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根據HIS的預估，全球無線充電市場預計將從2013年的2.16億美元，增加40倍，到2018年達到85億美元（參考文獻1）。但是，這個產業的發展會受到幾個現存互不兼容標準的影響。展望未來，許多開發商的問題是，是否所有這些標準可以在一個作為無線充電之用的統一、經濟實惠且高效的標準下共存。 雖然無線功率轉移的概念是在一個多世紀之前形成的，但在過去的幾年里，尤其是在像無線充電聯盟（WPC，成立于2008年成立）、電力事業聯盟（PMA，成立于2012）、無線電力聯盟（A4WP，又名Rezence，成立于2012年）等標準出現后，無線功率轉移已經開始有了實質的作用。 價值鏈中的關鍵利益相關者有設備制造商、原始設計制造商（ODM）、半導體公司及基礎設施公司；諸如三星、微軟（諾基亞）、HTC和LG是設備制造商；原始設計制造商（ODM）有Primax、Uway、和三星機電等；半導體公司則像是TI、IDT、飛思卡爾、高通、英特爾、聯發科、博通等；至于基礎設施公司則是像麥當勞、Marriott、和星巴克，這些業者借著采用無線充電來為其客戶提供一種增值服務。 除了作為一個消費電子配件之外，無線充電還可將其應用擴展到家居飾品、醫療、汽車、工業和國防應用。瑞典家具公司宜家（Ikea）最近宣布推出內嵌在其臺燈之內的一批無線充電產品（參考文獻2）。無線電力充電連同它的應用和使用情境，已成功地獲得消費者的青睞，但大量采用該技術而躍居成市場主流的情況，仍未達到預期的水平。造成這種情況的其中一項主要原因是由于標準不一，以及支持相互競爭標準的各大營運商（在美國）。 上圖為各種無線充電應用的使用場景。 在目前的標準環境中可望會浮現出兩種可能性： ● 出現一個單一的標準，這將可加快無線充電技術被采用的速度。 ● 支持多模式無線充電的解決辦法，其中，單一的發射器/接收器可以支持多個（WPC / PMA / A4WP）標準。 如果我們檢視一下從技術規范（來自標準機構）到概念驗證、產品開發、制造、以及成品的整個價值鏈，有幾項因素會構成在開發某一特定技術時的創造、提供和截取價值的良好整體經驗。這些都是要讓該技術茁壯成長的基礎。具體到無線充電，按優先級排列的關鍵因素如下： ● 經濟上的可承受性：成本效益，從批發和零售的角度來看，開銷要少 ● 可用性：增強易用性，像是可以自由擺放、可同時多部器件充電，和在相當距離外充電的潛在能力 ● 質量和安全性：符合特定產業對安全使用該技術的指導方針 ● 互操作性/向后兼容性：標準之內和跨標準 ● 技術擴散：通過定制和/或優化將使用情境擴展至其它應用 現有標準的比較 無線充電聯盟 WPC（Wireless Power Consortium）在2008年宣布的無線充電標準被稱為 “氣（Qi）”，這是無線充電技術針對主流消費電子設備商業化的一大步。 氣采用的原理是變壓器電路的磁感應，其中，發射器和接收器線圈以非常接近的形式接合，從而實現電力的轉移（參考文獻4）。發射器在低工作電壓下工作，視線圈的類型而定。在發射器（主）線圈中產生的電流將會產生一磁場，這又會在接收器（輔助）線圈感應出電流。接收到的電流可為接收器設備的電池供電，像是移動電話、平板計算機、照相機和智能手表等。發射器可為接收器提供一致的功率和電壓電平。 Qi標準定義了通信協議，其中電力轉移和接收到的量是最佳的。在接收器和發射器之間會有一通信封包傳送協議，它與一些因素相關，例如，發射器發現到的接收器、接收器的狀態和配置信息、接收器所要求的功率電平和電力傳輸的結束。 效率水平要視正確線圈的排列、Z的距離、和線圈類型的選擇而定。典型效率范圍為65％至75％之間。目前規范的版本是1.1版，未來還會繼續推出多個版本，其中將會規定多臺設備同時充電的支持、Z距離的增加，而焦點則會傾向磁共振。 這些都是以電感為基礎的無線充電系統之典型的發射器和接收器線。 