无线充电系统设计原理与实作讲析

引言

　　无线充电技术经过了数年的推广与演进后，到如今终于开始受到人们的关注。无线充电是指具有电池的装置透过无线感应的方式取得电力而进行充电，正是因为其方便性，才得以让消费者愿意支付额外的费用购买无线充电相关产品；如此一来，大批厂商愿意投入资金进行相关产品开发，看好其商机。由于这产技术相当新颖且各厂商有自己对技术的表述，所以无线充电、感应式电力、非接触充电、无接点充电都是泛指相同的技术，距离1mm到数公尺都是一样是无线，供电端与受电端交互作用就称感应，所以无线充电是广义的名词而没有一定的规格。

　　1 原理简单，实作困难

　　无线充电的方法在实验阶段有开发出很多方法，但目前唯一有机会量产商品化为线圈感应式。线圈感应式的原理很简单，是百年前就被发现物理现象，但过去长久以来这样的线圈感应只运用在绕线式的变压器中。早期就有人发现将绕线式的变压器的将“E”型铁心绕线后对向紧贴后接上市电就可以感应传电，但距离略为分开后感应效果就消失，这是因为在市电60Hz下，电磁波传递会随着距离增加能量快速衰退。在现今的应用中，由于装置本身需要有外壳包装，发射端加上接收端的外壳厚度至少从3mm起算，早期电动牙刷产品开发时就发现当距离拉开后需要将线圈上的操作频率提高才能让电力能传送的更远；在电磁波中有一个特性，就是频率越高的电磁波可以传送比较长的距离后能量衰减较低。后来RFID应用开始发展，主要就规划的三个频段LF低频（125~135KHz）、HF高频（13.56MHz）、UHF超高频（860~960MHz）可以使用，而这些频段也造就了目前无线电力系统在设计之初频率采用的参考点。早在10年前电动牙刷的无线充电就已经上市，当时的传送功率小、充电时间长，在现在的智能手持装置的耗电状况来看，当时的充电能量不敷使用所以10年来还无法实用化。但这几年来发展出新的技术可用较高的“共振”接收效率运作方式，由于这个技术较新所以各界的说法很多，但都是有一个很重要的特性，就是接收线圈上都会有配置电容来构成一个具有频率特性的接收天线，在特定的频率下可以得到较大的功率移转。这部份就跟早期的电磁感应不同，当距离拉开后依然就可以得到良好的电力传送效果。共振的原理非常简单，就跟钢琴调音师一样放不同水量的玻璃杯，在精准的调音下可以将某个玻璃杯透过共振将其振碎；但其它的文章都没有提到，若是没有经过专业钢琴调音师训练的一般人，可能永远也调不出可以让玻璃杯振碎的频率！这就是原理简单、实作困难。

　　2 展示简单，上市困难

　　电子零件出厂时就像是未调过音的钢琴，钢琴透过专业的调音师精准调校后可以发出高品质的声音；当大量生产后为了成本考量可能就无法在每一个产品都经由专业人员调校再出货，如果每一个产品都要专业人员来修正那就会有困难，因为专业人员有限。这就跟目前可以看到很多无线充电产品在很久前就发表了，在发表会上产品都可以完美演出，但过了很久的等待后还没见产品上市？就跟刚提到的例子一样，无线充电的产品为了达到很好的共振效果必需经过精准的调校，在这样的状况下量产会变的非常困难。所以无线充电系统的设计首先必需要能针对共振这部份能自我调整，这样才能解决量产难题。2008年INTEL即发表了可以离一公尺距离的两个线圈传送电力用以点亮60瓦特灯泡，发表当时也宣告了无线电力时代已经到来；但三年过去了相关产品还是没有上市，仔细想一下可以相距一公尺传送电力，这么强大的电磁能量就算对人体没影响、对周遭的电气制品会有非常大的杀伤力。无线电力系统的原理与烹调电磁炉相同，透过电磁波来传送能量只不过目标不同，电磁炉使用频率约50KHz能量发出后给锅具加热用已烹饪，过去网络上就有流传过一段影片就是将手机放在运作中的电磁炉表面上，在短时间内手机即烧毁，这样的原理一样电磁波会穿过手机外壳直接对内部的金属构造加热终至烧毁。前文题到过，为了加长传送距离必需提高传送频率，电磁炉的频率较低在离开数公分后就衰减到安全界限以下，INTEL发表的相距一公尺传送电力必需将频率提高到约13MHz才能传送，在这个状况下线圈之间若是存在金属物体将会被加热而发生危险，表演中工作人员可以站在两个线圈中间不会有危险，是因为人体内的金属成份很少所以温度上升有限。当电磁波频率加到1GHz以上就会直接对水分子加热；这个原理就变成微波炉了，水分子被电磁波搅动后发出热量。所以微波炉与电磁炉不一样，必需在屏蔽体内操作避免为害到人体。这部份又与市面上的无线通讯产品不同，因为能量差距甚大；无线电力系统需要传送电力而发送到受电装置所以需高功率传送，无线通讯产品收到低功率讯号后再透过内部的电池将讯号放大处理。所以不管是在13MHz会对金属加热或是1GHz以上直接伤害人体，无线电力在设计时必需解决安全的问题才能上市，这就是展示简单、上市困难。

　　3 三大效能指针——效率、安全、功率

　　电动牙刷早在10年前就堆出无线充电了，当时由于功率需求低所以不需要考虑效率与安全。早期的系统转换效率只有20%-30%，且没有安全机制并不会辩识目标连续供电，这样的系统就与微型电磁炉一样。由于功率很小，接收需求只有0.1W上下，只有20%的转换效率下即有80%的能量于传送中转成热量散逸，这样推算发射器提供0.5W的能量到接收器为0.1W的能量，0.4W产生的热量有限对系统的温度上升不明显，且系统最大输出能力也不大即0.5W，所以在发射器上放置金属异物也不会产生危险；但今日的装置需求远高于0.1W，以热销的智能型手机来看接收需要5V-1A 即5W的充电能量，若用电动牙刷的系统进行设计问题就会很大了，接收端5W的需求在只有20%的转换效率下有20W的能量转换成热能散逸，这样的能量会产生庞大的热能会导致系统温度大幅上升，在这样的推算下，系统最大输出能力会在25W，若为无安全设计下于发射器上放置金属异物可能会导致火灾意外，所以在功率需求提高后衍生的问题需要全新的设计来完成无线充电，所以10年前即出现的无线充电到今还改良之中。新设计的系统需为了达到目标功率，必需先解决效率与安全的问题。