要驻留很久才能完成？
既然无线充电这么方便，公共场所尤其适用，为何迄今未在全世界遍地开花？据宏达国际电子 (HTC) 副理朱峰森实地了解，发现有以下五项关键点有待突破：
1. 铺设成本：因为手机等终端装置未普及，消费者需求有限，餐饮店等业主参与意愿不高；
2. 管理不便：公共场所的充电器损坏频率高，但经营者或管理者缺乏管理接口、不易察觉，反会引来民众抱怨、甚至有损形象；
3. 设计美感：是否能融入家具？需要高度客制化能力；
4. 采用好处：除了「方便」，似乎还欠缺其他诱因；
5. 使用观感：充电效率如何？是不是要驻留很久才能完成？
有鉴于此，HTC 带头串连合作伙伴推行「无线充电网络」计划，参照电信经验，由营运商出资在公共场所广设无线充电设备并提供相关服务，解决成本问题。所有充电器都连接至云端、以 APP 监控充电器的无线网络数据和接收器的功率 WPID，有朝一日希望打通接口、形成完整通讯框，让两端讯息互通；甚至获悉用户身份，让网络 IP 讯息列入 WPC 标准。信息业者可藉此提供加值服务，亦可作为后续大数据分析之用。台北市信息局率先宣布将与厂商合作，于年底前在北市图各分馆、区公所、户政事务所、市政大楼设置免费的手机无线充电设备。
图6：「无线充电网络」计划所规划的使用情境
数据源：HTC提供
