搶當無線充電霸主　磁感應/磁共振之戰愈趨白熱化

磁感應、磁共振無線充電技術戰火再升溫。無線充電兩大重點技術競爭態勢將更趨白熱化，無線充電聯盟(WPC)的Qi標準在市場早已小有成績，不僅有大量知名手機品牌擁戴，國外許多大型知名連鎖服務業也都於歐美市場導入該技術，而WPC今年更趁勝追擊，於6月發布Qi 1.2版本，該標準不僅一路朝15瓦(W)以上的中功率標準邁進，更計畫朝磁共振技術發展。

另一方面，甫於今年初合併的電力事業聯盟(PMA)和無線電力聯盟(A4WP)(未來將更名為PowerMergerCo)也不落人後，積極克服磁共振技術商轉瓶頸，以趕上2016年的商用時程。

繼推出充電功率15瓦的1.2版Qi標準後，WPC已著手定義支援30∼120瓦充電功率的Qi 2.0版標準，將瞄準筆記型電腦(NB)等大型裝置，擴大無線充電應用範疇。

WPC前進大型裝置市場擬推中高瓦數Qi 2.0標準

圖1　UL台灣電子科技產業部工程部副理宋子豪指出，WPC Qi標準技術已具備完整的功率定義和生態系統。

UL台灣電子科技產業部工程部副理宋子豪(圖1)表示，WPC在Qi標準中以裝置類型區分低功率、中功率和高功率充電瓦數，目前已將中低功率規範延伸至10∼20瓦，加快智慧型手機的充電時間。未來，中功率瓦數則定義在30∼120瓦，以滿足平板、筆電等大型裝置充電需求；至於高功率則定義至2,000瓦，鎖定家用電器，試圖打造無線充電家庭場景。

雖然WPC已將充電瓦數推升到15∼20瓦，但現階段實驗室尚未有支援Qi 15瓦的設備，因此相關驗證恐還需要一段時間。

除擁有完整的充電功率定義外，WPC也積極拓展Qi標準生態圈。宋子豪進一步指出，市面上支援Qi技術的智慧型手機包括諾基亞(Nokia)Lumia 920/830、三星(Samsung)Galaxy S4/S5/S6/S6 Edge等，而豐田(Toyota)Avalon、Noah和Voxy等車款也都已在控制台內建Qi技術。不僅如此，目前日本也出現一款應用程式(App)，使用者能利用該軟體找出附近有Qi無線充電設施的位置。

另一方面，PMA也和星巴克、達美航空合作，齊力打造無線充電基礎建設，星巴克預計將在2015年於北美正式啟用PMA標準的無線充電技術；美國電信商AT&T也要求手機製造商支援PMA無線充電技術，可見無線充電商用市場正逐漸萌芽。

A4WP技術量產卡卡　 Qi磁共振標準追擊有望

WPC可望藉Qi 1.2版新規範，趕上A4WP在磁共振領域的布局。自年初A4WP及PMA合併以來，磁共振無線充電發展聲勢一路扶搖直上，強壓以WPC Qi標準為首的磁感應技術鋒芒；不過，WPC已開始推廣支援磁共振的Qi 1.2最新標準，加上A4WP方案尚待克服大線圈磁場強度不均、高頻設計/干擾等諸多問題才能邁入量產，可望讓WPC在標準競賽中扳回一城。 上海新捷電子(NewEdge Technology)總經理陸惠宏表示，磁共振技術可達成一(發射器)對多(接收器)的無線充電應用模式，將大幅提升實用性及便利性，因而成為標準聯盟、晶片商和系統業者新的技術布局焦點。其中，一向推行磁感應技術標準的WPC也受到此設計氛圍感染，轉而研擬下一代同步支援磁共振和磁感應的Qi 1.2版標準，可望在今年下半年揭櫫更多新發展，以加速滿足市場需求。

然而，A4WP雖一馬當先投入制定磁共振無線充電技術規範，再加上年初與PMA正式合併後聲勢如日當中，但其發布的Rezence BSS 1.2/1.3版磁共振標準仍有諸多技術瓶頸，以致相關廠商遲遲難導入量產。如此一來，WPC可藉Qi 1.2新標準急追A4WP腳步，同時挾Qi 1.1版方案已在手機、穿戴裝置市場打下廣大基礎的優勢，可望在市場上後發先至。

