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中功率解決方案將出爐 無線充電應用市場展翅高飛

2013-12-06
無線充電市場發展大躍進。隨著中功率無線充電技術日益健全,無線充電解決方案供應商可望將產品從手機應用再擴張至平板裝置及筆記型電腦等領域,進一步擴大出貨規模。
2013年可說是無線充電應用發展的關鍵轉捩點。隨著愈來愈多智慧型手機業者開始將無線充電功能導入產品設計中,無線充電市場商機正快速擴大,包括無線充電IC、線圈、模組與周邊商品出貨量皆快速增長。

電磁感應式無線充電一支獨秀

2013年初,市面上已有眾多的無線充電產品可購買,而幾乎是採用電磁感應式系統;此一方式最大的缺點就是供電端線圈與受電端線圈,須對齊定位於數毫米(mm)的有效距離,使用時還是要將充電裝置放在一個充電平台上,因此一直被詬病非真正無線充電。然而,電磁感應式技術卻也因相當成熟可靠、低成本、容易生產,且電磁干擾(EMI)問題可以獲得很好的控制等優點獲得市場青睞,而這些因素也促使設備廠選擇電磁感應式進行產品開發生產,此一市場趨勢也將在今年持續下去。

5年前無線充電市場剛開始推廣時,使用者對無線充電還須放置在一個平台上感應充電嗤之以鼻;無線充電一詞由字面上看來應該是充電裝置還在手上使用就可以與供電裝置隔空充電,初期認為這樣放置感應充電與插線充電相同無意義;經過數年的推廣後,感應充電的確存在一定的便利性,而市場也接受了這樣的產品,也願意花費額外的費用購買這樣的產品。

磁共振商用挑戰重重

無線充電存在一個理想,即可以不影響使用狀況下隔空充電,為了達到這樣的理想,須做到供電裝置與受電裝置長距離傳送電力,且能量不可以對其他物體有所影響,促使磁共振技術問世。然而,目前此一技術有太多的難題未解決,此技術不止在電子層面上相當困難,在物理學的層面上這樣的能量傳送還有很多未知的領域尚未釐清,可以預期在將來會有所突破但並非是短期幾年的事,目前看來這個技術要商品化還非常遙遠。

單一標準隨處充電理想幻滅

無線充電標準化推廣的理想化是在單一標準下,隨處都設有無線充電供電端,只要手持裝置是採用共通標準就可以充電。這個理想在現實中將很難實現,其牽涉到的非單純技術問題,而是利益問題,要找到願意建設無線充電基座提供電力的單位相當困難。

除了建設費用還有能源與維護費用負擔問題難解,以至目前大多的無線充電應用都是消費者自行購買供電底座在私人環境內使用。

因此,在要建立這樣的無線充電應用理想前,業者可以先觀察在生活中的公共場所有提供充電服務的據點,了解一下使用率再來想一下這個隨處充電的理想是否可行。

支援多種標準的無線充電產品備受市場矚目

目前產業界皆相當看好無線充電市場前景,而眾多廠商也已投入開發相關技術,甚至有廠商期望可以占有更多的市場而喊出可以跨標準通用的產品,這是相當好的產品目標功能,但有兩方面不容易實現。

其一為技術問題;現今在單一標準上開發相關產品已經有相當困難的相容性問題要解決,在無線充電中將能量轉換成電磁能量進行傳送,其需要複雜的控制系統完成安全控制,在單一標準中目前控制系統還存在相當多的弱點待解決,而跨平台相容問題會更加難以解決。

其二為專利授權問題,目前的技術都有專利保護,在目前單一標準實作產品上都須支付相關的授權費用,而跨平台的產品意味將會用到多方面的專利技術,在單一產品上所付出的多重授權費將會是個成本問題。

中功率無線充電擴大市場商機

10年前無線充電商品化功率不到1瓦(W),只能用在如電動牙刷等低功耗產品。3年前無線充電商品化功率提高到5瓦(W),已可以廣泛應用在手機類裝置上,而在技術不斷演進其傳送功率也不斷向上提升,其應用已經可以含蓋各種手持裝置,例如平板電腦、電動工具、防水的戶外用品、醫療設備與軍方應用等都已經在開發中。

無線充電在3C產品的應用可以為選擇性,但在須防水、防塵、防菌的環境中,無線充電的應用就相當重要了。

無線充電安全性是產品設計最大考量

無線充電是靠發送與接收電磁能量進行電力傳送,隨著功率提高電磁能量越大所造成的安全疑慮也隨之升高。電磁能量立即的危險性為其投射在有金屬成分的物質上,會產生如同電磁爐熱量。

