AirFuel 無線充電 SMPS WPC

諧振模式效率高應用廣　無線充電隨放即充有亮點

2017-12-04

目前大部分的行動裝置仍須透過市電插座充電，但消費者開始要求廠商必須提供無線充電功能，因此許多支援技術也應運而生。隨著相關標準不斷地演進，異中求同，讓使用者享受到「隨放即充」的便利性，同時也讓現代化裝置變得更加便利及可靠。

人們所使用的每一部電子或電動裝置都需要電力。雖然許多裝置仍然透過市電插座汲取電力，但畢竟行動化是大勢所趨，裝置必須達到完全無線。

由於無線技術至今多採無線區域網路(Wi-Fi)或藍牙(Bluetooth)等其他標準來傳輸或串流資料、視訊以及音訊，「無線」幾乎成了資料傳輸的同義詞。不過，無線技術還有另一項重要功能，那就是運用電磁場，將電力從發射器傳輸給接收裝置。

許多現代化裝置都受惠於無線充電，包括智慧型手機、穿戴式裝置、筆記型電腦、平板裝置、電動工具、多軸飛行器、服務機器人、電動玩具和醫療裝置。

無線充電的一大優勢在於它的便利性。裝置不須要插接電源，只要放在充電墊上，就可以開始充電。不需要插頭或傳輸線，不再有相容性的問題。

無線充電也讓裝置更堅固耐用；沒有任何實體傳輸線或接頭，不會糾結、磨耗或破損。由於不再需要充電接頭，因此簡化了裝置的強固密封作業。就連消費性裝置也能受益：大約有五分之一的智慧型手機會意外掉入液體而故障。無線充電的最大優點，就是可以擺脫笨重的充電變壓器，讓可攜式裝置使用者得以隨時隨地為任何裝置充電(圖1)。

圖1 無線充電為使用者及裝置製造商帶來多項效益

隨著技術成熟，標準化的程度也更高。朝向通用型充電解決方案發展，也就更有能力建置相容性更高的公共充電站，而無線充電站已出現在機場、旅館、活動會場、速食連鎖餐廳、咖啡廳等場所。

由於具備多項優勢和效益，無線充電市場的迅速擴張並不意外，即使目前仍在初期階段。事實上，知名市調公司IHS(www.ihs.com)最近發表一份《無線電源發射器市場報告》，估計發射器供給市場的規模將在4年內超過三倍。

5年期年均複合增長率預計達到42%，表示2017年高達1.52億部的出貨量，到了2021年將增長至將近5億部(圖2)。

圖2 無線發射器市場預期大幅增長

有線轉換無線充電設計挑戰多

對於設計人員來說，無論是將有線充電轉換為無線模式，或是從頭開始設計，都必須克服不少挑戰。

時下的充電器幾乎都是開關式電源供應器(SMPS)，原理是透過整流器，將交流電壓轉換成直流電壓，然後「切斷」成為高頻交流訊號，通過磁耦合變壓器，改變電壓的電位，接著對波形進行整流平滑處理，再為負載裝置提供直流電。

在概念上，無線充電的原理也非常相似，不同之處在於變壓器分散在充電器與待充裝置之間。充電器設有初級繞組，次級繞組則位於待充裝置內部。隨著實體設計的改變，相關術語也有所不同，主端變成「發射器」，而副端則是「接收器」。

在外殼厚度和空氣的區隔作用下，兩種繞組相互分離，耦合較一般的SMPS更鬆散。不過，若符合特定的基本標準(充電器與裝置的一致性、線圈尺寸、依尺寸而異的線圈間距)，則可達成良好的耦合因數，進而實現超乎預期的電力傳輸效率。

大多數的SMPS設計，都要求充分掌握磁性方面的知識，而電磁學是一門專業科目，許多工程師將其視為一種「神奇魔法」。在無線充電的系統中，線圈及其耦合對於整體效能的影響遠甚於SMPS。

不但必須克服磁性問題，無線充電設計人員還要面對效率、機械封裝和電磁干擾(EMI)等障礙；此外，因無法控制金屬異物(例如錢幣和鑰匙)而導致充電受到干擾之類的問題，也帶來了進一步的挑戰。

基本上，設計師希望以便捷簡易的方式設計發射器，包括提高額定功率以加速充電，並實現多部裝置同時充電的能力。無論任何電源解決方案，良好的散熱管理都是關鍵所在，但是現今可攜式裝置(尤其是穿戴式裝置)的小型化需求，導致設計難度更高。

無線充電標準 Qi/AirFuel兩大主流

如同許多營收潛力龐大的新興技術，同時發展多項標準(通常不相容)的情況，雖然有助於技術開發，但除非出現真正通用的解決方案，否則都難免阻礙產業進展。就無線充電領域而言，目前主要由兩組產業聯盟和兩項標準所推動。

創立於2008年的無線充電聯盟(WPC)，支持Qi(讀音「chee」)的無線充電標準。WPC主要透過授權實驗室網路的協助，來驗證產品的合規性。從技術角度來看，Qi是一種電感技術標準，支援的是緊密耦合充電系統；其已大致成為主流標準，獲得230家領導廠商的支持，主宰無線充電接收器超過80%的市場。

