當下已經出現了大量可能的無線充電應用。消費性裝置品牌希望透過快速、安全的感應或電容充電來取代充電電纜，從而為使用者提供更多便利，並說明實現產品差異化。但是，該過程也會帶來重大的技術和生態系統挑戰。
多年來，其中許多挑戰已經得到解決，但也導致基礎設施的推出放緩，其中一個主要問題(新興技術通常都會遇到這種狀況)是標準之間的競爭。Qi標準和AirFuel聯盟內的其他各種規格已經爭論了一段時間，它們推出數種互不相容的技術，使裝置製造商難以確信消費者是否可以輕鬆地為智慧手機、可穿戴裝置或筆記型電腦充電。
此外，還有一些技術問題。許多系統要求發送器和接收器上的充電線圈須要對準以獲得最快速充電，而當採用者在將電話手機放在桌子上充電時不會發生這種狀況，被充電裝置和下面的充電器也必須能夠通訊，有許多不同的方式可以實現這些功能。
GaN價值主張
業界正在考量採用新的半導體製程。基於氮化鎵(GaN)的晶片用於功率控制器和發送器與接收器之間的無線電鏈路。雖然這些元件的效率明顯高於矽產品，但它們的生產成熟度較低，良率較低意味著需要考量成本優勢。
所有這些變化一直在推動無線充電從基於線圈的電感和電容充電(可在幾毫米距離上運作)轉向能夠在自由空間(距離最遠25公尺)充電的系統。這開闢了系統設計的新方法，例如，在超市中可以用遠處的電源來為包裝上的智慧標籤供電。
儘管如此，仍然有很多人強調更為傳統的無線充電機制。幾年前，當Alliance for Wireless Power和Power Matters Alliance合併時，AirFuel Alliance成立，並制定了直接與Qi競爭的標準。意法半導體(ST)正在採用AirFuel的磁共振標準、初創公司WiTricity的技術，以及包含電感和諧振充電的多模解決方案。WiTricity還透過採用磁共振技術成功展示了筆記型電腦的無線充電，戴爾(Dell)的Latitude 7000是世界上首款採用這種技術的二合一無線充電電腦。
對於物聯網和消費性電子市場而言，諸如此類的功率傳輸和接收系統目標是在感應充電更難以執行之狀況下，能夠同時向多個裝置提供無線快速充電。EPC(Efficient Power Conversion Corporation)還採用其eGaN晶片針對諧振無線充電開發了一套完整的AirFuel 4類無線充電套件。EPC9129運作在6.78MHz(最低ISM頻段)，能夠傳輸高達33W的功率。該套件包括兩個接收器元件，每個都有自己的穩壓輸出，其中之一額定功率為5W，在19V時功率為27W。其目標是在採用eGaN FET實現高效無線功率傳輸時簡化評估過程，突顯了這些FET可提供的全部功率效率(介於80%和90%之間)。
對於面向大功率傳輸表面區域之應用，諧振無線充電有特別意義，可以將接收裝置安放在表面上任何位置，並且能夠同時為多個裝置供電或充電。GaN Systems針對無線充電採用基於GaN的功率和RF元件開發了兩款無線功率放大器開發板，100W選項方案支援70W至100W的系統，而300W選項方案則支援150W至1kW的設計。此兩款功率放大器都具有系列功能，包括電流或電壓控制，內建保護電路，EMI濾波和可配置輸出功率(圖1)。
圖1 實際應用的GaN Systems無線充電系統。
GaN Systems在上述應用中將自身的功率電晶體與Murata的高頻GaN E-HEMT驅動器組合在一起。100W的GSWP100W-EVBPA開發板面向消費性市場，適用於筆記型電腦、電動工具和多個智慧手機的快速充電等。功率更高的300W GSWP300W-EVBPA適用於工業和運輸市場，其中包括送貨無人機、倉儲機器人、醫療系統、工廠自動化、承包商電動工具、電動二輪車和滑板車(Scooters)等應用(圖2)。
