突破干擾、充電效率瓶頸　無線充電應用版圖加速擴張

無線充電技術應用領域急速擴張。隨著訊號干擾、線圈材料、充電效率等技術問題，以及標準規範不一等難題一一解決，無線充電技術應用逐漸由智慧型手機拓展至平板裝置、筆記型電腦，甚至汽車，為消費者打造更便利的充電環境。

智慧手機帶頭衝　無線充電市場強強滾

圖1　致伸科技研發部資深經理丘宏偉表示，無線充電產品的散熱能力，將影響使用者經驗。

2013年消費性電子展(CES)中，無線充電技術應用終端為眾所矚目的焦點之一。不僅智慧型手機大廠展出的新產品皆配有無線充電技術，豐田(Toyota)也展出內建無線充電板的車載資通訊(Telematics)系統；Fulton Innovation則發布可同時供電予兩個行動裝置的無線充電板，以及支援無線充電技術的平板裝置，讓手機可透過電力較充足的平板裝置取得電力。另外，會場上還有其他廠商推出支援無線充電的揚聲器與智慧型手機無線充電背板等產品。

致伸科技研發部資深經理丘宏偉(圖1)表示，從廠商在CES展出的產品，以及各家電信業者和手機廠的產品計畫，皆可看出2013年無線充電功能將遍及中高低階智慧型手機。

圖2　飛思卡爾業務策略開發經理黃健州指出，產品相容性為無線充電技術普及度再升高的影響要素之一。

不僅如此，由於無線充電技術可帶給消費者最便利的充電方式，因此不僅行動裝置開發商積極導入，電動車、遊戲機與家電製造商，甚至家具業者也計畫採用。不過，相較於僅需5伏特(V)充電電源的智慧型手機，其他裝置採用無線充電技術時，不但充電瓦數須提高至15瓦甚至千瓦以上，還須具備較佳的充電效率。飛思卡爾(Freescale)業務策略開發經理黃健州(圖2)表示，目前中高功率無線充電技術仍有效率問題待解，且電磁感應或電磁共振技術各有優劣，無線充電產品開發業者如何取捨，以及是否有相關標準規範可遵循，皆為無線充電技術拓展至其他應用領域的發展課題。

此外，丘宏偉也指出，降低成本與訊號干擾亦為現階段無線充電技術相關發展業者，要擴大應用領域，勢必遭遇的難題。所幸，產業與學術界戮力研發的成果，可望一一破解。

實現高功率無線充電　磁耦合/磁共振各有利弊

圖3　台北科技大學電子工程系電腦與通訊研究所副教授邱弘緯認為，未來無線充電晶片將被整合至應用處理器中。

現階段無線充電主要有兩大技術--電磁共振與電磁感應。台北科技大學電子工程系電腦與通訊研究所副教授邱弘緯(圖3)表示，目前已商用的無線充電產品，多採用電磁感應技術；然而電磁感應技術傳送(Tx)與接收端(Rx)對位機制較複雜、功率放大器(PA)設計難度高，且受電端天線需較大擺放面積，因而用於行動裝置時，設計較為複雜。

舉例來說，行動裝置產品輕薄化趨勢導致電磁感應技術接收端天線面積無法過大，將限制Tx與Rx的接觸距離，而若要提高電磁感應技術訊號傳送距離，業者設計產品時即須提高電磁轉換效率，並降低訊號傳輸頻率。如此一來，無線充電元件將不易被處理器進一步整合，不利手機市場的發展。邱弘緯指出，傳輸距離的長短取決於頻率的高低；但若訊號傳輸頻率降低，將無法滿足無線充電技術大功率應用需求。

值得注意的是，電磁感應技術無法容許供電過程中，Tx與Rx間存在異物，尤其是金屬物品，如此將產生過多不必要的熱能，影響安全性。

另一方面，雖然電磁共振技術可達較長的傳輸距離，但也存在著轉換效率如何提升，以及Tx與Rx對位須相當精準，才可有較佳的供電效率等問題，甚至電磁波對人體安全的疑慮亦成該技術市場發展絆腳石。

