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功率標準/安規漸完善 無線充電革新電源傳輸技術

2013-01-14
隨著行動設備日益輕薄短小,人類的行動科技生活也更為多彩多姿,然而,當「一機在手」的科技生活願景實現時,電池續航力問題卻成了最大挑戰。無線充電藉由標準的制定,可望讓使用者毋須攜帶任何電源傳輸線,即可在咖啡店、辦公室或任何公共空間進行便捷充電。
電池續航力是行動科技生活最大的挑戰,因而造就無線充電技術成為下一波市場新寵兒。根據市調機構IHS iSuppli最新報告指出,全球無線充電設備市場可望在2013年達到140億美元的規模,而無線充電器所涉及的應用領域將更為多元,包括手機、MP3隨身聽、數位相機、平板與筆記型電腦等。隨著諸多半導體廠商、手機製造商或電池品牌廠持續部署無線電力傳輸技術的研發,以及越來越多的研究專文問世,目前已有數十家跨國國際領導廠商成立無線電力聯盟。

以電磁感應為技術基礎

圖1 電磁感應基本原理
無指向性的電磁感應是利用俄國物理學家冷次(Heinrich Friedrich Emil Lenz)所發現的電磁感應定律。著名的「冷次定律」可溯及1832年,冷次在獲知法拉第發現電磁感應現象後,即著手實驗並發現感應電動與線圈的直徑、導線的直徑和材料無關,於是接著閉門研究法拉第尚未解決的如何確定感應電流方向的問題,並針對產生電磁感應的各種情況進行大量實驗及周密分析。1833年,冷次透過《論動電感應引起的電流方向》論文總結實驗結果,同時宣布其發現的「電磁感應基本定律」:兩個導體間,當一方的電磁場發生變化,另外一方的電磁場也會發生變化,但兩方是朝著相反的趨勢而變化,結果如圖1所示。 儘管無線充電的過程勢必會造成能量耗損,但無線充電的好處卻是不容忽視。一般來說,無線充電具有節省物料成本、減少觸電危險與方便操作等優勢,因此無線充電一直是小型家電設備業者想要達成的目標。

使用便利 無線充電技術受青睞

在各種無線充電設備的發展中,當前最佳的無線充電優勢實例即是電動牙刷。其由於手持式最好是無線使用,因此本體必須採用到電池設計。不過,一般的非充電電池在無法估算殘餘電量下,必須頻繁地更換電池,除了不環保,也容易破壞機體的防水性;但若採取傳導式的充電又不利於潮濕環境的使用,甚至會有泡水後漏電的危險。鑑於使用時間短與使用功率低的雙重條件,短距離無線充電自然成為最佳解決方案。

目前新款智慧型手機所採用的電池有些因機體密封而無法被取出,使用者為延長續航,只能利用連接槽外接加購的行動電源,而即使手機採用傳統的可更換電池設計,更換電池後,過長的重開機時間也令人難耐;為避免重要關頭無電可用的尷尬,多數智慧型手機用戶會選擇隨身攜帶充電設備或備用電池,甚至罔顧潛在風險同時進行充電與通話;頻繁的插拔線或不當的拉扯,亦可能造成連接器損壞因而無法充電及傳輸資料,這些問題也同時加速革新無線充電介面。

擴大電力傳輸距離 磁共振技術備受矚目

以冷次定律為基礎的無線電力傳輸儘管具備便利性,但是在過去以50/60Hz交流電(AC)為來源的運用下,效率一直無法突破30%的門檻;直至2006 年,由美國麻省理工學院研究團隊所發現的在特定頻率的磁共振現象,才一舉將電力傳輸效率提升到90%以上,且有效電力傳輸的極限距離也可達到線圈直徑的兩倍長,此舉無疑大力振奮了全球的電子電機產業。

事實上,共振的現象就像盪鞦韆一樣;在鞦韆振盪的最高點施力會讓鞦韆越盪越高,感覺能量沒有消耗,因此一旦施力的頻率與振動體相同,則振動振幅就會不斷增大,且會減少因為傳輸距離造成的損耗。磁共振的主要關鍵正是在共振的頻率,因此必須透過可變頻率電晶體的協助,才能夠達到高效電力傳輸的目標。

