創新概念花樣多　另類電源有待商品化考驗

然而，對可攜式裝置而言，供電纜線的問題並非無解。目前已有許多手機廠商研發可自行產生電力的新技術，周邊配件廠商與相關半導體業者亦已組成產業聯盟，試圖將無線電力傳輸技術導入手機應用中。對行動通訊相關產業而言，這些新興技術均潛藏著龐大的商機。  

太陽能手機搶出頭　半導體供應商積極卡位  

為了消除外接電源的不便，目前已有許多手機大廠積極投入研發，試圖讓手機本身就能夠產生電力。搭上綠能風潮而蓬勃發展的太陽能，遂成為各家手機製造商開發另類電源時的首選。事實上，手機大廠諾基亞(Nokia)早在1990年代末期，便已開發出內建太陽能面板，可自行發電的概念型手機。但由於當時太陽能面板的光電轉換效率實在太差，因此遲遲未能商品化。  

10多年後，在今年的新加坡電信展上，包含韓國三星(Samsung)、樂金(LG)與中國大陸的中興通訊等手機製造商，不約而同地展出多款內建太陽能面板的手機，且有些機種標榜在太陽下曝曬10分鐘，即可通話3分鐘的快速充電能力(圖1)。一時間，太陽能手機頗有捲土重來之勢。

資料來源：三星電子 圖1　太陽能手機於2009年在新加坡電信展上捲土重來。

在上游的半導體供應商端，如奧地利微電子(AMS)、凌力爾特(Linear Technology)、德州儀器(TI)等公司，亦從幾年前便陸續推出針對太陽能應用所設計的電源解決方案。顯示半導體廠商對太陽能手機的電源元件，早已有布局動作。  

奧地利微電子應用工程經理湯治邦表示，手機導入太陽能電池的發展趨勢，已被業界熱烈討論多年，但以往受限於太陽能板的能量轉換效率過低，再加上成本過於高昂，使得這類手機一直停留在原型機開發的階段。但由於各國政府大力獎勵太陽能產業發展，近年來太陽能電池的轉換效率與價格均較以往出現顯著改善，因此目前要在手機中導入太陽能電池，條件已比以往更加成熟。  

太陽能電池轉換效率仍有改進空間  

但湯治邦仍認為，目前太陽能電池的轉換效率還有不小的改良空間。以現階段太陽能電池的能量轉換效率來看，最適合導入太陽能充電功能的手機款式，並非目前市場上最熱門的智慧型手機，而是在第三世界國家熱賣的中低階機種。因為這類手機的功耗普遍較低，目前的太陽能電池發電效率較能滿足其充電/供電需求；再加上第三世界國家的電力基礎設施布建不甚完善，因此手機內建太陽能電池是一個非常實際的賣點。  

但太陽能手機的熱潮能否延續，關鍵仍在於太陽能電池的能量轉換效率。湯治邦認為，由於太陽能電池目前所能提供的電力仍相對有限，因此現階段太陽能電池只能充當輔助性的電力來源，是其全面普及的隱憂所在。  

唯一的治本之道，還是要回歸轉換效率的突破上。因此奧地利微電子除了持續開發各種客製化的充電與電源管理晶片外，也特別在西班牙成立太陽能電池研發中心，集中資源在太陽能面板取得技術突破，以打造出完整的解決方案。  

曾經任職於太陽能產業的德州儀器高效能類比市場行銷經理何信龍也認為，以目前太陽能電池的光電轉換效率來看，要作為主要電源或許還有一段路要走，因為目前比較成熟的太陽能電池方案，其轉換效率通常只有15～18%之間，再加上手機的外觀尺寸日益輕薄短小，使太陽能面板的安裝空間相對受限，這些條件限制均使太陽能電池還不足以擔當手機主要電力來源的重任。因此，目前太陽能手機欲普及，當務之急是在光電轉換效率上取得新的 突破。  