邱弘緯分析，業者要發展電磁共振技術，對電路系統的設計須相當有一套，才可順利開發產品。事實上，電磁共振技術中，不僅Tx與Rx兩端須共振，Rx內部的電感亦須共振，以避免產生高阻抗。此時，業者即須採用並聯或串聯的方式連接電感，電路設計也隨之複雜。

更何況，目前電磁共振技術並未如電磁感應已有Qi標準規範可依循，對晶片或產品製造商而言，將增添產品發展的難度，遑論再擴大應用市場。

融入電磁共振技術　Qi標準規範可望大一統

圖4　右起為UL亞洲區諮詢事業發展經理陳立閔、台灣工程部副理宋子豪

眾所周知，標準規範對無線充電晶片與產品製造商來說相當重要，而這也是目前電磁感應技術發展較為順遂的原因。UL台灣工程部副理宋子豪(圖4左)表示，統一規範讓無線充電發展廠商有標準可循，可縮短產品研發時程，並解決相容性問題，因此現階段有許多標準組織針對電磁感應與電磁共振技術研擬標準規範，其中以無線充電聯盟(WPC)的Qi標準勢力最為龐大；而A4WP(Alliance for Wireless Power)則力拱電磁共振技術，即使標準尚未出爐，後續發展潛力不容小覷。

根據IMS Research預測，由於電磁共振技術可解決電磁感應傳輸距離短的問題，帶給消費者最佳的無線充電體驗，因此至2015年，電磁共振將取代電磁感應，成為無線充電主流技術。

看好電磁共振技術的發展前景，高通(Qualcomm)與三星(Samsung)、Powermat成立A4WP，積極推展電磁共振無線充電技術。黃健州認為，在全球最大行動裝置處理器業者高通的奧援下，電磁共振技術未來市場發展力道將相當強勁，惟A4WP標準規範遲遲未定，多少影響電磁共振無線充電技術應用市場的推展。

值得注意的是，WPC為擴大現有勢力，也計畫納入電磁共振技術標準。宋子豪指出，WPC主推電磁共振技術，已獲得包括德州儀器(TI)、飛思卡爾與產品製造商的支持。為吸引更多業者，以及預見電磁共振技術將成未來趨勢，WPC在推出滿足中功率應用Qi 2.0標準的同時，也成立新的工作小組，針對電磁共振技術的規格進行討論。

提升充電效率　中大功率應用發展有譜

圖5　富達通科技無線充電事業部經理詹其哲表示，無線充電產品須具備偵測異物的能力，以提高使用安全性。

無線充電技術要拓展至包括筆記電腦、平板裝置與電動車等應用，則須支援更高的電壓並具備更佳的充電效率。富達通科技無線充電事業部經理詹其哲(圖5)分析，無線充電系統發送與接收端皆會損耗電力，因而導致充電效率不佳。

丘宏偉則認為，即使Tx至Rx每一傳輸階段皆有九成的充電效率，但由於電力在傳輸過程中一定會有損耗，因此實際上整體效率僅可達到七成，此時無線充電產品製造商勢必得提高Rx輸出功率，彌補損耗的電力。不過提高輸出功率，將帶來散熱、安全與成本的問題，因此由電路架構的設計著手，將是較佳解決之道。

為減少電力損耗，目前半橋驅動與全橋驅動分別為Qi 19伏特(V)規範及業界最常使用的Tx端電路架構。詹其哲解釋，半橋驅動架構的優點為，整體電路所使用的零組件最少，只需一組開關電路即可推動電容與線圈，進而產生共振。同時推動線圈與電容兩端的全橋驅動，則具備最大的驅動力，亦即同樣的Tx電源電壓下，可較半橋驅動增加兩倍的驅動力，因此成為業界提升中高功率無線充電效率的普遍方式。