特點： ● 緊密耦合的感應方案 ● 可在100-205千赫的頻率范圍工作 ● 使用負載調變在2Kbps的帶內通信 ● 接收到的功率可達5W（低功率） - 15W（中-功率），而針對高功率應用則有即將會推出的120W ● 支持異物檢測（FOD）功能 ● 可定義磁共振的未來規范 ● 超過200家的業者支持，包括三星、LG、德州儀器、松下、東芝、微軟、中興、Verizon和Motorola Mobility 優點： ● 已有建立完成的測試機構和生態系統，695項認證產品（參考文獻4），為加速采用走出了一條康莊大道 ● WPC技術已內嵌在三星的Galaxy S6（參考文獻5） ● 基于Qi的生態系統和強大且可擴展的平臺，使得像宜家公司可利用Qi充電技術，而將它嵌入在家居飾品中 ● 規格非常成熟，2011年以來，就已經有產品上市 ● 提升到未來Qi規格的途徑，未來Qi的規格將可支持多臺設備同時充電，增加Z距離（>5厘米） ● 因為緊耦合線圈結構的因素，所以可以達到更高的效率 ● 輻射排放量低 ● 有鑒于它是一成熟的標準，市場上有多家的IC和系統供貨商，所以它的實現成本最低 缺點： ● 聯盟的規模大，可能會因為決策過程緩慢，而使得進步的腳步放緩 ● 在進一步更新規格時，要讓現今市場上數以百萬計的器件可以達到充分的向后兼容性，將會是一項挑戰（然而，其他標準也會面臨到同樣的問題。） 電力事業聯盟(PMA) PMA公司于2012年成立，是一個與Qi競爭的標準，但同樣是以相同的磁感應原理來運作。從技術上來講，這兩種標準很相似。 PMA有額外的軟件鉤（software hook）來定義協議、控制和管理信令，WPC可望在他們的下一個規范版本中把管理信令的能力加進去。在較早的版本中，借著讓磁鐵托住接收器而讓接收器的線圈和發射器的線圈可以對準。然而，據我們的了解，PMA將在不久的將來會把磁鐵拿掉，并引入多個發射器的設計，其中有一個或多個線圈。著眼于物聯網（IOT）的發展，PMA已與星巴克合作開發應用，它具有基于云端的電源管理功能，可用來對充電站進行定位及管理（參考文獻5）。 特點： ● 緊密耦合的感應方案 ● PMA基于磁感應的電力2.0 （power 2.0）技術，未來規范會與A4WP合并 ● 操作的頻率范圍為277至357千赫 ● 超過100家的業者支持，包括三星、LG、HTC、AT＆T、谷歌、Blackberry、華為、Kyocera和IDT 優點： ● 市場主要的推動力來自產業界的重量級公司，像是Duracell-Powermat、星巴克和AT＆T ● PMA技術已內嵌在三星的Galaxy S6（參考文獻5） ● 有5座測試實驗室和24項通過認證的產品（參考文獻5） ● 基礎設施公司的采用為用戶提供一個首次使用該技術的經驗 ● 因采用Qi的磁感應原理，所以也有類似的技術優勢 缺點： ● 在采用和設計靈活性方面，仍然處于早期階段 ● 針對大規模采用，規格尚未最終確定 ● 在采用A4WP基于磁共振技術的未來版本之規范時, 向后兼容性將會是一個挑戰 無線充電標準聯盟(A4WP) A4WP （Alliance for Wireless Power），又名Rezence，也是在2012年成立，它是基于磁感應無線充電標準的替代性技術。 A4WP采用磁共振的原理，這種原理不用讓一次和二次線圈緊密對準。相反地，發射線圈夠大，大到足以產生高磁場，可與在初級線圈附近接近之處的次級線圈接合，且不只是一個，而是多個。這意味著單一發射器可以對多個接收器（電話、平板計算機等）充電。 電力傳送單元（PTU）中的系統設計由一個源直流電源（Source DC supply）、共振器、匹配單元、一個功率轉換單元，和一個信令和控制單元所組成。而電力接收單元（PRU）則是由一個諧振器、整流器、電源轉換單元、信令和控制單元所組成。帶有PTU和PRU的系統架構星型拓撲結構，在PTU和PRU之間有雙向的信令。 上圖是A4WP 技術的典型發射線圈結構（參考文獻6） 特點： ● 是一種基于松耦合磁共振的技術 ● 在Bluetooth Low Energy（2.4 GHz ISM的頻率范圍）的頻帶之外通訊 ● 電源傳輸頻率為6.78兆赫 ● 所接收到的3.5和6.5W電力，適用于智能型手機之類的應用，預計未來將增加至50W，以涵蓋更多的消費性電子設備 ● 相較于電流感應替代方案，承諾會提供更長的Z距離 ● 超過100家的業者支持，包括三星、戴爾、富士通、LG、夏普、佳能、松下、HTC、聯想、高通等 優點： ● 相較于電感式替代方案，可以潛在性的更低成本提供最大的自由空間 ● 允許多設備充電 ● 可擴展到更高的功率和穿戴式產品是其一大賣點 缺點： ● 在建立認證和測試機構方面，仍處于早期階段 ● 因為獨立的信令電路，所以通信費用高 ● 電磁干擾增高/輻射高 ● 由于松散耦合的線圈結構，所以效率低 ● 由于額外的通信帶寬會增加成本，所以配件有限 影響聚合的因素 長久以來，市場一直在廣為討論，為了讓市場起飛，這些標準應該合并。