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多模无线充电技术 AirFuel竞逐无线充电应用

  • 魏淑芳
无线充电应用在近接状态可获得较高效率的电能转换,图为Near-field inductive charging system架构。Maxim Integrated

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由A4WP与PMA两大无线充电组织合并、更名的AirFuel联盟,在2015年的CES展期间签下合并意向书后,即代表无线充电两大磁共振与磁感应技术合流,同时由AirFuel联盟延续推广无线充电应用...

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无线充电应用架构,包含电力传送端/接收端、相关磁/电转换、主/被动元件构成。Panasonic

全球原本存在三大无线充电联盟,分别是Wireless Power Consortium(WPC)、Alliance for Wireless Power(A4WP)及Power Matters Alliance(PMA),随著A4WP与PMA在合并组成AirFuel Alliance重新上路后,无线充电应用市场已演变成由WPC与AirFuel联盟两方角力争夺的现况。2015年11月在A4WP、PMA两大无线充电组织合并后,预期会将磁共振与磁感应两大无线充电技术再进行集成,推动无线双模充电应用趋势。

A4WP、PMA两大组织支持集成  力推新一代AirFuel Alliance

检视A4WP和PMA合并前的无线充电方案,双方的无线充电方案为采行共振式充电之loosely-coupled线圈、作为无线电力传输架构,虽然双方采行之电力无线传输技术在原理上近似,但实际上A4WP与PMA合并前所各自使用的无线传输频率却不相同。此外,PMA阵营在双方合并前也在无线技术方面支持电磁感应式无线充电技术方案,因此,在未来结合A4WP与PMA 双方技术资源的AirFuel无线充电联盟,预料将以支持磁共振与磁感应两大无线充电技术、而形成AirFuel无线充电方案新的卖点。

除AirFuel无线充电联盟外,另一个WPC无线充电阵营,主要以名为「Qi」的无线充电标准进行市场推广,WPC的无线充电方案主要采行电磁感应技术,从技术观点检视,磁共振无线充电技术需在近距离条件下进行设备/充电板接触,因此在无线充电进行的转换效能最高、能耗相对最小;至于电磁式感应电能无线充电技术,虽在无线充电应用可支持较长距离之电能无线传输转换,但在无线的充电效率表现也相对较差。

WPC Qi Resonant无线充电扩增方案  支持多模抢食应用市场

在转换效率前提下,WPC无线充电阵营也从善如流,延伸发展采行共振式无线充电技术的Qi Resonant无线充电扩增方案,等于也如同AirFuel联盟所提供的无线充电多模系统支持,俨然呼应了无线充电应用未来将朝多模支持的技术发展方向。

但无线充电的多模支持趋势,也有市场人士提出可能徒增产品兼容性验证与开发成本疑虑,同时也会因多模支持额外增加的元器件、导致成本反映在产品终端售价,导致市场推广限制等问题。

实际上在2016年推出的无线充电终端应用中,已有近三成产品采行进阶双模无线充电设计方案,业界评估无线充电的多模支持是必然趋势,随著多模无线充电模块解决方案渐成熟,多模设计需求可能衍生的成本与推广问题也会越来越少。

再从WPC与AirFuel联盟参与厂商成员检视,以业界参与规模来看WPC论坛目前拥有约224名会员厂商,而AirFuel联盟则拥有195名会员,其中,也有不少业者同时押宝WPC与AirFuel两个无线充电联盟,例如,Microsoft、Qualcomm、Samsung...等业者,就两个无线充电联盟均积极参与活动,而在WPC与AirFuel联盟发展竞争态势还未明朗前,各个无线充电联盟何者胜出还很难评论,为了更实际的商业利益,也不得不双边同时参与。

无线充电应用逐步普及  跨系统、多模支持成产品设计挑战

然而,即便WPC与AirFuel联盟两大阵营主推方案泾渭分明,在无线充电的技术应用竞争持续增温,反而是两者的应用差异性会朝越来越近似发展,后续两大无线充电阵营间的应用发展与与商业合作,也是值得产业界持续关注的重点。

