2018年01月22日 | 多元应用装置掀导入潮 无线充电市场进入战国时代

无线充电十年磨一剑，商机爆发时刻终于来临。 全球智能型手机市占率最高的两大厂商三星(Samsung)与苹果(Apple)相继在自家手机内导入无线充电技术，推动更多手机、穿戴装置与其他终端装置内建无线充电应用，就连无线充电相关基础建设的导入潮也开始蔓延全球， 未来消费者有望在没有携带充电器的情况下，实现随走随充的愿景。

2017年接近尾声时刻，苹果一连推出iPhone8、iPhone8 Plus、iPhoneX三款手机，同时支持快充与无线充电，为智能型手机产业投入一颗震撼弹， 随即更宣布收购主要开发模块化的无线充电系统PowerbyProxi，一系列动作皆为看好无线充电产业发展前景，也让原本观望看待无线充电的相关供应链，化被动为主动，积极布局无线充电领域。

根据市场研究机构IHS Markit预估，至2017年底，全球无线充电接收装置出货量可达到3.25亿台，较2016年增长近40%。 衔接着这股无线充电风潮，Wyless执行长林哲逸(图1)预估，2020年，将会有高达10亿支手机内建无线充电技术，除了苹果与三星之外，包含Vivo、华为、OPPO等手机大厂也接连宣布，未来新一代手机将全部导入无线充电功能 ，其使用族群与无线充电的产量将日益蓬勃起来。

图1 Wyless执行长林哲逸认为，无线充电应用将遍地开花，举凡各种终端装置与公共建设场所，皆大量导入无线充电技术。
林哲逸认为，无线充电产业将有爆发性的成长，无论是手机、餐饮业或饭店业，皆大量推动无线充电的技术。 目前无线充电发射器在各国布建状况，可看到在美国已有3万个无线充电据点，其次包含中国大陆、日本、台湾和香港等地，皆可看到无线充电基础建设的痕迹，而主要的布建地点大多为麦当劳、星巴克等知名品牌的地区。

林哲逸谈到，台湾一年丢弃的线材约700万条，而将这些线材处理后，对于人体或大环境来说，都会造成一定的污染。 基于此，为有效达到环保的效果，台湾政府致力于推动无线充电服务，目前在各大餐厅、咖啡厅、捷运站、机场、公交车站、超商、商务旅馆或饭店等场所，都可看到无线充电的足迹。

磁感应/磁共振/远场 无线充电三大技术

以技术层面来看，无线充电的设计模式可分为磁共振(Magnetic Resonance)、磁感应(Magnetic Induction)和远场(Far Field)三种设计方法。 目前市面上叫为广泛采用的技术为磁感应，为WPC联盟的Qi无线充电标准，主要推动的半导体厂商为德州仪器(TI)、TDK与恩智浦(NXP)等。 另一方面，磁共振为AirFuel所积极推动的技术，前身为A4WP和PMA两大技术阵营结盟而成，背后主力厂商为英特尔(Intel)、高通(Qualcomm)与联发科等。

Far Field的无线充电技术主要透过射频(RF)传输电力，发射器配置(Transmitter Configuration)采天线数组(Antenna Array)模式，无论是接收器或发射器的成本都比磁共振和磁感应的技术高昂 ，但可以提供低电量、大范围的无线充电传输，主要推动厂商为Energous、Powercast和Ossia。

鸿腾精密研发经理丘宏伟(图2)谈到，无论是采用哪一种无线充电技术，皆有优势与劣势之分。 WPC主要采用In-band方式进行通讯，其通讯讯号是夹带在电源(Power)上面，可节省成本，但此种做法会造成天线不稳定，影响通讯质量的稳定度。 反之，AirFuel和Far Field采用2.4GHz频段，透过蓝牙技术进行通讯，讯号相对稳定许多。


图2 鸿腾精密研发经理丘宏伟表示，自由度与温度的控制，将是无线充电技术设计最为关键的要素。
凌通科技项目经理庄珰旭(图3)表示，近年来通用规格的关系，WPC所主推的Qi标准态度与规格较为开放，使得WPC市场导入速度较快。 同时，感应式技术频率是100~205KHz，在此范围内Ｑ值都能接收到能量，故该技术组件选用门坎较磁共振技术来得低，但其劣势在于线圈与线圈位置需精准对位，且自由度较低。