將感應和共振技術相結合真的有意義嗎？ 在生態系統的層級，更多還沒有 決定要投身那一種特定技術的組件供貨商，將可驅動生態系統來滿足所有的技術。有鑒于三星在智能型手機市場擁有很大的市場占有率，它在Galaxy S6中內建了Qi 及PMA 技術，此舉將進一步推動對無線充電發射器的需求。此外，宜家推出超過15款支持Qi標準的產品，也將可讓無線充電深入到日常的家庭中，為無線充電聯盟帶來很大的優勢。 Gartner的數據指出，手機和平板計算機2015年的出貨量預計將可達22.6億臺（參考文獻3）；所以最終，我們可以看到會有大量的產品推出上市。在我們針對可能性而進行腦力激蕩時，有必要從接收器和發射器的角度了解其中所涉及的挑戰。 上圖的比較顯示感應無線充電和諧振無線充電兩者之間的差異（參考文獻7）。 從聚合/協作的角度來看，發射器和接收器的設計有三種可能的類型。它們是： ● 多模式：MI-MI（WPC-PMA） - 純感應模式，與Qi和PMA標準兼容 ● 多模式：MI-MR（WPC-A4WP / PMA-A4WP） - 與磁感應（Qi / PMA）和磁共振（A4WP）標準的組合兼容 ● 三模式（WPC-PMA-A4WP） - 與所有三種無線充電標準兼容 接收端 現在有TI、飛思卡爾、IDT及Broadcom等公司可以提供單模的接收器芯片。三星的Galaxy S4即采用TI的接收芯片來進行無線充電（參考文獻7）。 支持Qi和PMA標準的純感應多模式因為技術的相似性，所以挑戰較少。不過，要開發一個在Qi和PMA之間優化的系統，在其中一種情況下，效率都會略低。 IDT在2013年宣布推出其業界首創的雙模式接收器，它可支持Qi和PMA標準（參考文獻9）。另外，TI和Triune systems也已經掌握到了其中的開發要訣。 聯發科今年早些時候宣布推出一款多模的芯片（MT3188），它可同時支持PMA和A4WP 標準（參考文獻10）。而在一些論壇上也討論過支持所有3種標準的接收器版本，且解決方案也開始在市場上推出。 Broadcom公司就在最近才剛發表過一則這樣的聲明（參考文獻11）。 將A4WP系統與感應系統整合的挑戰是，A4WP使用Bluetooth Low Energy堆棧。有幾個例子所指出的挑戰是，在電池沒電后，又或BLE一直處在待機的情況下，器件何時被喚醒。博通說明了其芯片內的嵌入式頻率檢測器可以在多個標準之間進行選擇（參考文獻11）。隨著時間的發展，像英特爾、高通、博通等公司將有機會以創新的方法改變這種情形。但今天在配件市場，我們必須有獨立的BLE芯片。這顯然會對成本造成影響。一般情況下，在一單獨的信道上進行帶外通訊（out-of-band communication）的成本是很高的。 發射器端 在發送器端所面臨到的挑戰是不一樣的。然而，一個純粹感應的施作方式是很簡單的，像飛思卡爾半導體和Triune Systems公司已經有可用的解決方案了。當我們探索多模式發射器時，將低頻發射器與高頻發射器結合在一起是一件相當復雜的工作。將低頻線圈嵌入到高頻線圈系統會有一些問題，如電源耦合的問題、調諧挑戰、及MI和MR之間的耦合等。因此開發原型是可以做的，但要實際施作則需要深思熟慮。 如何彌補今天這個差距？ 在前面的章節中，我們談到了在開發多模/三模系統的技術挑戰。此外，隨著時間的發展，標準可能也會聚合，但關鍵的問題是，我們今天能做什么，讓消費者可以享受到無線充電的好處？正如前面的討論，一種可能性是把多個標準放在接收器之中，但它必定會對成本和尺寸造成影響。我們在引言部分討論過產品的整體體驗，一項確定的關鍵因素之一是經濟上的可承受性（Affordability）。我們可以做出消費者負擔得起的產品，且還克服了所有的挑戰嗎？ 這將我們帶進到一個思考領導力的有趣領域。除了技術上的挑戰，這些聯盟基本上也在試圖解決一組與挑戰性相關的可用性問題。下面的示意圖標識出了這類重要的挑戰，以及針對這些挑戰所完成的規范。 無線充電聯盟面對的重要的挑戰。 