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无线充电应用起飞
Qi标准取得先机

【作者: 葉奕緯】2018年02月05日 星期一

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无线充电,是利用电磁感应(Electromagnetic induction),由充电器将能量传送至终端装置(手机等),两者之间不需使用电线连接,即可充电。


为了分食无线充电的大饼,目前有两大联盟欲成为充电标准的制定者,一是WPC(Wireless Power Consortium)的Qi标准,成员包括苹果、三星、Sony、高通、NXP等大厂,二是AFA(AirFuel Alliance),成员包括AT&T、Dell、Duracell、Energous等。


自从品牌大厂苹果於2017年采用Qi标准後,众多供应商也纷纷朝向WPC联盟倾斜,其中一间无线充电晶片供应商盛群(Holtek)半导体便因此获得订单,出货量大增,并将於近期推出15w的充电规格。


盛群擅长制作MCU(微控制器),在有线行动电源领域也耕耘多年,早在2014年便研发了5w无线充电的MCU晶片,也在同年获得Qi标准认证。然而当时的出货量少,盛群行动电源产品二处处长刘宏裕对此表示:「当时市场普遍仍在观??,苹果和三星都没出手,仅是雷声大、雨点小。」


然而在2017下半年情况开始不同,因为苹果iPhone X及iPhone 8支援无线充电Qi标准,市场开始一面倒地追捧无线充电板,终端需求大增,造成一阵风潮,盛群的订单也随之涌入,并正努力通过下一代产品的Qi标准认证。


WPC认证严谨

要让自家产品被贴上Qi标准的标签,可不容易。首先你要将自家产生产产品带到香港或中国深圳实验室测量电器特性、功率够不够,接着还要测试非常规的流程,会不会影响产品的稳定性等等,这至少需耗费两周的时间。


要是第一步的测试没问题,就会将产品送到比利时做第二阶段的测试。能够被贴上Qi标准标签,就表示此项无线充电器,可以适用所有经过认证的产品,因此,WPC会收集大约三百多种的手机,一一进行相容性测试,每台约需花费15分钟,视产品能否确实充电。目前盛群的产品仍处测试阶段,如果顺利,最快能在一个月内完成认证。


除了产品的相容性需要通关外,安全性也是一大考量重点。无线充电板的充电效率会受机壳厚度干扰,金属硬币同样是常见的干扰源之一。因此盛群提供给客户的方案中,除了提供客户自行调整效率外,还可以知道接收/发送端的瓦数。



图1 : 产品二处经理廖智民(图左)、产品二处处长刘宏裕(图右)。(摄影/叶奕纬)
图1 : 产品二处经理廖智民(图左)、产品二处处长刘宏裕(图右)。(摄影/叶奕纬)

若在充电过程中,不慎将干扰源置於手机与充电板之间时,干扰源(如硬币)就会吸收其中的热量,当温度上升时,会使塑料机壳融化,产生危险。因此,若是软体能显示当前传输数据,当充电效率低於常态时(转换效率70%以下),就能将之断线,预防危害。


盛群产品二处经理廖智民也举了一个适切例子:「还记得以前使用USB时,时常会发现与电脑不相容的问题吗?但是现在为何不再发生呢?这是因为USB的产品标准已经有一定规范,所以制造商会依据规格来制造产品。因此目前无线充电仍处在过渡期,想必未来很快会趋向统一,至於是WPC或是AFA取得主导,就不得而知了。」


无线充电的技术

谈到盛群所研发的无线充电板,经理廖智民表示:「你可以看到,早期我们电路板上的功率元件多达四、五个,但现在却只剩下三个,那是因为除了控制功率大小的MCU是自己做的之外,其他元件都是外包给别人,也使我们的整合度比别人更高,元件之间也才不会产生干扰问题。」


当前的主流,是使用磁感应的无线充电技术,里头包含两组电圈,透过导体切割磁场而产生电流,原理如同生活中的变压器。其优点是充电效率高(80%以上),然而充电距离短,仅有数公??至数公分而已,并且需要对准才能充电。


而目前相对少见的磁共振技术,则是靠发射/接收端达相同频率引起共振,以利能量交换。其优点是充电距离远(数公分至数公尺)、面积大,并能随放随充,缺点是充电效率低,成本高。



图2 : 两款盛群研发的无线充电电路板(左为新品)。(摄影/叶奕纬)
图2 : 两款盛群研发的无线充电电路板(左为新品)。(摄影/叶奕纬)

最後则是无线射频技术,它靠着空间电场作媒介,将电力透过无线电波传导,接收端再用天线取得电力。优点是距离远,成本低,但在传输上需要有方向性,转换效率也低,更有潜在的辐射危险。


经理廖智民表示:「比起同业来看,盛群很早以前就开始研发无线充电,所以过往合作的厂商中,曾经碰过哪些问题,多已经有解决方案。另外针对产品所做的MCU,也有内建FSK (Frequency-Shift Keying)调变功能,以及PWM (脉宽调变),解析度高,最高可达18w的传输功率。」


盛群也曾因为客户要求,而制作一款透过NFC传递讯号的产品,一般NFC是让装置之间可以进行通讯,并能支援非接触式的支付系统。而盛群则曾制造一款手机背盖,资料使用NFC传递,但充电功率则是用一般无线充电的方式传递,两个线圈之间易产生干扰,所以仅成为一款非标准型的充电产品。


除了盛群之外,另一家台湾业者凌通的15W无线充电方案,已正式获得无线充电联盟(WPC)的Qi规格认证,并已送样至智慧手机品牌厂。凌通具备5W、15W技术通过认证,也早在五年前便曾推出无线充电产品,同样受惠苹果导入无线充电功能,开始受到多方询问,可??在今年首季推出15w产品。


广泛的应用市场

盛群处长刘宏裕表示,目前盛群的订单中,中国就占了九成,厂商制造完後便会销往世界各地,而产品中,无线充电器占了八成的订单,再来就是内建无线充电的台灯。另外还有一项有趣的应用,就是鱼缸,无线充电可以让打气用的帮浦马达,不必再特地拉线充电,解决渗水漏电的问题。



图3 : 盛群研发的无线充电板。(摄影/叶奕纬)
图3 : 盛群研发的无线充电板。(摄影/叶奕纬)

除此之外,瑞典家具大厂IKEA也??得先机,在家中的茶几、桌子里内建无线充电,回到家後,只要将手机往桌面上一摆,即可开始充电,而更早以前的无线滑鼠所配置的滑鼠垫,也有着相似功能。而台湾富达通则针对工业应用市场进行开发,其RFID无线充电方案可以为工业平板、路灯、机器人等高功率设备充电,最高转换效率可达90%,最大接收功率更高达100w。


除了期待无线充电能实际应用到生活外,也必须提醒自己安全性的问题,无线充电越方便,就越会让人疏忽它可能造成的危害,不论是辐射过量,或是高温爆炸。而对企业来说,这次无线充电的热潮会历久不衰,抑或只是昙花一现,则是他们更为关心的重点。


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