图3 凌通科技项目经理庄珰旭谈到，WPC联盟所推动得Qi标准之所以普及，在于本身规格保持较为开放的态度使然。
丘宏伟指出，在无线充电设计中，传送端(Tx)与接收端(Rx)之间传输的自由度、温度是产品设计时的一大挑战。 磁共振的发热体在PCBA(Printed Circuit Board Assembly)之上，因此线圈本身温度较低，而磁感应技术的发热主要在线圈上面，为了降低装置过热导致电池爆炸的疑虑发生，手机发行量最大的两大厂商苹果与三星， 都将自家无线充电手机的最高接收功率设定为7.5W。

丘宏伟强调，热要如何牵引，会影响终端产品设计方向。 以WPC标准来看，TX与RX线圈距离为５mm，在充电过程，热量从TX端向上传送，加上RX本身也会发，导致RX端的手机温度难以散去。 不仅如此，手机设计要求外型美观、精简成本，故手机商会希望在不加散热片、不破坏机身外表(在手机壳上开洞)的状况下导入无线充电技术，使得无现充电设计难上加难。

虽然每一种无线充电技术都有各自的优劣势之分，但以设计原理的本质来看，是否磁共振的效率一定比磁感应技术差呢？ 丘宏伟认为，假设两种技术都是最佳条件下，包含功率、接收器大小都在最好的状况下，两者之间的效率理论上差距将非常微小。

无线充电设计五大瓶颈

在各大厂商争相卡位进入无线充电市场时，其芯片与线圈设计挑战不容忽视。 高创科技营销部经理王世伟(图4)表示，无线充电实务设计上常见瓶颈来自五大因素，包含线圈距离、对位、线圈大小、厚度与温度等问题。


图4 高创科技营销部经理王世伟表示，线圈距离、对位、线圈大小、厚度与温度是无线充电设计时常见的瓶颈。
． 线圈距离

当所有参数完全相同时，线圈距离确实是效率最重要的因素之一，但是并非愈近愈好。 实际上RX端软磁(Ferrite)接近TX线圈时，会引起TX线圈感值上升，这个现象导致谐振频率偏移，进而造成充电效率会反转下降；基于此，须要改变接收线圈的架构。 王世伟提到，该公司改变天线时的主要项目会从外型、线圈材料及集肤深度、线圈匝数及匝间距离、Ferrite μ值及厚度与外围顺磁材料及逆磁材料的相对位置等部分着手，以提高接收线圈Vp-p，同时降低RX系统的起动电压。

． 对位

常见对位方式有三种，包含机构、磁吸与感测等方式，但现有对位方式皆有其缺点。 利用机构者，无法在平面物体上对位；利用磁吸者，会影响其他组件(如MEMS、Hold Sensor)，或造成效率降低(如马达、磁场)；利用感测组件者，原有产品需要额外组件(如光敏电阻)，或材质受到限制。 王世伟建议，可将LC共振结合Ferrite对线圈造成感值变化的特性使其具备对位提示之功能。

． 线圈大小

两个线圈间的互感量和线圈的面积成正比，所以提高线圈的面积，可以有效提高互感的磁通量，进而提高感应电动势。 高创在线圈面积差距大的个案中常利用提升感值来改善效率，便是基于法拉第感应电动势公(Electromagnetic Induction)，唯为了维持Rdc的一致性必需增加导体的截面积。

． 厚度

当Ferrite达到饱和时，导磁率会快速下降，深度饱和时导磁率接近空气。 而经实务发现，在μ不变的前提下，提高弹性导磁率(μ')，降低粘性导磁率(μ")可以提高效率，然而在现有制程技术中，湿式烧结法难以突破。 基于此，干式烧结是暂时的必要之法，透过此方法，可以轻易达到μ>1000，但是现有制程有难以降低厚度(必需研磨)、烧结后曲翘(变型)以及研磨及运送过程易碎(良率不佳)等缺点。

． 温度

由于电路上的限制，必需保持一定的R值(高频中的电组成分)，加上铜线本身的长度及截面积会产生电阻，磁材也有铁损，在实务中线圈组常会有温度产生。