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無線充電電源傳輸功率正逐漸提升。隨著晶片控制演算法逐漸成熟，無線充電技術正大步邁向中功率應用，未來支援中功率無線充電技術的終端產品充電速率可望快速攀升，且使用者的操作環境也將更為便利。 無線充電產品已在市面上流通一段時間，其大多是低于5瓦的手持產品的充電應用，而這樣的產品并沒有將磁感應(MI)無線充電的好處發揮到最大。無線充電的好處并非只有在手持設備充電前后省去插拔電源接頭，在很多應用上電源插頭(即導體接點)會有其他的問題產生，例如高濕度造成接點腐蝕、易然氣體環境于接點通電火花造成危險、在振動或運動物體無法精確連接場合等，都是無線充電應用可發揮好處的應用。 提高傳送功率 無線充電市場更遼闊 目前5瓦的充電能量應用范圍有限，許多應用其消耗電力較高，所以充電能量不足，會使設備無法蓄滿電力，并且需要更長的充電時間。有鑒于此，提高無線充電功率是此一技術下一步發展的重要方向，且較無線充電要朝更長的傳輸距離來得更為實用。 無線充電的主要特性就是沒有傳送電力的導體接點，透過電磁能量穿過非導體將電力傳送到另一端。目前很多研究都試圖透過磁共振技術將傳送距離提高，并且能一對多個設備充電，但仍有技術瓶頸須克服。例如電磁能量從發射源送出后，若沒有限制其在一個有限空間內，則會造成很大的電磁干擾問題。到目前為止，尚未看到有可以解決磁共振相關問題的技術公開，在業界也看到原本研究磁共振技術的廠商開始與電磁感應技術的陣營結盟，顯見磁共振技術確實尚未成熟。 毫無疑問，現階段電磁感應還是主流技術，而在這個技術下傳送距離有限的瓶頸也無法突破，但電磁感應并沒有失去無線充電最初的立意，即去除掉導體接點，在實際應用中可解決各種環境下充電不便的困擾。此外，近距離的感應電力傳送也帶來額外的好處，就是電磁能量會被限制在很小的區間內，因此提高能量并不會有電磁干擾的問題，所以電磁感應無線充電系統提高功率使應用層面更廣為其必然方向。 左右無線充電系統效率 控制演算法角色吃重 無線充電提高傳送功率的技術問題為效率與安全，解決的方法為軟件演算所主導的控制方法。大多初投入無線充電的開發工程人員會一直拘泥于硬件電路探討，硬件電路為系統的基本架構，且要提高效率也是需要高性能元件互相搭配，但真正困難的是控制整個系統運作的軟件演算法。軟件肩負功率輸出控制優化提升效率，且也須要監控系統狀態，以確保無線充電系統能安全運作。 事實上，軟件也是無線充電主控IC廠商投入最多資源的部分。首先開發人員須了解軟件控制要怎么影響無線充電系統的效率;無線充電供電端本身為一個可改變輸出功率大小的平臺，受電設備接收能量后，可轉換充電或直接供電用，由于發送器(Tx)與接收器(Rx)沒有實體連接，且相對位置并無固定，所以Tx輸出功率大小到Rx所接收的功率大小并無法預期，所以須要透過控制系統使Rx接收到的功率為一穩定值。 至于實作的方式，為Rx在Tx發送的能量載波上直接透過負載調制反饋，并將Rx上的功率數據回傳至Tx,讓Tx收到該數據后，進行功率大小調整使Rx接收能量為一穩定值。由于這個方式是在Tx能量載波上進行資料傳送，其無線充電系統目前實用頻率約為125kHz上下，在這樣的載波頻率下資料傳送速率難以提升，讓Tx上的功率輸出調整趕不上Rx上的負載變化，使Rx輸出不穩定，此問題常見解法為Tx保持較高的輸出功率，Rx收到能量后，由于功率偏高，其整流后的電壓也就較為偏高。為了穩定輸出，在Rx整流器后端都會配置降壓穩壓器，使最后輸出電壓為穩定值。 透過上述部分，工程師就可了解在Rx上整流器后與降壓器前的電壓控制很重要，此點電壓過高在降壓器上會形成很大的壓差，并造成效率差與元件發熱，反之此點電壓過低會在當負載加大時，電壓急下降造成輸出不足的狀況，此部分就是控制軟件影響效率重要的關鍵。 簡單來說，軟件就是要調整設定Tx端的功率，使Rx端收到的功率為穩定值，在Rx端中降壓器前端的電壓可控制在效率最佳狀態，此一運作非常復雜。 首先Tx端須正確解讀出來自Rx端的資料信號，困難在無線充電系統中能量載波的電源噪聲相當大，當Rx端輸出為變動負載或加大功率狀況下，其噪聲也隨之變大，此部分的噪聲難以用硬件電路濾除，當信號已于噪聲混雜的狀況下，就須要透過軟件演算取出應有的資料信號，這是控制的第一步，也是許多無線充電系統要發展提高功率的難題。