由于標準的討論將會繼續發生，因此會有一個虛擬沙盒（virtual sandbox）的空間，在其中，系統公司可以探討通過創新的施作來彌補技術上的差距。今天，PowerSquare正朝著這個方向在努力，在同一時間，這也與這些集團的發展十分同步。正如前面所提到的，本文的內容試圖涵蓋無線充電標準的過去、現在和未來，并分析這些標準在整合時的技術挑戰。 所有這些無線標準是否可以共存？從技術角度來看，其中是有些挑戰的。對于WPC和PMA，一款TX和RX的解決方案是非常簡單的，因為它們是純感應式的。 A4WP帶PMA和/或Qi可以通過開發多模式的接收器而共存。然而，主要的挑戰將是開發多模式的TX解決方案。 PMA與A4WP之間最近宣布的合并正是朝著聚合方向發展的一步。但是，有鑒于前文所討論到的挑戰，對于這些聯盟計劃如何處理各自的感應和諧振技術，仍有待觀察（參考文獻5）。 在另一方面，WPC針對其即將推出的規范更新已公布它的多設備支持以及Z距離的增加，讓RX可從TX充電，而不需要線圈對線圈接觸（參考文獻12）。在生態系統的利益相關者支持下開發多模解決方案，將是解決競爭標準間難題的最佳途徑。隨著這樣的嘗試持續下去，將就會有一個可以讓技術供貨商創新的沙盒空間。 無線充電無疑是下一個最好的智能創新，這不僅是純粹的市場預測，同時也是它能帶給消費者的好處。如果能有一個單獨的標準存在，則就能將設計的開銷降到最低，這是大家所認同的，也是實際且最方便的做法，果真如此，無線充電市場就可以成長到來自不同市場研究機構所做的各項商業預估規模。 參考文獻 1. Global Market Revenue for Wireless Charging to Rise by Nearly Factor of 40 by 2018, IHS, March 2014. 2. IKEA Launching Qi-Friendly Wireless Charging Furniture, PC Mag, March 2015. 3. Gartner Says Worldwide Traditional PC, Tablet, Ultramobile and Mobile Phone Shipments to Grow 4.2 Percent in 2014, Gartner Inc, July 2014. 4. System Description, Wireless Power Transfer, Volume I: Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.1.2, Wireless Power Consortium, June 2013. 5. Power Matters Alliance 6. A4WP Wireless Power Transfer System Baseline System Specification (BSS) A4WP-S-0001 v1.2, Rezence, January 2014. 7. The convenience of wireless charging: It’s just physics, MediaTek, October 2013. 8. TI set to release a next generation of wireless charging chip for one-to-many interface, iTers News, June 2013. 9. IDT product page 10. MediaTek MT3188 Multi-Mode Wireless Charging ASIC Supports Inductive and Resonant Modes, MediaTek, February 2014. 11. B'com Powers 3 Wireless Charging Approaches, EE Times, May 2014. 12. With Qi wireless charging, you'll soon be able to charge your device from a short distance, Engadget, July 2014. |
