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無線充電技術優劣分析:磁感應vs磁共振
WPC、PMA、A4WP角逐市場

【作者: IDT】   2013年05月06日 星期一

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在無線電源技術的發展上,針對理想解決方案的使用方向,最近開始出現了一些疑問。磁感應(Magnetic Induction)或磁共振(Magnetic Resonance)兩者都可被考慮用於消費性市場,而不論消費性市場採用了哪一種技術,都意謂無線充電方式的使用即將實現。在接下來幾年內,我們將會看到此種現象從行動電話市場的生態系統開始普及,這主要得力於行動電話業者的大力推動。


接下來,運算產業及其本身強大的生態系統將會隨之普及,並因而促使無線充電技術使用的下一階段成長。屆時此種無線電源技術很可能會擴展至支援行動電話與運算解決方案的基礎設施中。這些使用情況,只是無線電源技術被運用於未來架構及解決方案的開端而已。


目前已有許多有關無線電源技術採用率及潛在總市場值的報告及市場研究。在這些預測報告中,採用率及技術的選擇是主要的變數,因此要提供準確的市場資訊就成為極具挑戰的任務。就磁感應技術而言,目前主要有兩種現行標準:無線充電聯盟(WPC)及電力事業聯盟(PMA)。這兩種標準已相當成熟,而且在消費性市場上已有許多產品在使用中。


無線電源聯盟(A4WP)則是第一個基於磁共振的標準。應該注意的是,英特爾的無線充電技術也是基於磁共振原理,英特爾是將目標放在超輕薄筆記型電腦以及自己的生態系統上。其他像是Power by Proxy及無線電力都已在工業及軍用應用上建立它們各自的地位,且現在也開始滲透至消費性市場。


針對這些標準及解決方案,我們不禁會有所疑問,究竟哪一種無線電源技術方向能持續下去,以及哪一種解決方案是最理想的採用方案?在我們解答這些問題之前,很重要的是,首先要試著去瞭解磁感應與磁共振技術之間的根本差異為何。之後再根據這些瞭解,以及應用/系統的需求,才能針對特定應用選擇正確的解決方案。


行動設備解決方案

在消費性市場上,首先採用無線電源解決方案的是行動產品。每隔兩年,行動產品的造型外觀、效能及特點便會有所升級及改變。這些升級,迫使電源需求、連接器與介面必需隨之改變,結果就是必需更換使用新的轉接器。這些變更與升級造成現有的轉接器無可避免地被淘汰及棄置,形成浪費。消除使用各種不同的轉接器及連接裝置的需求,進而使用標準的無線充電設備,將有助於減少電子廢棄物,並能改善行動設備的「綠色履歷」。


在我們的生活周遭,使用電力的每一種應用都可能成為採用無線電源技術的潛在候選人。為了回答哪一種特定應用應該使用哪一種無線技術 - 磁感應或是磁共振?何者對其而言是最佳技術,我們必須回顧每一種技術的基本原理。



圖一 :  無線充電器系統:發射器及接收器方塊圖
圖一 : 無線充電器系統:發射器及接收器方塊圖

磁性技術比較

磁感應與磁共振技術兩者在架構上有許多相似之處。例如,兩者皆使用磁場做為傳遞電源的橋樑。


在這兩種技術中,電流被導入至諧振電路中,進而產生磁場來傳遞電源。磁性規格對於電磁場的形狀成形有著很大的影響。磁通量可以被抑制和/或使用電磁屏蔽來定向和/或塑造磁芯的實際尺寸。磁通量密度和抑制可藉由改善電磁屏蔽的磁導率而有所改進。成本與厚度是選擇適當電磁屏蔽的關鍵因素。


在磁通量場中接收與發射線圈的校準,以及介於兩者之間的距離將決定能量如何有效地傳遞;發射與接收線圈之間分隔的距離越大,將導致電源傳遞越無效率。諧振頻率、發射線圈對接收線圈在尺寸上的比率、耦合係數、線圈阻抗、集膚效應、交流與直流元素,以及寄生線圈,則是顯著影響能量有效傳遞的其他因素。



圖二 :  耦合位移效應實測圖
圖二 : 耦合位移效應實測圖

x、y與z軸的分離,以及發射與接收線圈間的比例角度增加時,則產生的損耗及效率將會受到很大的影響。


在WPC的規範中,對於發射器上的接收線圈位置有著特定的要求,藉此解決效率的問題。這需要由使用者進行校準,以最大化兩個線圈間的耦合係數。在磁共振的例子中,可以自由擺放,以及可在磁通量場中放置單一或多個設備的能力,使得此種技術得以為使用者創造更多的便利性。然而,我們也必需瞭解,當兩個耦合設備間的分隔距離增加時,對於傳遞效率也會有所影響。


根據成本與尺寸考量等各種需求,可以在所有技術中使用單一或多重線圈解決方案。


在 WPC 與 PMA 規範的磁感應技術下,電源能以廣泛的頻率範圍進行傳遞。而電源傳遞的諧振頻率則是根據負載阻抗而決定。由於這樣的變異性,Q值在與磁共振相較下,顯得相對較低。因此唯有在選定的頻率及負載阻抗下,方能得到最佳的效率。