除了太陽能面板的轉換效率仍未臻理想外，太陽能面板的重量、抗機械衝擊性能的因素，也會成為日後太陽能手機普及的一大阻礙。據了解，目前具備可撓特性的薄膜太陽能面板，雖然具備輕巧耐衝擊的特性，非常適合手機等可攜式裝置使用，但其價格相對偏高，轉換效率又不如傳統單晶矽/多晶矽太陽能面板，成為一大導入障礙；相反的，目前已可使用8.5代基板量產的傳統硬式太陽能面板，雖有價格和轉換效率的優勢，但因其重量較重且不耐摔，在手機等可攜式裝置上的運用並不理想。  

即使太陽能電池面對上述種種應用障礙，半導體元件商還是對太陽能手機的商機興趣相當濃厚，目前市場上已有多家供應商提供包含充電器晶片、升/降壓轉換器等方案。  

無線電力傳輸進軍手機應用  

除了透過太陽能面板自行產生電力外，也有些供應商投入以電磁轉換機制無線傳輸電力的技術研發。且投入廠商的數量遠比太陽能更多。例如愛普生(Epson)、芯科實驗室(Silicon Labs)、德州儀器等供應商，目前均已透過技術合作的方式跨足無線電力傳輸模組市場；美國國家半導體(NS)亦已投入相關研發。  

事實上，無線電力傳輸的理論早在100多年前便已被學者提出，且相關理論已被套用在你我日常生活中隨處可見的變壓器設計中，因此嚴格說來，無線電力傳輸並不是近年來才被發現的前瞻技術。  

從終端應用產品來看，目前無線電力傳輸多半被運用在各種廚房、浴室等溼氣較重的應用環境中，例如電動牙刷便是一個極為典型的例子。因為使用無線電力傳輸技術後，產品的外觀可以完全用塑料予以密封，不必保留任何外露的金屬接點作為充電介面之用，因此防水性極佳。  

至於在可攜式應用方面，導入無線電力傳輸技術則與全球行動通訊協會(GSMA)倡導通用充電解決方案(UCS)一樣出於環保考量，但由於UCS的影響範圍僅局限於行動通訊裝置，無法遍及各種可攜式裝置，因此無線電力傳輸技術仍有其存在價值。  

包括ConvenientPower、Fulton Innovation、德州儀器、羅技(Logitech)、美國國家半導體、荷蘭皇家飛利浦電子、三洋電機，以及深圳桑菲等多家公司，已於今年初成立無線充電聯盟(Wireless Power Consortium)，以實現無線電力傳輸設計的標準化。  

該聯盟的首要目標，是為額定功率5瓦以下無線電力傳輸技術進行標準化，以滿足大多數可攜式裝置的需求。該標準已於2009年8月進入0.95版，並在九月展開互通性測試(圖2)，並藉此一測試結果為即將發表的正式版標準做最後修改。

資料來源：無線電力聯盟 圖2　未來通過無線電力聯盟認證的設備，都會貼上「氣」(Qi)這個充滿東方意境的認證標籤。

無線充電聯盟推廣工作組聯席負責人鄧蘊美表示，可攜式裝置市場龐大，扣除每年出貨量超過十三億支的手機外，各種音樂播放器、數位相機等可攜式裝置的年出貨量，同樣動輒以數千萬支計算。這些可攜式裝置通常使用特殊規格的充電介面，因此缺乏通用性，待產品生命週期結束後，這些配件也隨之成為電子廢棄物，除了破壞環境外，更是一種資源的浪費。  

圖3　芯科實驗室微控制器部門行銷總監Ross Bannatyne認為，無線電力傳輸將是短期內各種另類手機電源技術中最值得期待的一種。

從無線充電系統的架構來看，此一系統由三個主要零組件構成，首先，系統必須使用各種可以產生快速、正確波形來推動場效電晶體(FET)和線圈的元件；其次，須內建一個快速而精確的類比數位轉換器(ADC)，以量測系統所產生的電壓和電流；最後，整個系統須由一顆可執行快速運算的微控制器來進行即時監控。  

