無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電技術(shù)正大步邁向中功率應(yīng)用，未來(lái)支援中功率無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的終端產(chǎn)品充電速率可望快速攀升，且使用者的操作環(huán)境也將更為便利。

　　無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品已在市面上流通一段時(shí)間，其大多是低于5瓦的手持產(chǎn)品之充電應(yīng)用，而這樣的產(chǎn)品并沒(méi)有將磁感應(yīng)（MI）無(wú)線(xiàn)充電的好處發(fā)揮到最大。無(wú)線(xiàn)充電的好處并非只有在手持裝置充電前后省去插拔電源接頭，在很多應(yīng)用上電源插頭（即導(dǎo)體接點(diǎn)）會(huì)有其他的問(wèn)題產(chǎn)生，例如高濕度造成接點(diǎn)腐蝕、易然氣體環(huán)境于接點(diǎn)通電火花造成危險(xiǎn)、在振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)物體無(wú)法精確連接場(chǎng)合等，都是無(wú)線(xiàn)充電應(yīng)用可發(fā)揮好處的應(yīng)用。

　　提高傳送功率　無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)更遼闊

　　目前5瓦的充電能量應(yīng)用范圍有限，許多應(yīng)用其消耗電力較高，所以充電能量不足，會(huì)使裝置無(wú)法蓄滿(mǎn)電力，并且需要更長(zhǎng)的充電時(shí)間。有鑒于此，提高無(wú)線(xiàn)充電功率是此一技術(shù)下一步發(fā)展的重要方向，且較無(wú)線(xiàn)充電要朝更長(zhǎng)的傳輸距離來(lái)得更為實(shí)用。

　　無(wú)線(xiàn)充電的主要特性就是沒(méi)有傳送電力的導(dǎo)體接點(diǎn)，透過(guò)電磁能量穿過(guò)非導(dǎo)體將電力傳送到另一端。目前很多研究都試圖透過(guò)磁共振技術(shù)將傳送距離提高，并且能一對(duì)多個(gè)裝置充電，但仍有技術(shù)瓶頸須克服。例如電磁能量從發(fā)射源送出后，若沒(méi)有限制其在一個(gè)有限空間內(nèi)，則會(huì)造成很大的電磁干擾問(wèn)題。到目前為止，尚未看到有可以解決磁共振相關(guān)問(wèn)題的技術(shù)公開(kāi)，在業(yè)界也看到原本研究磁共振技術(shù)的廠商開(kāi)始與電磁感應(yīng)技術(shù)的陣營(yíng)結(jié)盟，顯見(jiàn)磁共振技術(shù)確實(shí)尚未成熟。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，現(xiàn)階段電磁感應(yīng)還是主流技術(shù)，而在這個(gè)技術(shù)下傳送距離有限的瓶頸也無(wú)法突破，但電磁感應(yīng)并沒(méi)有失去無(wú)線(xiàn)充電最初的立意，即去除掉導(dǎo)體接點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可解決各種環(huán)境下充電不便的困擾。此外，近距離的感應(yīng)電力傳送也帶來(lái)額外的好處，就是電磁能量會(huì)被限制在很小的區(qū)間內(nèi)，因此提高能量并不會(huì)有電磁干擾的問(wèn)題，所以電磁感應(yīng)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)提高功率使應(yīng)用層面更廣為其必然方向。

　　左右無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)效率　控制演算法角色吃重

　　無(wú)線(xiàn)充電提高傳送功率的技術(shù)問(wèn)題為效率與安全，解決的方法為軟體演算所主導(dǎo)的控制方法。大多初投入無(wú)線(xiàn)充電的開(kāi)發(fā)工程人員會(huì)一直拘泥于硬體電路探討，硬體電路為系統(tǒng)的基本架構(gòu)，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(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的軟體演算法。軟體肩負(fù)功率輸出控制優(yōu)化提升效率，且也須要監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，以確保無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)能安全運(yùn)作。

　　事實(shí)上，軟體也是無(wú)線(xiàn)充電主控IC廠商投入最多資源的部分。首先開(kāi)發(fā)人員須了解軟體控制要怎么影響無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的效率；無(wú)線(xiàn)充電供電端本身為一個(gè)可改變輸出功率大小的平臺(tái)，受電裝置接收能量后，可轉(zhuǎn)換充電或直接供電用，由于發(fā)送器（Tx）與接收器（Rx）沒(méi)有實(shí)體連接，且相對(duì)位置并無(wú)固定，所以Tx輸出功率大小到Rx所接收的功率大小并無(wú)法預(yù)期，所以須要透過(guò)控制系統(tǒng)使Rx接收到的功率為一穩(wěn)定值。

