裝置防水需求再造第二春 　無線充電重回市場焦點

行動裝置防水要求 造就無線充電發展 

在討論為什麼要有無線充電的想法時，先來看看在個人電腦(PC)市場開始飽和，手機市場也漸漸成熟之際，近幾年談到最多的另外一個發展就是物聯網(IoT)。 

過去物聯網最大的問題之一，是要如何能夠同意由同一個系統來做控制，也就是家電廠、系統廠與產品，在系統底層的相容性問題。但是隨著蘋果推出HomeKit、亞馬遜(Amazon)推出Echo、Google推出Brillo，由這三大系統來負責相關的系統底層並整合各種產品，這一切就開始有了可能性。所以，未來可以使用隨身的穿戴式裝置（如手表、眼鏡或手機），藉由這些裝置與感應器來得知使用者的位置與所需要的協助，提供相關的服務。 

未來穿戴式裝置或手機可以是物聯網控制的介面，利用觸控、視訊或語音的方式，來控制家裡的所有系統，在這個架構下，尤其在廚房與浴室等環境使用，就必須要考慮防水的功能。 

這樣的邏輯也許就可以說明，為什麼以前只有索尼(Sony)或是日系的手機強調防水的功能，但三星(Samsung)與蘋果都在最近幾年內開始在手機上加入防水的功能，同時也可證明為什麼第一代的Apple Watch僅做到生活防潑水，但是第二代的就要求可以做到50米防水的規格。 

防水功能最不容易做的就是在產品的開孔上做到防水，目前手機一般來說都有喇叭、麥克風、SIM卡、充電孔或連線傳輸的接頭。這幾個接口其中最難的應該就是充電孔的防水，因為每天都會使用充電線對手機充電，而這個行為會造成在接口上的磨損，使得防水的保護能力降低，所以這樣的邏輯又可以解釋，為什麼三星的高階手機，例如S系列或Note系列，從一開始設計的塑膠背蓋到之後的玻璃背蓋，卻從來沒有金屬背蓋的設計，所以三星提供無線充電的行為，就是減低對充電孔的衝擊，讓防水的效果做得更完整。 

而隨著嵌入式SIM(eSIM)的普及，無線充電的內建，除了喇叭與麥克風的開孔外，完全密封沒有其他開孔接頭的手機或穿戴式裝置將是指日可待，因為Apple Watch已經證明這樣想法的可能性(圖1)。 

圖1 防水手機與手表之中無線充電使用的狀況與功率

以上的說明，只是讓大家了解因為物聯網的功能需求，無線充電未來的確有可能會全面內建在手機或穿戴式裝置之中。但是從2008年到現在，其實除了蘋果以外，幾乎所有的手機品牌商都曾生產無線充電的手機，而蘋果的Apple Watch其實也是無線充電的產品之一，那為什麼到現在幾乎只剩下三星有在手機中內建無線充電？ 

現今的有線快充，在市場上推陳出新，每一家都有自己的快充方案，例如高通(Qualcomm)的Quick Charge、聯發科的Pump Express，Type-C也可以支援PD充電等，OPPO甚至推出「充電五分鐘，通話兩小時」的口號，讓大家印象深刻。仔細去分析這些快充的方案，在手機上的充電功率可以從10∼20瓦(W)不等，這樣的充電速度的確快過以前的5瓦，讓消費者真正有快充的體驗與感覺。 

而無線充電從早期的5瓦方案，到後來為了節省成本，大部分消費者買到的方案只有3.5瓦，這一來一往之間，造就了消費者在無線充電上的誤解與不良的體驗，最常聽到的就是因為效率的關係，所以無線充電速度很慢，其實真正的無線充電以目前已經公布的標準規範來看，已經可以做到10∼15瓦的充電速度，這也是為什麼三星在手機內建的無線充電規格也提升到將近10瓦的充電行為，速度就快過之前一般的無線充電產品。而實際使用無線充電對iPhone 7 Plus的充電行為，在手機沒電的狀況下，1分鐘可以達到大約1%的充電速度，所以無線充電的充電速度是可以非常快的(圖2)。 

圖2 各種充電方式的速度比較表

在討論WPC磁感應(MI)無線充電這個問題之前，必須先了解，在技術上，頻率的選擇是沒有限制的，但是在真正的商用產品上，必須要考慮符合相關的安全規範要求，所以目前主要能在高頻所使用的無線充電頻率，就必須符合工業、科學與醫學(Industrial Scientific Medical, ISM)頻段的規範。 

從表1可以知道，其實在高頻可以選擇拿來做無線相關應用的頻率並不多，而目前近距離無線通訊(NFC)主要是使用13.56MHz，因此這也是為什麼高通使用6.78MHz做為無線充電的主要操作頻率，而6.78MHz所允許的頻寬為6.78MHz ±15KHz，所以在這個操作在頻率中一定要做到磁共振(MR)而無法做成磁感應，就是因為安規的要求。 

