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无线充电大洗牌,WPC 趁胜追击电磁谐振与中高功率

时间:2016-07-19 08:01来源:Compotech Asia 作者:任苙萍 点击:
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。
 

照片人物:WPC 营销副总 John Perzow
 
表:「谐振式」和「感应式」比较

架构

代表规格

操作频率

天线结构

特点

松散耦合

(Loose Coupling)

AirFuel Rezence

WPC Qi

6.78 MHz

100205 kHz

Perimeter

Planar

Extended Z-distance

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。
 
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。
 
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。
 
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。
 

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?
 
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
(责任编辑:helen)
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