要從5瓦提升到10瓦經過數年都沒有進展，主要就是無法解決加大功率后的資料傳輸問題。 此外，Tx收到資料后要如何調整功率大小則是下一個問題，無線充電供電端輸出功率控制大小有非常復雜變動因子;其中，輸出功率變化是建立在Tx線圈與電容諧振上，變動因素有驅動電壓、Rx端靠近后其受電線圈上的磁性材料會影響到Tx線圈電感量，造成諧振曲線偏移、Tx與Rx相對位置會影響功率調整后的變化量等多個變動因子，在上述狀況下，Tx卻只能靠來自Rx低速率資料進行調整，在最重要的判別來源資料更新速度有限的狀況下，Tx上的軟件就須要對線圈輸出特性具有學習分析功能的演算法，收到Rx資料后，可在最少的調整次數下達到穩定目標值，復雜點在于影響Tx控制功率的因子較多，要設計出反饋回路與調整演算法須投入較多資源開發。 金屬異物檢測建功 無線充電應用安全無虞 無線充電系統除效率外，另一個重要的設計考量就是安全。以產品來看，安全應為最優先的考量，而安全問題須用控制效率的技術解決，所以在文中先討論透過資料Rx到Tx資料傳送的方法進行安全控制。無線充電最大的安全問題就是金屬異物;由于Tx端本身就是一個電磁能量發射設備，在電磁感應或磁共振式都是如此，電磁能量最大的問題在于投射在金屬物體上會對其加熱，加熱的效率非常好，只需要10瓦的能量即可將硬幣在一分鐘內加熱到沸點上。 無線充電系統設計基礎就是目標識別，待機Tx端是不輸出能量的關閉狀態，對應的Rx感應并提出電源需求后，Tx才會開始傳送電力直到Rx離開或提出中止充電需求即關閉。在此將金屬異物分成三類形式來討論;第一類為在Tx端待機的狀況下，在其供電部放金屬物，此狀況因為金屬物并不會反饋資料碼到Tx啟動電力，以目前的技術可輕易完成此一功能;第二類為Rx的感應線圈周圍有金屬物，或是先放金屬物在Tx上后再將Rx壓上進行感應，此狀況的實際可能為Rx外殼含有金屬物質，Tx運行的狀況為有收到資料碼可以啟動電力，但會有能量被金屬吸收加熱;第三類為在Tx與Rx感應建立連結后，在其之間插入金屬異物，且在不破壞Tx與Rx間通訊下吸收電磁能量產生發熱，此為非正常使用狀況。 不論是有意或無意的在無線充電感應部放置金屬物體，系統都應有安全機制對應，防護方式大致分成兩個方向：一個在感應電力啟動前，主動安全機制檢測有金屬存在就不啟動電力輸出，這個方式可以保護前述第一與第二類的狀況；另一個被動安全機制是在啟動電力后，檢測Tx到Rx功耗狀況與溫度進行保護，被動方式在啟動電力后，已經對可能存在的金屬加熱一段時間，并有安全疑慮，但這也是在前述第三類金屬異物能做的最后防線，被動安全機制較為復雜，原因為干擾判別因數很多，無線充電系統搭配效率不良或線圈對應偏離都容易誤判為有金屬異物之狀況，因此目前還沒有很可靠的方式完成此功能。 強化充電效率 感應線圈技術仍待精進 無線充電要提高效率除控制方法之外，硬件電路也相當重要。目前市售電源元件像金屬氧化物半導體場效電晶體管(MOSFET)等性能已相當優異，現今功率加大的瓶頸落在線圈與其搭配的防磁片。所謂無線充電Tx就像一個驅動電磁能量到Rx端，再經整流濾波穩壓到后端輸出，從電源輸入端看電流路徑，第一個碰到的阻礙是MOSFET元件，剛提到目前先進的元件其阻抗都可以做到低于10毫歐姆(mΩ)以下，電流經過諧振電容到線圈后完成驅動端的電流循環，其中電容只要選對材質，其在交流下阻抗會極低，且幾乎看不到損耗。 不過，線圈的問題較為麻煩，現在無線充電線圈上除了本身有阻抗之外，還有交流電流在導線上形成渦電流與防磁片交互作用，其等效阻抗遠大于其他元件，所以用熱分析儀去觀察就會看到線圈導線是整個系統溫度最高的部分(圖1)，因此效率若要再提高，需要在線圈技術方面進一步精進，這方面產業界正持續努力。 綜上所述，目前電磁感應式無線電力系統在有安全控制機制下，已經有晶片商可在Tx與Rx實作100瓦的接收端輸出功率(圖2)，而且效率可達85%以上，藉此可知的是系統電路技術已相當成熟。 100瓦可應用的層面已相當廣泛，所以后續功率應該沒有再往上發展的急迫性。另一個應用是載具無線充電，例如電動汽車等其功率需求數千瓦與數十公分的感應距離也不是本文中系統可以觸及的范圍，以實用性來說，目前有很多產品可以用電磁感應式充電來解決一些充電困擾，未來無線充電系統發展的方向，應該是朝向更好的效率表現與安全機制并行發展。 |
