在十九世紀與二十世紀之交，Nikola Tesla在交流電(AC)和電磁學方面做出許多貢獻。從此之後，Tesla一直想要空中傳輸電子訊號(Marconi實現Tesla的構想)，並且以無線的方式傳輸電源。以無線電力傳輸來供電給路燈和家庭用戶，並且供電給海上的船隻和世界各地的都市。雖然Tesla能夠在科羅拉多(Colorado)實驗室小規模展現他的構想，但是因為缺乏經濟援助，無法在長島(Long Island)實驗室進行大規模展示。
如今，Tesla發明的交流電和無線電源以各種形式出現在感應馬達、變壓器、發電廠，及無線充電電動牙刷等應用。
對於可攜式裝置使用者而言，毋須使用電線即可供電給電子裝置，確實相當便利。常見的無線電源應用包括手機/智慧型手機、數位相機、可攜式醫療設備、耳機、工業設備及電動工具等。若要實際解決長距離效率的問題，可將無線電源傳輸保持在受控制的近距離環境中，以限制輻射發射量，例如使用電感電源傳輸。
WPC解決無線充電系統不相容問題
無線電源解決方案的發展問題是，業者各自用獨特的應用程式，造成與其他無線電源系統不相容。為解決這個問題，無線充電聯盟(WPC)因此成立，目前有九十一家公司加入，橫跨許多產業別，包括原始設計製造商(OEM)、零售商、磁性元件供應商、矽晶供應商等。
WPC標準能夠使供應電源的裝置(電源發送器、充電站)與接收電源的裝置(電源接收器、可攜式裝置)間達到互通性。符合WPC標準的裝置使用「Qi」標誌表示，確保與其他WPC相容裝置的互通性。
Qi相容的產品是舊式電動牙刷應用以來相當重大的演進成果。電動牙刷類型的裝置在電源傳輸方面受到局限，裝置必須放在充電座幾小時，以相當低的效率傳輸幾毫瓦(mW)電源，結果這些電源只能用幾分鐘的時間。現今Qi相容系統的電源傳輸能力可在負載點(POL)達到5瓦，因此效率大為提高，未來會有更高的無線電源標準，目前正在WPC委員會進行討論中。
WPC標準有許多關鍵特點，其中一點是發送器與接收器線圈均能以封閉迴路通訊進行電源傳輸，具備的功能包括能夠進行相容裝置辨識的控制訊號通訊協定、電感電源傳輸的有效封閉迴路運作、效率優化，以及基於安全考量及充電結束時必須執行電源中止。其他的WPC標準優點包括建議的耦合要求、配置及互通性測試。
行動裝置為無線充電應用大宗
WPC相容無線電源系統的一般應用是使用充電電池的行動裝置。如圖1所示，行動裝置包含Qi相容的電源接收器電子裝置及無線電源接收器線圈。進行電源傳輸時，接收器裝置是放置在充電板或無線電源發送器上，充電板可偵測是否已放置行動裝置，並且與接收器建立通訊，然後開始進行電源傳輸，最後在充電完成或不再需要電源時結束電源傳輸。不需要人工介入，電源傳輸和控制即可自動進行。
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| 圖1 無線電源系統配置圖 |
發送器充電板內含直流轉交流轉換器，能夠用以驅動發送器線圈，而且有通訊電路可接收行動WPC相容接收器裝置所發出的指令。透過平面發送器及接收器線圈之間的磁性感應進行電源傳輸。
無線電源系統中磁性線圈為關鍵
無線電源系統包括電源發送器與接收器、低壓差穩壓器、通訊系統，以及磁性線圈，以下將一一介紹。
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此元件一般是線路供電的系統中不可移動的部分。電源發送器的關鍵電路及運作，包括接收器辨識、通訊解調、線圈電源驅動器、智慧型電源控制、運作狀態回報及安全運作。
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| 圖2 頻率作用所產生的發送器增益 |
對於WPC低功耗發送器解決方案，切換電源供應可驅動發送器線圈，將19VDC或5VDC直流輸入電壓電源轉換為介於110k～205kHz之間的交流電壓，WPC相容裝置的線圈運作時，會成為50%負載週期的諧振半橋電路，建議在WPC規格中使用兩個發送器線圈驅動電路，做為半橋電路及全橋電路。發送器可將運作頻率變更為介於110k～205kHz間，將傳輸的電源加以調整，以較低的頻率傳輸更多電源(圖2)。 |
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電源接收器通常是可攜式裝置。電源接收器的關鍵電路是二次側線圈，其功用是接收來自電源發送器線圈、整流、電壓調節及通訊電壓的電源。 接收器的整流器輸出電壓受到接收器所監控，產生的訊號可控制調變電路，將來自接收器的編碼資訊傳送至發送器。這些編碼的資訊便會成為資訊封包，其中包含前序位元組(Preamble Byte)、標頭位元組(Header Byte)、訊息位元組(Message Byte)及總和檢查碼位元組(Checksum Byte)。按照WPC規格，資訊封包能夠與識別、配置、控制錯誤、整流電源、充電狀態及電源結束傳輸資訊產生關聯。 |
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低壓差穩壓器(LDO)能將整流電路的未調節直流電壓緩衝為調節的接收器輸出電壓。電源接收器的線圈電壓經過全波(Full-wave)整流，在5伏特(V)/500mA下可達到70%的運作效率。 |