圖2　上海新捷電子工程副總林欣杰認為，磁共振技術將是促進無線充電應用普及的關鍵，但技術上仍需時間克服。

上海新捷電子工程副總林欣杰(圖2)分析，相較於WPC採低頻100k∼200kHz的頻內(In-Band)通訊協定，A4WP採用高達6.78MHz的頻外(Out-of-Band)通訊機制，設計複雜度明顯加劇；同時其為確保一對多無線充電的品質，在Rezence標準中設定頻率誤差範圍±15kHz的嚴格規範，不僅大幅墊高相關射頻(RF)元件規格要求及印刷電路板布局(PCB Layout)難度，亦為感應線圈量產良率帶來極大考驗。

此外，A4WP Rezence希望以較大的感應線圈，達成多裝置無線充電，卻也引發線圈磁場強度不均的問題，使充電失效機率大增。林欣杰強調，儘管磁共振無線充電更為大眾接受，但技術門檻也相對更高，因此供應鏈業者勢將歷經磁共振/磁感應雙模並行的設計過渡期，以降低技術投資風險並向下相容既有產品。

換句話說，WPC Qi 1.2主打雙模設計的概念，除有助於追趕較早發展磁共振技術的A4WP外，亦可減輕晶片商和系統業者技術轉換的陣痛，進而通吃磁感應、磁共振無線充電應用商機。

A4WP無線充電勢力壯大2016邁入商用元年

儘管WPC積極搶攻磁共振技術版圖，但平板、智慧型手機和穿戴式品牌廠已開始力推搭載A4WP磁共振技術的行動裝置，預計2016年底相關產品將大舉出籠。

圖3 高通WiPower大中華區客戶工程師陳聖寬表示，2016年將會是A4WP磁共振技術的商用元年。

高通(Qualcomm)WiPower大中華區客戶工程師陳聖寬(圖3)表示，2016年將會是A4WP磁共振技術的商用元年，因為許多行動裝置廠商紛紛投入磁共振技術，甚至也有筆電廠商在關注，並和高通商討其可行性；而台灣相關的無線充電公共基礎建設也將在2016年6月以前完成建置，可望壯大該技術市場聲勢。

據了解，A4WP最新的磁共振1.4版規範中，將穿戴式裝置納入無線充電目標市場一環，相關規範仍在定義當中；陳聖寬透露，穿戴式裝置體積小，因此要如何讓其在大範圍的發送端(Tx)精準地充電，是目前最大的設計挑戰。

事實上，磁共振相對於磁感應技術能提供很大彈性的充電空間。因為前者發送端的線圈範圍較大，所以接收端可自由擺放，不用擔心擺放位置是否對準的問題，且Tx和Rx間還能達到幾十毫米的距離。

陳聖寬認為，當消費者認知到自己不用時刻帶著無線充電板也能充電的時候，就能感受到該技術的方便性，市場才有擴大商用的可能性。磁共振的電磁波可穿透石材、木材等材料的裝置，易於導入基礎建設，讓無線充電技術更容易進入日常生活情境，將能加快消費者採用意願。

陳聖寬指出，消費者往往將充電效率和充電時間劃上等號，其實充電時間是和輸出功率有關，功率越大，就能越縮短裝置充電時間，而這才是消費者最在意的充電議題。因此A4WP將重點擺在更高功率的充電技術，並定義37.5瓦為中功率瓦數，相對Qi標準的15瓦可說是超前許多。目前高通已做到25瓦，對平板等大型裝置來說已相當足夠，接下來，高通將持續朝50瓦邁進。

突破線圈對位/損耗桎梏磁共振無線充電拼商用

線圈(Coil)設計是無線充電邁向15瓦以上中功率、磁共振技術的關鍵，因此晶片商、模組廠正聯手改良線圈機構及電氣特性，並已發展出LC共振電路結合鐵氧體(Ferrite)的新型對位架構，以及可提高相對導磁率(μ)的乾式燒結製程，從而克服磁共振無線充電對位及傳輸損耗兩大商用桎梏。

高創科技行銷經理王世偉表示，無線充電性能與發射器、接收器損耗，以及線圈耦合效率息息相關。隨著無線充電持續朝更高功率供電形式發展，製造商對整體系統轉換效率的要求也日益嚴格；其中，線圈模組對效率更是影響甚鉅，因而刺激業界加緊改良線圈成型、燒結和研磨等製程，同時搭配半導體和材料技術以克服模組厚度、對位、溫度等挑戰。