至於Rx端的整流電路設計，最簡單的方式為採用二極體橋式整流器；而最有效減少電流損耗的方式為採用半橋式同步整流器。詹其哲指出，半橋式同步整流器在空載、輕載與重載時，較二極體橋式整流器的效率與諧振狀況表現較佳，且半橋式同步整流器在重載時的訊號波形，最接近切換與下降電壓理想狀態的垂直波形，因此可減少電力損耗，進而提升充電效率。

線圈距離拿捏得當　成本降低難題迎刃解

圖6　台灣大學電機工程學系教授毛紹綱表示，透過手機天線作為無線充電技術的Rx，將可滿足手機輕薄化的趨勢。

無線充電技術要更加普及，成本亦為重要的影響因素。影響無線充電技術系統成本的部件相當多，其中以線圈占最大成本比重。台灣大學電機工程學系教授毛紹綱(圖6)表示，線圈數量的多寡為左右無線充電技術充電效率良窳的因素之一，但基於成本考量，無線充電產品製造商無法無止盡在裝置中增添線圈數量或是增加線圈繞線圈數，不僅將導致成本過高，也將造成裝置體積過大的問題，因此業者應在設計時考慮最佳的線圈距離。

事實上，線圈距離並非越靠近就能產生最佳充電效率。毛紹綱指出，分析Tx與Rx線圈的S參數可發現，當Tx與Rx距離越靠近時，共振頻率反而會出現分離的狀態，導致充電效率下降；而線圈繞線數越高，Tx與Rx分離的共振頻率現象將更快出現，並會出現電磁干擾(EMI)問題。

透過觀察線圈間的S參數與Q值，無線充電業者將可為其設計找出最佳的線圈數量與繞線圈數。毛紹綱表示，透過切換線圈的方式，即使線圈距離稍遠，臨界耦合產生過耦合狀態時，充電效率的衰減將不會太迅速，也可省去用來防止EMI的磁性薄膜(Magnetic Film)。

慎選產品包覆材料　抗干擾問題有解

外界與裝置內部本身的訊號干擾，也將引發EMI挑戰。UL亞洲區諮詢事業發展經理陳立閔(圖4右)表示，無線充電終端產品製造商面臨的最大問題是EMI，而要防止EMI發生，無線充電系統外部包覆材料的選擇相當重要。

無線充電產品製造商可針對順/導磁或絕緣磁的設計選擇適用的材料。陳立閔認為，順/導磁須採用High-K材料，而絕緣磁則須利用Low-K作為包覆材料，才可有效防止EMI，但無論是Low-K或High-K材料，價格皆相當高昂，且產品認證須2年時間，因此業者已積極尋求替代的材料。

若在包覆材料有所突破，無線充電技術將可更加順利延伸至汽車、平板裝置等中高功率應用。

結合NFC技術　無線充電加速普及

電磁共振技術採用6.78MHz頻率，恰巧與無線射頻識別(RFID)匹配，因此若能搭上近期市場相當火熱的近距離無線通訊(NFC)發展便車，無線充電技術普及度將更上一層樓。

此外，無線充電技術與NFC技術進一步結合後，不僅可提高普及度，還可大幅減少物料清單成本(BOM Cost)。毛紹綱分析，無線充電技術可與NFC技術共用天線，如此一來，將可省去線圈與接收天線，裝置體積也將不受影響，並可防止EMI的問題。若再搭配整流器，即可提升充電效率，並應用於高功率設計。

惟共用天線時，設計人員須解決無線充電與NFC間的訊號干擾問題。毛紹綱認為，射頻(RF)元件在金屬遮罩中並不會互相干擾，因此除改變功率放大器設計與調整主、被動電路，較簡易的方法為採用金屬遮罩。

綜上所述，無線充電技術受惠智慧型手機製造商大舉導入，成為2013年眾所矚目的焦點。隨無線充電技術發展業者解決中高功率充電效率、EMI、成本高等問題，無線充電技術將再擴大應用領域，打造便利的充電環境。