電力事業聯盟(PMA)和無線電力聯盟(A4WP)是兩家不同的組織，皆成立於2012年。PMA著重於緊密耦合電感解決方案，而A4WP主要以鬆散耦合諧振技術為對象。

2015年6月，兩家組織正式合併，後於同年更名為AirFuel聯盟(AFA)。這場合併使得同類組織(和相互競爭的標準)從三個減少到兩個，並且進一步推動了單一互通標準的願景，因而備受肯定。

AirFuel具有廣泛的技術平台，涵蓋電感、諧振和非耦合技術。電感技術較為成熟，世界各地有數百萬台裝置部署這項技術。這類緊密耦合技術的效率高達80%，可以展充電能力，以配合不同裝置的電力需求。

AirFuel的諧振技術則可實現「隨放即充」(Drop and Go)的便利功能，使用體驗比電感解決方案更出色。

目前，無線充電可以採用三種拓撲(圖3)，它們是彼此演變而來，而且各有優點。

圖3 無線充電發射器拓撲以三大標準為基礎

單線圈電感方法是最簡易、普及的解決方案，由單一發射器線圈構成，操作頻率介於100kHz至300kHz之間。Qi和AirFuel標準都支援這項方法，其必須準確定位待充裝置與發射器線圈的相對位置，才能進行充電。裝置必須垂直放在非常接近線圈的地方，因此無法透過表面充電，例如嵌入傢俱內部的狀況。由於這些鄰近度的要求，單線圈電感模式一次只能為一個接收裝置充電。

將這種模式擴大為多線圈型態，可帶來多項好處。裝置定位精準度的要求大幅降低，而智慧系統可以偵測最接近待充裝置的線圈，並將電力導向該處。由於充電感應區較大，多核心模式可以同時為多部裝置充電。裝置與線圈的垂直距離可達10毫米(mm)，並透過非金屬表面充電，允許充電器隱沒到傢俱內部。

AFA捨棄純電感技術，轉而支持諧振模式，大幅促進了無線充電的發展。這項方法的操作頻率為6.78MHz，憑藉發射器與接收器之間的諧振，顯著提升能源傳輸效率。

諧振模式可透過單線圈為多部裝置充電，並允許發射器與接收器相隔更遠(可達50毫米)。如此一來，待充裝置的定位更具彈性，大幅增進「隨放即充」的使用體驗，而且更容易裝設於現有的傢俱內部。其效率最高可達80%，但前提是放在最佳位置，失去了自由擺放的優點。

在定義精準且控管良好的條件下，極緊密耦合式電感解決方案雖可提供更多電力，但是在位置變動的狀況下，其電力傳輸效率則遠遜於較具空間彈性的諧振模式(圖4)。

圖4 電感與諧振模式的效率及位移比較

諧振模式也允許較高的額定功率，可為更多類型的裝置(例如筆記型電腦和電動工具)進行無線充電。這項技術不會受到充電區金屬物件的影響，較毋須擔心鑰匙、錢幣等異物的干擾。另一方面，也可以為金屬背殼的智慧型手機、平板裝置和穿戴式裝置充電，但實作難度極高。

基本三元件構成各類拓撲打造解方

無線充電解決方案的三項主要元件為：變壓器/充電器、發射器和接收器(圖5)。

圖5 一般電感無線充電系統包含三大元件

變壓器連接市電並供電給發射器，一般是介於5伏特(V)至20伏特的直流穩壓電壓；常見的型態是獨立裝置，並透過傳輸線連接發射器；不過，變壓器和發射器也可能整合為單一設備。

發射器含有金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)變頻器，可將直流電源轉換為交流波形，進而產生交變磁場；通常會構成半橋或全橋拓撲。為了實現理想的彈性和功能，變頻器主要透過微控制器(MCU)及相關的MOSFET驅動器元件進行控制。

諧振(AirFuel)應用所採用的是D類和E類這兩種主要拓撲。雖然兩者在多項層面都相當類似，但每項方法提供的效益卻稍有差異，分別適合不同應用。

圖6顯示D類無線充電實作。雖然圖中為全橋拓撲，但相同原理也適用於半橋拓撲。D類在廣大的負載範圍提供幾乎平坦的效率曲線，因此適合一般用途的無線充電站，例如須要充電各種裝置的公共場所。此外，D類適合種類廣泛的功率位準。

圖6 適合諧振應用的D類拓撲

圖7顯示E類拓撲。可以採用單端方式(如圖所示)，或是差分E類配置。相對於D類拓撲，E類最適合用於特定設計點，並可在該點產生更高效率。不過遠離前述定義點之後，E類效率會更迅速下滑。因此，這類拓撲最適合高功率用途，並為接近目標電量或完全無電的特定裝置進行1:1充電。E類的物料清單(BOM)成本與D類大致相近，但通常稍低一些。