自2012年開始，WPC以Qi磁感應標準，一馬當先打開行動裝置無線充電市場；然而，2014∼2015年產業風向已逐漸轉變，更加聚焦於可一對多充電，且功率達15∼20瓦以上的磁共振方案，進而牽動標準、晶片和線圈設計轉變。

王世偉強調，由小功率提升至中功率，首要克服的就是線圈磁材鐵損耗、銅線損耗挑戰，否則因轉換效能低而產生大量熱源，不僅增添安全疑慮也重重影響使用體驗，反倒形成無線充電普及的阻力。對此，A4WP已定義良好的線圈設計，其彈性導磁率(μ')與黏性導磁率(μ'')比率須超過八十倍，從而提高相對導磁率(μ)；而高創科技正積極導入乾式燒結製程，以突破傳統溼式燒結法難以有效提升相對導磁率的桎梏。

不過，王世偉坦言，目前乾式燒結須增加一道研磨工序才能降低厚度，且有易產生曲翹(變型)的問題，所以高創將持續投注研發資源，並與系統業者共同研發，以推升製程良率。

與此同時，發射器和接收器的對位也是磁共振無線充電的一大設計關鍵。王世偉指出，常見的對位方式包括機構、磁吸、感測式三種，分別有使用性受限、磁干擾或額外增加元件(如光敏電阻)成本等缺點，因此該公司提出獨特設計架構，將LC共振電路結合Ferrite，藉由線圈感值變化實現對位提示功能，即可避免上述負面影響，促進中功率磁共振無線充電加速商用。

中功率安全議題加溫　無線充電FOD成商用關鍵

圖4　國美科技專案經理黃國展提到，相較於WPC，A4WP在FOD規範上的發展腳步略為落後。

金屬異物偵測(FOD)測試大添中功率無線充電系統安全性。隨著功率規格攀升，無線充電系統安全把關更顯重要，因此WPC、A4WP皆制定更嚴謹的FOD測試規範，並可望從系統驗證向下延伸至模組端，以確保未來各種家具或車用嵌入式無線充電產品的使用安全；現階段，驗證實驗室和模組廠正快馬加鞭投入布局。

國美科技專案經理黃國展(圖4)表示，無線充電系統輸出功率升高後，若發射器(Tx)和接收器(Rx)中間隔有金屬異物，加熱該物件的情形將明顯加劇。以現有WPC Qi 1.1版中功率(約20瓦)無線充電設計為例，在Tx/Rx正常工作下置入金屬異物，短短1分鐘左右溫度就衝破100℃；因此，WPC特別補強FOD測試規範，要求系統間含金屬成分物品溫度在10分鐘內不得超過60℃，以避免對裝置及人體造成嚴重傷害，並為用戶爭取時間移除異物。

圖5 UL台灣電子科技產業部工程部專案經理李忠榮認為，中功率無線充電產品驗證需求將加速起飛。

UL台灣電子科技產業部工程部專案經理李忠榮(圖5)補充，WPC預計在下一版支援中功率且兼容磁感應/磁共振技術的Qi 1.2標準中，再度拉高FOD測試門檻，以因應無線充電邁向一對多裝置充電形式後，使用者更容易誤放錢幣等金屬物件於充電板上，造成危安疑慮的情形，足見FOD對無線充電產品發展的重要性。

李忠榮進一步指出，目前Qi 1.2符合性測試(Compliance Test)已分別定義出發射器、接收器的FOD測試要求。發射器方面，設計者須驗證系統在傳輸功率之前、傳輸當中和校驗階段皆具備FOD保護能力，同時提供過溫保護功能；至於接收器則須在傳輸之前、校驗階段執行FOD機制。

黃國展則透露，以往標準聯盟偏重整個系統成品的FOD測試，然而，隨著中功率設計拓展無線充電應用版圖後，許多車廠、嵌入式設備開發商，甚至家具業者皆希望在產品中導入無線充電模組，因而刺激WPC加緊研擬模組測試規範，並可望於2015∼2016年發布，協助模組廠落實FOD驗證。

顯而易見，無線充電邁入中功率世代後，業界已將焦點從追求電源轉換效率，轉移至安全性考量，並將FOD功能視為中功率無線充電商用不可或缺的要素，將牽動模組廠及驗證實驗室布局。