在具有5瓦電力的供電線圈上,若其能量投射在金屬硬幣上,約一分鐘就可加熱到水沸點以上;若為更大驅動力的平台上,數秒內就可以將其加熱超過水沸點,因此產品安全是相當重要的考量。

無線充電最基礎的安全設計為目標物識別,也就是要確認在供電線圈上為正確的受電裝置才開始發送電磁能量,在這個設計下,一般使用都算安全,但在供電線圈與受電線圈之前於建立識別訊號開始發送能量後,若之前存在金屬異物將會被加熱,傳送能量越大金屬異物被加熱的速度越快,若金屬異物較小而加熱的速度較緩,但時間持續久後也會造成危險,在設計上越小的金屬物體越難被偵測判別出來。

工程師最大的問題在於金屬異物是外來因素,無法預知其形式與大小,透過電路或軟體設計來偵測判別相當不易。現有方法為計算供電端到受電端的功率損失來判別金屬異物存在與否,若有金屬吸收能量就會造成較多的功率損耗,這個方法在功率加大後的可靠度欠佳,關於這方面的技術目前還有待各廠商在技術上有所突破。

無線充電需求帶動 磁性材料與線圈行情俏

無線充電中需要一個過去產品上從未出現過的元件「線圈」,所有的電力傳送都要靠線圈感應進行。此一線圈有別於過去的電感產品,其線圈部分需要極低的阻抗才能提高傳送效率與功率,並要提供足夠的感應面進行電力傳送運作時線圈的兩面都會放出強大的電磁能量,在供電端線圈非感應面,受電端線圈後方都須要磁性材料阻隔能量散逸,在此一需求的前提下須要開發出與過去電路使用的線圈電感完全不同的元件。

線圈部分須要使用在高頻下能減少電流集膚效應的多蕊LITZ線,磁性材料部分又有別於之前防電磁干擾(EMI)高頻的特性,須要對應100kHz頻段使用,且由於磁性材料是貼著線圈安裝,因此須有對應線圈表面渦電流的能力。

此外,線圈元件的單價比電感元件高上許多,且在技術上還有發展的空間,因此有市場潛力相當被看好,讓目前的電感廠商都爭相投入線圈開發。

關鍵元件電容也出現新規格需求

在電源電路中已大量採用電容用於濾波與訊號處理,而在無線充電中,感應線圈須搭配諧振電容完成線圈的諧振組合,使電力傳送效率最佳化。

在此一應用中,元件供應商為提高效率,勢必得採用具備極低交流電(AC)阻抗的電容,讓通過的電流維持最小損耗,而在電容材質上亦須要經過特別挑選才能達到此一要求。

在無線充電操作頻率約100kHz下還能保持低阻抗的電容可選用的並不多,特性最好的是金屬化聚丙烯電容(MKP)金屬薄膜電容,其具有相當好的耐電流與耐高壓特性,但其體積較大且為通孔插件安裝,在現有手持產品應用有困難。

至於陶瓷電容部分,有積層陶瓷電容器的NPO材質也有此特性,但過去生產的NPO電容其耐壓與容量都偏小,在技術上要做出符合應用規格並非不可行,只是過去沒有此規格的量產需求使電容製造商沒有投產備貨,無線充電也改變了這一部分,讓NPO電容規格向大容量與高壓部分拓展。

另一個效應則是由於NPO電容單價較高,所以對相關供應商營收也有正面效益,吸引電容廠積極投入。

無線充電專利大戰即將開打

無線充電關鍵技術發展與專利申請大約集中在2010年前後,一般美國發明專利從申請到領證需要3年的時間,也就是在3年後將會有大量的專利領證。而市場預期無線充電產品銷售量將會高度成長,後期將會跟智慧手機一樣出現專利的問題,而專利已經不是過去的保護發明機制,已變成商業競爭的工具,當市場有利可圖時,將會有些專利持有者開始發動法律訴訟,可預見的是未來專利大戰在所難免。

綜上所述,無線充電市場商機已開始逐漸擴大,包括智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦與各類家電產品,未來都將廣泛支援此一技術。不過,無線充電若想要持續擴大應用市場,勢必得克服功率、熱量等技術挑戰,且隨著市場發展日益蓬勃後,無線充電IC、線圈、模組等業者勢必將掀起專利大戰,因此相關業者須盡早開始布局新一代產品與專利,才能在市場上保持競爭力。

(本文作者為富達通科技無線充電事業部經理)

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