　　至于實(shí)作的方式，為Rx在Tx發(fā)送的能量載波上直接透過(guò)負(fù)載調(diào)制反饋，并將Rx上的功率資訊回傳至Tx，讓Tx收到該資訊后，進(jìn)行功率大小調(diào)整使Rx接收能量為一穩(wěn)定值。由于這個(gè)方式是在Tx能量載波上進(jìn)行資料傳送，其無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)目前實(shí)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(diào)整趕不上Rx上的負(fù)載變化，使Rx輸出不穩(wěn)定，此問(wèn)題常見(jiàn)解法為T(mén)x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(wěn)定輸出，在Rx整流器后端都會(huì)配置降壓穩(wěn)壓器，使最后輸出電壓為穩(wěn)定值。

　　透過(guò)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(diǎn)電壓過(guò)高在降壓器上會(huì)形成很大的壓差，并造成效率差與元件發(fā)熱，反之此點(diǎn)電壓過(guò)低會(huì)在當(dāng)負(fù)載加大時(shí)，電壓急下降造成輸出不足的狀況，此部分就是控制軟體影響效率重要的關(guān)鍵。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，軟體就是要調(diào)整設(shè)定Tx端的功率，使Rx端收到的功率為穩(wěn)定值，在Rx端中降壓器前端的電壓可控制在效率最佳狀態(tài)，此一運(yùn)作非常復(fù)雜。

　　首先Tx端須正確解讀出來(lái)自Rx端的資料訊號(hào)，困難在無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)中能量載波的電源雜訊相當(dāng)大，當(dāng)Rx端輸出為變動(dòng)負(fù)載或加大功率狀況下，其雜訊也隨之變大，此部分的雜訊難以用硬體電路濾除，當(dāng)訊號(hào)已于雜訊混雜的狀況下，就須要透過(guò)軟體演算取出應(yīng)有的資料訊號(hào)，這是控制的第一步，也是許多無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)要發(fā)展提高功率的難題。要從5瓦提升到10瓦經(jīng)過(guò)數(shù)年都沒(méi)有進(jìn)展，主要就是無(wú)法解決加大功率后的資料傳輸問(wèn)題。

　　此外，Tx收到資料后要如何調(diào)整功率大小則是下一個(gè)問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)充電供電端輸出功率控制大小有非常復(fù)雜變動(dòng)因子；其中，輸出功率變化是建立在Tx線(xiàn)圈與電容諧振上，變動(dòng)因素有驅(qū)動(dòng)電壓、Rx端靠近后其受電線(xiàn)圈上的磁性材料會(huì)影響到Tx線(xiàn)圈電感量，造成諧振曲線(xiàn)偏移、Tx與Rx相對(duì)位置會(huì)影響功率調(diào)整后的變化量等多個(gè)變動(dòng)因子，在上述狀況下，Tx卻只能靠來(lái)自Rx低速率資料進(jìn)行調(diào)整，在最重要的判別來(lái)源資料更新速度有限的狀況下，Tx上的軟體就須要對(duì)線(xiàn)圈輸出特性具有學(xué)習(xí)分析功能的演算法，收到Rx資料后，可在最少的調(diào)整次數(shù)下達(dá)到穩(wěn)定目標(biāo)值，復(fù)雜點(diǎn)在于影響Tx控制功率的因子較多，要設(shè)計(jì)出反饋回路與調(diào)整演算法須投入較多資源開(kāi)發(fā)。

　　金屬異物偵測(cè)建功　無(wú)線(xiàn)充電應(yīng)用安全無(wú)虞

　　無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)除效率外，另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考量就是安全。以產(chǎn)品來(lái)看，安全應(yīng)為最優(yōu)先的考量，而安全問(wèn)題須用控制效率的技術(shù)解決，所以在文中先討論透過(guò)資料Rx到Tx資料傳送的方法進(jìn)行安全控制。無(wú)線(xiàn)充電最大的安全問(wèn)題就是金屬異物；由于Tx端本身就是一個(gè)電磁能量發(fā)射裝置，在電磁感應(yīng)或磁共振式都是如此，電磁能量最大的問(wèn)題在于投射在金屬物體上會(huì)對(duì)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(nèi)加熱到沸點(diǎn)上。

　　無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)就是目標(biāo)識(shí)別，待機(jī)Tx端是不輸出能量的關(guān)閉狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的Rx感應(yīng)并提出電源需求后，Tx才會(huì)開(kāi)始傳送電力直到Rx離開(kāi)或提出中止充電需求即關(guān)閉。在此將金屬異物分成三類(lèi)形式來(lái)討論；第一類(lèi)為在Tx端待機(jī)的狀況下，在其供電部放金屬物，此狀況因?yàn)榻饘傥锊⒉粫?huì)反饋資料碼到Tx啟動(dòng)電力，以目前的技術(shù)可輕易完成此一功能；第二類(lèi)為Rx的感應(yīng)線(xiàn)圈周?chē)薪饘傥?，或是先放金屬物在Tx上后再將Rx壓上進(jìn)行感應(yīng)，此狀況的實(shí)際可能為Rx外殼含有金屬物質(zhì)，Tx運(yùn)行的狀況為有收到資料碼可以啟動(dòng)電力，但會(huì)有能量被金屬吸收加熱；第三類(lèi)為在Tx與Rx感應(yīng)建立連結(jié)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(chǎn)生發(fā)熱，此為非正常使用狀況。