圖2 GaN Systems的GSWP300W-EVBPA開發板。
一些系統開發人員正在試圖增大發送和接收功率線圈之間的距離。例如，Wibotix已經開發的技術可以在距離最遠5公分的電池系統中提供300W功率。其中一個目標應用是在惡劣環境中運作的電動貨車，例如鋼鐵鑄造廠。採用這種無線充電，將可以消除伴隨的功率電纜，而這也通常被證明是運作失效的故障原因之一。PCB上的20公分圓形跡線可用作發送器，它與10公分直徑接收器相連，可在任何方向上自由移動5公分。
這種自由運動是必不可少的，因為它允許貨車停靠到牆邊充電站進行快速充電。目前的125W系統意味著5Ah，25V電池可以在大約一小時內完全充滿電，而如果採用300W系統實施充電，這將減少到25分鐘。充電器為可程式和可調節，能籍由2.4GHz無線資料連結進行控制。透過充電站上的貨車，充電器在運作期間將電流升高到電池允許的最大值，實施快速充電。或者在夜間透過小電流進行較長時間充電。該系統可設計用於同時支援多個貨車充電，即便它們具有不同的電池，因為特定電池類型的細節已經在接收器和發送器之間的資料通訊中交換。
商機依舊可期 無線充電創新不停歇
雖然看起來在更遠距離進行無線充電是一個長期計畫，但兩家初創企業實際上已經實現了這一目標。位於San Jose的WattUp開發的遠距離無線充電系統採用AirFuel RF規範，已獲得美國聯邦通訊委員會(FCC)認證。WattUp中場(Midfield)發送器可以為距離為1公尺的裝置提供射頻功率，支援基於接觸式和非接觸式的無線充電，並可為多個裝置充電。相關的生態體系確保接收器和發送器之間的跨平台互通性(Interoperability)，而無論其來自哪家製造商，從而使其更靈活，並為消費者和製造合作夥伴提供更大的可訪問性(Accessibility)。Energous與戴勒格(Dialog)已經達成戰略協定來推出該技術。另一家供應商Powercast已開始針對3W藍牙認證的遠場發送器提供價值100美元的套件，該發送器可在距離最遠25公尺處為多件消費性電子產品充電。PowerSpot發送器能夠創建一個區域，當支援PowerSpot的裝置進入該範圍時能夠自動為其供電或為其充電。此發送器採用915MHz ISM頻段，透過無線方式發送RF能量至裝置中嵌入的PowerHarvester接收器晶片，然後將RF能量轉換為直流電(DC)以補充電池。該公司正在推出一個開發套件，以幫助製造商設計基於PowerSpot的無線充電系統。
藍牙認可的PowerSpot採用低功耗藍牙(BLE)多協定解決方案，使發送器智慧、可配置和可控。例如，BLE能夠以無線方式安排功率傳輸，偵測充電裝置的電池狀態，並在裝置充滿電時關閉發送器。
這項技術甚至已擴展到超市環境，Powercast正在與材料供應商PPG合作，以無線充電運作的印刷電子系統可點亮貨架。採用PPG的導電墨水，可將電子電路直接印刷到基板對側，然後採用導電環氧樹脂將PowerHarvester接收器和其他元件連接到基板上，透過標籤層壓以密封電子電路。這種技術可以捕獲RF功率以驅動包裝上的LED。第一個採用PPG智慧標籤的應用已經出現在Pennsylvania Straub Brewing的6件啤酒包裝上。
當今世界對於無線充電的採用並沒有達到幾年前業界預期的那樣程度。不過，新技術的出現可能會改變這一切。當下，透過在自由空間進行無線充電的技術創新，就像本文所討論的那樣，有很大的機會對尚未充分發展且剛剛開始的無線充電產業產生真正的深遠影響。
(本文作者任職於貿澤電子)