表1 ISM頻段的列表

資料來源：Wireless Power Cutting the cord in today's mobile world by Intertek

如果系統頻率操作在6.78MHz，目前使用的矽材料，因為反向恢復電荷(Qrr)較大，所以無法在6.78MHz使用，必須使用氮化鎵(GaN)場效電晶體(FET)，但是目前GaN FET的成本較高，因此在大功率的元件量產上，還是一個潛在的瓶頸。 

隨著目前各種無線充電技術的發展，各個無線充電組織都已經開始定義不同產品的技術細節，可以預見隨著無線充電產品的普及，市場對無線充電所要求能提供的功率，即將越來越大，希望支援的產品也越來越多，目前可以看到包含平板、筆電、工具機、腳踏車、家電到電動車，已經都開始有了雛形。 

電動車的無線充電，目前的規格可以從3.3仟瓦(kW)、6.6仟瓦到20仟瓦，這樣的無線充電功率，已經可以應用在包含電動車、家電等所有無線充電的應用。而以現在各家廠商的設計與國際上所推動的無線充電標準，目前在車用的無線充電頻率為85KHz。 

整體無線充電的架構可以分為三個部分，分別是電源控制、線圈設計以及通訊方式。無線充電架構中的電源控制如果要做到85KHz到300KHz的操作頻率，並不是一件不可能的事情；通訊方式以WPC目前規範中的定義，是使用ASK、FSK或NFC，而高通的Halo車用系統，是使用無線區域網路(Wi-Fi)做為通訊的方式，所以只是用不同的通訊方式，做為調整電源功率的方法；而在線圈的設計上，要做到小功率到大功率的支援也並非是完全不可能。 

其實在無線充電的架構中85K∼300KHz這個範圍內，是比較有可能做到從小功率支援到大功率的無線充電，如前述，6.78MHz隨著功率加大之後因為元件所帶來的挑戰與系統安全性，讓6.78MHz看起來是會有所限制的。無線充電系統不只6.78MHz才能做磁共振，其實高通Halo的車用系統就是85KHz的磁共振，充電距離就可以支援到50毫米(mm)到200毫米，而且系統效率可以做到超過90%。 

基本上，只要把系統頻率操作在線圈結構的共振點就是共振式，系統頻率操作在非共振點就是感應式。WPC初期的規範採用磁感應的架構，好處就是發射器與接收器比較容易實現，也比較容易量產，但其實WPC也是可以做到磁共振的架構。 

無線充電功率攀升 安全性問題更要重視 

未來隨著功率增加，除了剛剛所提到的內容外，還有一點須要注意的內容，就是安全性。依據飛利浦(Philips)在2014年所做的研究分析，其實不同的頻率會針對特定的金屬材質與規格，造成加熱的行為(圖3)。WPC架構下的100KHz，會對比較厚的金屬元件，造成加熱的行為，例如硬幣、迴紋針、鑰匙圈等，而AirFuel所使用的6.78MHz，則會對比較薄的金屬，產生加熱的行為，目前AirFuel在使用的過程中，是有機會加熱光碟片而造成光碟片的損毀。這也是為什麼WPC設計出異物偵測(Foreign Object Detection, FOD)的機制，造成充電範圍較小的原因。 

圖3 頻率與所受影響的材料規格

資料來源：Philips Research(3/2014)

筆者曾經在幾年前，依據WPC架構做出20瓦的無線充電發射器與接收器模組，當時把一個新台幣1元的硬幣放在發射器與接收器中間，這個1元硬幣在環境溫度25℃的條件下，1分鐘後溫度會快速上升到95℃，1分3秒溫度上升到100℃，在當時已經發現這個1元硬幣會把塑膠件熔化而暫停測試，所以也不確定實際溫度最後會到多少度。也因此，隨著無線充電的功率增加，在產品大量量產之後，要如何確保產品在異物偵測的功能，也就是安全性的要求，就變得越來越重要。 

無緣制定無線充電標準 著手安全/相容仍有機會 

因為台灣在國際地位上的限制，並不一定能直接參與國際標準的討論與制定，而且目前WPC與AirFuel或相關的無線充電組織，已經把無線充電的技術規範定義得很完整，台灣能夠修改的部分並不多，所以有兩個是可以做的方向。 

第一個是安全性的規範要求。在安全性規範這一個部分，目前在規範上都只要求到樣品階段，針對量產成品這個部分的要求是比較弱的，的確有看到廠商生產的樣品與成品在安全性出現不同的結果，所以在台灣開始建立安全性規範的要求，可以以這些部分做成相關的標準。 

第二個是透過建置無線充電的生態環境，把台灣當做一個整合的區域，讓大家在台灣所使用的無線充電都能相容，進而發揮真正的影響力。因為目前有不同的規範、不同的標準，但是隨著公共環境布建的需求，未來都須要考慮如何彼此相容，正是因為台灣比較小，所以適合來整合各家的方案，做出一個可以彼此相容的方案，藉此快速地推廣到其他的地區，讓無線充電能夠真正融入一般生活中，享受其帶來的方便性。 您可以在http://www.taics.org.tw/ 獲取更多關於無線充電更詳細技術細節。

(本文由台灣資通產業標準協會提供；作者為智慧電源科技協理)