　　不論是有意或無(wú)意的在無(wú)線(xiàn)充電感應(yīng)部放置金屬物體，系統(tǒng)都應(yīng)有安全機(jī)制對(duì)應(yīng)，防護(hù)方式大致分成兩個(gè)方向；一個(gè)在感應(yīng)電力啟動(dòng)前，主動(dòng)安全機(jī)制偵測(cè)有金屬存在就不啟動(dòng)電力輸出，這個(gè)方式可以保護(hù)前述第一與第二類(lèi)的狀況；另一個(gè)被動(dòng)安全機(jī)制是在啟動(dòng)電力后，偵測(cè)Tx到Rx功耗狀況與溫度進(jìn)行保護(hù)，被動(dòng)方式在啟動(dòng)電力后，已經(jīng)對(duì)可能存在的金屬加熱一段時(shí)間，并有安全疑慮，但這也是在前述第三類(lèi)金屬異物能做的最后防線(xiàn)，被動(dòng)安全機(jī)制較為復(fù)雜，原因?yàn)楦蓴_判別因數(shù)很多，無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)搭配效率不良或線(xiàn)圈對(duì)應(yīng)偏離都容易誤判為有金屬異物之狀況，因此目前還沒(méi)有很可靠的方式完成此功能。

　　強(qiáng)化充電效率　感應(yīng)線(xiàn)圈技術(shù)仍待精進(jìn)

　　無(wú)線(xiàn)充電要提高效率除控制方法之外，硬體電路也相當(dāng)重要。目前市售電源元件像金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）等性能已相當(dāng)優(yōu)異，現(xiàn)今功率加大的瓶頸落在線(xiàn)圈與其搭配的防磁片。所謂無(wú)線(xiàn)充電Tx就像一個(gè)驅(qū)動(dòng)電磁能量到Rx端，再經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓到后端輸出，從電源輸入端看電流路徑，第一個(gè)碰到的阻礙是MOSFET元件，剛提到目前先進(jìn)的元件其阻抗都可以做到低于10毫歐姆（mΩ）以下，電流經(jīng)過(guò)諧振電容到線(xiàn)圈后完成驅(qū)動(dòng)端的電流循環(huán)，其中電容只要選對(duì)材質(zhì)，其在交流下阻抗會(huì)極低，且?guī)缀蹩床坏綋p耗。

　　不過(guò)，線(xiàn)圈的問(wèn)題較為麻煩，現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈上除了本身有阻抗之外，還有交流電流在導(dǎo)線(xiàn)上形成渦電流與防磁片交互作用，其等效阻抗遠(yuǎn)大于其他元件，所以用熱分析儀去觀察就會(huì)看到線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)是整個(gè)系統(tǒng)溫度最高的部分（圖1），因此效率若要再提高，需要在線(xiàn)圈技術(shù)方面進(jìn)一步精進(jìn)，這方面產(chǎn)業(yè)界正持續(xù)努力。

　　圖1 從無(wú)線(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)作期間的熱影像，可看線(xiàn)圈的溫度最高，Rx端整流與穩(wěn)壓元件也會(huì)發(fā)熱，Tx電路則幾乎沒(méi)有發(fā)熱。

　　綜上所述，目前電磁感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電力系統(tǒng)在有安全控制機(jī)制下，已經(jīng)有晶片商可在Tx與Rx實(shí)作100瓦的接收端輸出功率（圖2），而且效率可達(dá)85%以上，藉此可知的是系統(tǒng)電路技術(shù)已相當(dāng)成熟。100瓦可應(yīng)用的層面已相當(dāng)廣泛，所以后續(xù)功率應(yīng)該沒(méi)有再往上發(fā)展的急迫性。另一個(gè)應(yīng)用是載具無(wú)線(xiàn)充電，例如電動(dòng)汽車(chē)等其功率需求數(shù)千瓦與數(shù)十公分的感應(yīng)距離也不是本文中系統(tǒng)可以觸及的范圍，以實(shí)用性來(lái)說(shuō)，目前有很多產(chǎn)品可以用電磁感應(yīng)式充電來(lái)解決一些充電困擾，未來(lái)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)發(fā)展的方向，應(yīng)該是朝向更好的效率表現(xiàn)與安全機(jī)制并行發(fā)展。

　　圖2 電磁感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電力系統(tǒng)實(shí)作已可達(dá)100瓦，可滿(mǎn)足大部分應(yīng)用市場(chǎng)。