较实际的是从AirFuel联盟在合并后的技术方案与市场动态观察,以AirFuel联盟拥有的会员厂商观察,目前包括Intel、AT&T、Qualcomm、Samsung、Starbucks等,在合并成AirFuel联盟后,即相继弃用各自原有的A4WP或PMA技术方案商标,全面改行AirFuel联盟标章,AirFuel联盟也加大该方案推广力度,已针对原有A4WP或PMA技术方案差异点进行磁感应与磁共振互通设计相关集成规划,同时也推动14家业者、超过40款无线充电装置排入互测与验证程序,缩短A4WP或PMA技术方案后续朝AirFuel联盟共享方案的转换时程。

甚至,AirFuel联盟亦着手扩展无线充电未来性应用方向与发展可能性,透过Uncoupled Working Group扩展其它非磁性电力传输无线技术充电应用领域,如基于RF射频、超音波或雷射...等无线电力传送进阶应用。

不让AirFuel联盟专美于前,WPC已开发结合磁共振与电磁感应之双模Qi标准,会员参与规模目前稍稍略胜AirFuel联盟,两方在技术与应用角力有越演越烈迹象。

无线充电便捷、实用  市场价值驱动业者积极投入

然而,无线充电技术本身就有极大的市场价值,由于电子产品在历代进阶改良后,设备续航力与电力蓄能设计已成为新的开发瓶颈,而透过更便利的无线充电技术集成,可纾解设备电能充蓄需求,而在公众场合、咖啡厅透过预先设置的无线充电设备,用户可在喝杯咖啡的同时、完成行动设备无线充电,即便现阶段无线充电的效能仍比不上有线形式的快速充电应用,但无线化的充电应用情境,已成为新一代电子3C设备的重点设计方向。

除了智能手机、平板计算机甚至是中/高功率充电应用设计的笔记本电脑,已经成为首要导入无线充电技术方案的重点产品,也可解决用户需要携带缠绕恼人的充电线材、专属变压器设备,提升便利的同时也增加产品的行动力。而无线充电设计方案,目前在Apple、Samsung等热门3C与通讯产品被视为重点功能项目之外,在非3C、IT产品领域,也纷纷期待无线充电技术翻转终端产品的应用设计。

无线充电技术 持续扩展应用领域

无线充电应用市场即便蕴含庞大商机,但业界评估,目前仍无统一标准也成扩张应用的发展瓶颈,虽在初期3C行动产品大量导入吸引引行动装置、半导体、设计业者积极关注,但目前不同技术方案互不兼容、泾渭分明的规格限制,反而阻碍了无线充电应用技术扩展动能。原有由A4WP、PMA、WPC三大联盟抢食无线充电市场,发展迄今已由三大组织分进合流演变成AirFuel联盟与WPC两大无线充电联盟的市场竞争,未来跨系统或多模无线充电支持设计,也将成为新产品开发重点。

而无线充电应用的便利性,无疑是推展无线充电相关应用最重要的推力,然而半导体元件是无线充电应用架构最关键的元件,对充电应用的能源转换效能、充电器与集成设备的成本扮演相当关键的角色。其中如可动态调整充电功率调谐模块、可支持多装置同时运行无线充电机制的功能组件、能针对不同充电功率需求自动优化电源配置效能等设计方案,尤其在无线充电应用的安全管控与自动调整功率输出的优化设计,均是构筑高效能、高使用体验的无线充电应用关键。

另外,无线充电应用也持续朝跨应用市场发展,其中较有趣的案例如BMW、Audi...等主流汽车制造商,即计画在其电动车设计中导入无线充电技术方案;另近期十分热门的IoT(Internet of Things)物联网产品应用设计,也有产品期待导入无线充电方案,降低大量部署之传感器、感测系统终端维护与管理成本,在无线充电技术应用与导入的相关讨论也越来越多。

未来透过无线形式进行的电力传输应用,据美国市调机构IHS预估,无线充电技术应用直至2020年,将会有超过18亿个终端设备搭载无线充电应用功能,设计案例与使用领域将会越来越广。

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