對半導體供應商而言，線圈的部分通常須仰賴合作夥伴供應，如愛普生便是與村田(Murata)製作所合作，由村田製作所負責供應接收器線圈。  

因此，整個無線充電系統的設計可說是相當複雜，若要讓此一應用的成本合理化，微控制器本身的整合度必須要達到一定水準以上，才能將外部元件如比較器、石英振盪器等成本控制在合理範圍內，且封裝尺寸要盡可能縮到最小。因此，扣除外部線圈和FET之外，混合訊號微控制器無疑是實作此一無線充電系統的核心。  

歐勝(Wolfson)電源管理產品線經理Jess Brown則認為，手機的外部充電器(亦即手機外部的實體充電器)在技術上將經歷某些轉變，並對手機內部的線路設計造成部分影響。  

以無線充電技術為例，內建在手機內部的線圈，有可能會對手機的溫度造成影響，因為無線充電模組在工作時，充電線圈會散發熱能。為了安全起見，當手機在無線充電狀態時，手機本身最好不要處於使用狀態，讓處理器進入睡眠模式。因此從電源管理方案的角度來看，當系統結束無線充電模式時，電源管理晶片必須快速喚醒處理器，以確保使用者體驗。  

諾基亞投入射頻能量回收前瞻研究  

繼首開業界先河發表太陽能手機後，諾基亞劍橋研究所於2009年6月發表一款前瞻性的射頻能量回收技術，其操作原理類似於無線射頻辨識系統(RFID)，可利用手機內建的感應線圈收集游離在空中的各種射頻能量，再將其轉化為電能。  

目前內建此一能量回收系統的原型手機，約可從空中收集3～5毫瓦能量，該研究單位並進一步設定其短期研發目標，希望能將能量收集系統的效率提升到20毫瓦，以實現手機待機時間無線的目標。若此相關研究進展順利，該能量回收系統可生產高達50毫瓦能量，可緩慢地為手機鋰電池充電，從而徹底擺脫對充電纜線的依賴。  

諾基亞劍橋研究所計畫領導人Markku Rouvala表示，目前該能量回收系統所使用的天線可以從500M～10GHz的射頻頻段中收集各種游離在大氣中的無線電訊號，並將之轉換成電力。  

由於該系統的架構跟目前市面上已相當普及的RFID相當類似，因此商品化的門檻不高。預計只要3年左右，此能量回收系統就能進入商業應用 階段。  

但不可諱言的是，由於此一系統所能產生的能量相當有限，即便研究工作進展順利，其所能產生的能量究竟能不能跟上功耗成長的腳步，其實還是個問號。因此，不少電源管理業界的人士對於能量回收系統的實用價值，仍有所質疑。  

事實上，雖然行動通訊產業總是標榜自家元件的低功耗特性，但根據許多研究機構所作的調查顯示，每年市場上販售的手機款式，其使用時間卻是一年不如一年。因為電池容量的成長速度永遠趕不上多功整合的腳步。因此，任何能讓手機自行發電的技術，都必須面臨功耗日益加劇的考驗。  

另類電源技術創意不斷  

從太陽能、無線電力傳輸到最前瞻的射頻能量回收系統，2009年可說手機電源技術百家爭鳴的一年。由於充電纜線對手機等可攜式裝置而言，已是碩果僅存的實體纜線，因此市場上對於終結充電纜線，讓手機徹底無線化的呼聲一直存在，也激勵供應商投入創新研發。  

這些以拔除最後一根電纜為主要訴求的另類電源技術，將對手機電源管理設計帶來哪些新的衝擊，某些較為前瞻的技術是否真能有商業應用的價值，或只是實驗室研究人員不切實際的想法，業界應拭目以待。