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| 圖3 A1型發送器線圈及接收器線圈 |
WPC系統使用兩個平面線圈之間的電感耦合，將來自電源發送器的電源傳輸至電源接收器。圖3顯示的發送器類型是固定式線圈，其中包含磁性吸子(Magnetic Attractor)，或稱A1型發送器。發送器及接收器的線圈組件由線圈、屏蔽及磁鐵/吸子所組成。許多磁性元件供應商提供發送器的WPC相容磁性解決方案，以及接收器的自訂解決方案。若要購買磁性解決方案，可購買整套組件，也可購買個別元件。按照WPC標準，發送器端線圈設計能將恆定的電場強度施加於接收器線圈，使互通的裝置達到穩定運作的效果，且接收器線圈組件設計相當彈性，整個組件很容易就能夠裝入行動裝置中。
WPC相容A1型發送器的發送器線圈中央有一塊磁鐵，能夠使接收器線圈對準發送器線圈，以達到最大的電源傳輸效率。這也需要接收器線圈的中央有一個磁性吸子。
發送器線圈的頂端到發送器介面表面的距離為2.0～2.5毫米(mm)。接收器線圈也可彈性調整，不過接收器介面表面到接收器線圈的距離不可超過2.5公釐。因此，兩個線圈之間的最大距離為5.0公釐(圖4)。 |
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| 圖4 發送器及接收器線圈堆疊剖面圖 |
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發送器每秒大約以三個類比偵測訊號，判斷接收器是否存在。電源發送器偵測到發送器介面表面有裝置存在時，發送器會將位於介面區域的裝置「喚醒」，並開始進行詢問。如果接收器確實自行識別為WPC相容裝置，便會開始電源傳輸。電源接收器需要較多或較少電源時，接收器會將通訊封包傳送到電源發送器，以要求較多或較少的電源，這個通訊過程會在電源傳輸時持續進行，直到接收器發出「結束電源」訊息，或直到發送器未偵測到任何通訊封包的時間超過1.25秒。不再傳輸任何電源時，電源發送器會進入低待機電源模式，並且不再發射電感磁場。圖5顯示一般的通訊配置圖。 |
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| 圖5 接收器到發送器的通訊系統 |
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| 圖6 發送器線圈調變的階段圖 |
從接收器到發送器的通訊是以反向散射調變進行。接收器會調變本身的負載，這是從接收器反射到發送器線圈的負載。發送器線圈的電壓顯示的是調變的結果，然後發送器中專用的電路會用來解調資料(圖6)。
調變接收器線圈有兩個選項可用，一個是電阻，另一個是電容。電阻負載接入於資料速率中，會將少量的負載加入整流後的電壓，這個額外的負載會從接收器反射到發送器。使用電容進行調變時，電容會在整流器之前相互連接，然後傳輸交流負載，其優點是降低功耗並提升效率，電容接入於資料速率時，必須改變反射到發送器的接收器諧振頻率。另外，使用這兩種技術時，整流後的電壓會出現調變，電源調節的輸入也會出現調變。
電源接收器可控制電源傳輸，並使用通訊封包控制發送器電源。各個封包都有前序、標頭、訊息及總和檢查碼。通訊資料的時脈頻率為2kHz±4%。
通訊次序分為四個部分：偵測、識別、配置和電源傳輸。在一般的電源傳輸階段，接收器會每250毫秒(ms)傳送一次錯誤封包，也就是每秒傳送四次。在大訊號變更期間，每32毫秒便會傳送一次封包，也就是每秒大約三十一次。在正常運作期間，每五秒會傳送一次電源封包，以通知發送器收到多少電源，如果發出「結束電源」訊息，或長達1.25秒未收到任何通訊，便會結束電源傳輸。
將電源接收器放置在電源發送器上時，系統便會逐步進行預先定義的啟動順序。步驟一，電源發送器發出類比偵測訊號，偵測裝置是否存在；步驟二，數位偵測訊號的版本比類比偵測訊號的時間較長，讓電源接收器有時間使用訊號強度封包進行回覆，如果訊號強度封包有效，電源發送器會持續供電給線圈，並繼續進行下一個階段。
步驟三是識別及配置封包，電源發送器會識別電源接收器，將配置及設定資訊傳送至電源發送器；步驟四則為進行電源發送器階段時，電源接收器會在正常運作的情況下每250毫秒傳送控制錯誤封包一次；在大訊號變更的情況下每32毫秒傳送控制錯誤封包一次，以控制電源發送器運作點，在此模式下，發送器會每5秒傳送電源封包一次。
步驟五為若要停止電源傳輸，電源接收器會傳送電源傳輸封包，命令發送器進入低功率狀態，且發送器持續維持低功率狀態。
依循WPC無線電源標準 解決方案互通沒煩惱
德州儀器(TI)為WPC創辦成員，與其他WPC會員持續積極開發穩定的無線電源規格。以WPC相容且互通的電源接收器及發送器為例，已有業者推出bqTESLA系列無線電源IC與第二代電源接收器及電源發送器。第二代電源發送器支援A1型(單線圈)配置；第二代電源接收器則尺寸更小，外部元件數更少，並能夠與其他WPC相容裝置互通。
Tesla對於無線電源的夢想不斷被實現，由於無線電源本身的便利性，對於依據互通的業界標準設計無線電源裝置的需求也不斷擴大。WPC標準提供一套可供製造商以自身的系統開發解決方案的準則，所有元件都能與電感電源傳輸的其他各種WPC設備和裝置相互搭配運作。
(本文作者任職於德州儀器)