在磁共振技術中,由於電源僅在一定的諧振頻率之下才能傳遞,所以Q值會比較大,而且需要能和收器與發射器緊密匹配的諧振阻抗網路。


在磁共振與磁感應兩種技術中,必須嚴密控制網路參數的變異,因為這些變異會直接影響電源的傳遞。


圖三 :  Q值百分比
圖三 : Q值百分比

在WPC 1.1版的規範中,可以在100KHz至205KHz的寬廣範圍中來選擇諧振頻率。這種狀況類似於在PMA的規範中,其頻率範圍可從277KHz至357Khz。然而,頻率範圍在最近已有所改變,現在是依據輸入的供應電壓而定。


一般對於這些解決方案而言,Q值的範圍會落在30至50之間。在依據A4WP規範的解決方案中,在頻率已經固定的情況下,介於接收器與發射器之間的諧振頻率與阻抗網路就必須要合理、密切地相互匹配。一般而言,相較於磁感應解決方案,磁共振解決方案需要較高的Q值(50到100)。


電源管理

高效能電源管理架構的發展,對於磁共振與磁感應解決方案的成功執行有很大的影響。在發射器方面,為了導入電流至諧振電路中,直流電必轉換成交流電。在磁感應技術中,這必須使用一個半橋式或全橋式的逆變器來進行這種轉換;在磁共振技術中,則是透過功率放大器來導入電流。


功率放大器的架構與分類,會因為頻率、待機電流、效率、尺寸、成本,以及應用相關的整合需求等因素而有所不同。在這些轉換中,必須謹慎考慮每一環節,以降低在閘極驅動器、交換器、傳導、偏壓、本體二極體的損失、以及外部元件,例如等效串聯電阻及等效串聯電感的寄生效應。這些是發展高效能整合解決方案過程中所必須面對的一些重要挑戰。



圖四 :  兩種技術磁場效應示意圖
圖四 : 兩種技術磁場效應示意圖

根據對輸入電壓的要求以及設計架構的規範,製程的選擇對於整合解決方案的最佳化有著很大的影響。系統中存在著多種控制迴路,而整個控制迴路的穩定性對於高效能解決方案的整體成功性有著很大的影響。在磁感應與磁共振兩種技術中,透過有效的電源管理,將可達到相類似的效能與效率。


通訊方式

為了能成功地達成電力傳輸,發射器必須辨識正確的耦合接收器。在WPC與PMA解決方案中,發射器會定期發出「pings」指令來搜尋是否有接收器存在。當接收器被辨識,就會產生電力傳輸。這些解決方案使用固定的頻率調變來進行通訊。其他一些通訊方式包括振幅、功率、電流、以及脈衝寬度調變(PWM)等。只要介於發射與接收的匹配網路能夠承受更寬的頻率變化,則這些選項都是可以被使用的。


在A4WP磁共振解決方案中,發射與接收的匹配網路是緊密匹配的,因此無法使用頻率調變。然而,假如負載是固定的,則有可能使用振幅調變。若接收器效能不會受到影響,則可以使用功率與電流調變。在行動應用中,由於負載會根據功能的需求而有所不同,因此便形成挑戰,而且,根據上述調變方案所發展的解決方案,可能會不符合尺寸及成本效益。


A4WP可選擇藍牙或ZigBee來做為通訊的標準方式。這些方法都已存在於現有的行動解決方案中,因此很便於使用,僅要辨識出不同的接收器即可,它也同樣有利於發射器將電力傳輸至多個設備上。其他還有類似的方法也可用以達到同樣的目標。


通訊也被利用來通知電源傳輸的狀態,例如異物檢測、耦合狀態、甚至是校準引導訊息。金屬這類的異物在電磁場中可能會導致溫度上升,上升的程度端視材料的導電性而定。這是與技術無關的潛在問題。


在磁感應技術中,為了達到效率極大化,必需精確地監視發射與接收端兩者的電壓與電流。其他功能,例如負載反射效應、電流感應及調變與解調變時機,以及它們在封閉迴路系統中所造成的影響等等,對於維持系統的穩定性及確保成功的通訊都是至為關鍵的。其他的挑戰包括需符合加州環境協會(CEA)及美國聯邦通信委員會(FCC)第15及18條的法規,也可能會對系統的整體效率有所影響。


結語

我們可以合理的斷定,對於特定的應用而言,最佳的可能解決方案是根據所需的特性及效能而定的。假如可自由擺放位置,或是在X、Y與Z軸方向可對多個設備充電的能力是必要的特性,則磁共振可能是一個優先選用的解決方案。假如高效率效能及強大的標準相容能力是必有的特性,則WPC相容的解決方案,或許就是最理想的選擇。


然而,能夠無縫辨識耦合的設備是以磁感應或是磁共振為基礎,且有效地且有效率地傳遞電源的多模式解決方案,毫無疑問將會是用於這些應用的最理想解決方案。


(本文作者為IDT類比暨電源部門技術行銷處長)


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