電氣安全至關重要 標準安規缺一不可

無線充電的優點雖不勝枚舉,但無線電力傳輸利用電磁場變化所產生的感應電壓和電流則與無線訊號傳輸一樣,均面臨著嚴苛的安全挑戰,這些安全挑戰主要包含電磁輻射的直接能量、通訊干擾與發射器(Tx)與接受器(Rx)的電氣安全等問題。

首先是電輻射能量的問題。由於不同於通訊用途,為達到感應的電壓與電流皆能進行充電,因此發射器的功率必須增大,而增加輻射效率的方式不外乎增加振幅或提高頻率。由於後者的電磁場穿透性高,不僅技術較為困難,且可能造成生物體的直接危害,因此增加振幅是相對容易的可行方法。然而,若選擇增加振幅則會因電磁輻射可能無法穿透人體,而造成能量囤積於人體形成渦電流而加熱人體,將會十分危險。

其次是通訊干擾的問題。無線通訊與無線充電同樣採用電磁感應,因此兩者也可能造成互相干擾,且無線充電的功率較高,因此更容易造成通訊干擾,如何維持通訊暢通與無線充電效率也成為一大考量。

另一方面,發射器與接收器的電氣安全亦相當關鍵。新式無線電力傳輸設備期望達到一機多用的目標,因此摒除了一對一卡槽的設計,目的即是希望有類似電源延長線的功能。

事實上,目前市售的產品設計大多透過外接的接收器進行接電,意即凡連結接收器的電子產品,都可以取得發射器供應的電磁場。例如多孔延長線等供電設備因本身的電線粗細、塑膠材料絕緣性要求,而設有安全的供電上限,以避免過載造成供電設備負荷過大,以及防止過熱造成火災等;以此類推,無線充電發射器也應該限制輸出的功率或調配適當的發射功率,甚至具備危險情況下的自動斷電功能。

控管功率傳輸上限 無線充電安全有保障

因應科技崛起,全球首部針對小型無線充電設備的相容性安全測試標準--UL 2738,由UL在2010年10月14日首次提出,並於次年的4月28日生效。UL 2738的標準架構的適用範圍包括感應式功率發射器,擬由600伏特或更少的分支電路提供;感應接收器,擬與感應發射器一起使用;感應接收器輸出電壓/傳輸功率範圍為60V直流電(DC)或42.4V交流電(AC)Peak以及100VA Capacity,同時並不適用於與其他設備或電源系統的電磁兼容性安全問題,或是造成生物生理上的安全問題。

此外,在標準安全測試方面則包含感應功率發射器最大傳輸功率測試;即確認在發射器的正常運作下,能夠發射足夠的能量,但是不會超過安全使用上限,以避免危及操作設備或使用者的安全。在感應接收器限制傳輸功率及電流測試方面,可確定接收器具有限制傳遞能量的功能,以免接收器失效或是周圍有多個充電器同時使用而造成操作設備或使用者的安全問題。

未來內建無線充電晶片的設備勢必將會開始帶動下一代行動設備的更新浪潮。如圖2所示,無論是數位相機、智慧型手機、平板電腦、多媒體播放器、手提電腦甚至是藍牙(Bluetooth)設備等,皆可能會有更眩目及聰明人性的無線充電接收晶片,或零組件產品被研製上市,於是發射器當然也非常有可能變成一般延長線或者是一般家具的基本內嵌功能。

圖2 無線充電的應用情境

然而,透過電磁感應原理進行的無線充電,雖然運用的原理年代已久,且具備強大的優勢,但是無線充電設備仍有諸多安全挑戰,透過標準加以規範是必然之舉,如前述的UL 2738及UL 2750(電動車用無線充電設備)等標準,皆有利於對小型資訊產品與大型電子電機設備的無線電力傳輸進行安全把關。無線電力傳輸唯有在全盤的安全考量下,才能讓使用者無後顧之憂地享受無限電力所帶來的更美好行動生活。

(本文作者為UL亞太區培訓諮詢事業發展經理)

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