無(wú)線電充電原理與制作

1、無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與實(shí)作到了 2011年初，無(wú)線充電技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)年的推廣與 演進(jìn)后開(kāi)始受到各界矚目。無(wú)線充電是指具有電池的 裝置透過(guò)無(wú)線感應(yīng)的方式取得電力而進(jìn)行充電，其方 便性可以讓消費(fèi)者愿意支付額外的費(fèi)用購(gòu)買(mǎi)無(wú)線充電 相關(guān)產(chǎn)品；因?yàn)橛猩虣C(jī)才會(huì)有廠商愿意投入相關(guān)產(chǎn)品 開(kāi)發(fā)，目前可以知道非常多知名品牌廠商已經(jīng)將無(wú)線 充電這個(gè)功能列入新一代的產(chǎn)品的規(guī)格之一。由于這 產(chǎn)技術(shù)相當(dāng)新穎且各廠商有自己對(duì)技術(shù)的表述，所以 無(wú)線充電、感應(yīng)式電力、非接觸充電、無(wú)接點(diǎn)充電都 是泛指相同的技術(shù)，距離1mm到數(shù)公尺都是一樣是無(wú) 線，供電端與受電端交互作用就稱(chēng)感應(yīng)，所以無(wú)線充 電是廣義的名詞沒(méi)有一定的規(guī)格。原理簡(jiǎn)單，實(shí)

2、作困難無(wú)線充電的方法在實(shí)驗(yàn)階段有開(kāi)發(fā)出很多方法， 但目前唯一有機(jī)會(huì)量產(chǎn)商品化為線圈感應(yīng)式。線圈感 應(yīng)式的原理很簡(jiǎn)單，是百年前就被發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象，但 過(guò)去長(zhǎng)久以來(lái)這樣的線圈感應(yīng)只運(yùn)用在繞線式的變壓 器中。早期就有人發(fā)現(xiàn)將繞線式的變壓器的將“ E” 型鐵心繞線后對(duì)向緊貼后接上市電就可以感應(yīng)傳電， 但距離略為分開(kāi)后感應(yīng)效果就消失，這是因?yàn)樵谑须?0Hz下，電磁波傳遞會(huì)隨著距離增加能量快速衰退。 在現(xiàn)今的應(yīng)用中，由于裝置本身需要有外殼包裝，發(fā) 射端加上接收端的外殼厚度至少?gòu)?mm起算，早期電 動(dòng)牙刷產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)就發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離拉開(kāi)后需要將線圈上 的操作頻率提高才能讓電力能傳送的更遠(yuǎn)；在電磁波 中有一個(gè)特性，就

3、是頻率越高的電磁波可以傳送比較 長(zhǎng)的距離后能量衰減較低。后來(lái)RFID應(yīng)用開(kāi)始發(fā)展， 主要就規(guī)劃的三個(gè)頻段LF低頻(125135KHz)、HF高 頻(13.56MHz)、UHF 超高頻(860960MHz)可以使用， 而這些頻段也造就了目前無(wú)線電力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初頻 率采用的參考點(diǎn)。早在10年前電動(dòng)牙刷的無(wú)線充電就 已經(jīng)上市，當(dāng)時(shí)的傳送功率小、充電時(shí)間長(zhǎng)，在現(xiàn)在 的智能手持裝置的耗電狀況來(lái)看，當(dāng)時(shí)的充電能量不 敷使用所以10年來(lái)還無(wú)法實(shí)用化。但這幾年來(lái)發(fā)展出 新的技術(shù)可用較高的“共振”接收效率運(yùn)作方式，由 于這個(gè)技術(shù)較新所以各界的說(shuō)法很多，但都是有一個(gè) 很重要的特性，就是接收線圈上都會(huì)有配置電容來(lái)

4、構(gòu) 成一個(gè)具有頻率特性的接收天線，在特定的頻率下可 以得到較大的功率移轉(zhuǎn)。這部份就跟早期的電磁感應(yīng) 不同，當(dāng)距離拉開(kāi)后依然就可以得到良好的電力傳送 效果。共振的原理非常簡(jiǎn)單，就跟鋼琴調(diào)音師一樣放 不同水量的玻璃杯，在精準(zhǔn)的調(diào)音下可以將某個(gè)玻璃 杯透過(guò)共振將其振碎；但其它的文章都沒(méi)有提到，若 是沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)鋼琴調(diào)音師訓(xùn)練的一般人，可能永遠(yuǎn) 也調(diào)不出可以讓玻璃杯振碎的頻率!這就是原理簡(jiǎn)單、 實(shí)作困難。無(wú)線充電從LC諧振開(kāi)始!F=1/(2 n J(LC)展示簡(jiǎn)單，上市困難電子零件出廠時(shí)就像是未調(diào)過(guò)音的鋼琴，鋼琴透 過(guò)專(zhuān)業(yè)的調(diào)音師精準(zhǔn)調(diào)校后可以發(fā)出高品質(zhì)的聲音； 當(dāng)大量生產(chǎn)后為了成本考量可能就無(wú)法在每

5、一個(gè)產(chǎn)品 都經(jīng)由專(zhuān)業(yè)人員調(diào)校再出貨，如果每一個(gè)產(chǎn)品都要專(zhuān) 業(yè)人員來(lái)修正那就會(huì)有困難，因?yàn)閷?zhuān)業(yè)人員有限。這 就跟目前可以看到很多無(wú)線充電產(chǎn)品在很久前就發(fā)表 了，在發(fā)表會(huì)上產(chǎn)品都可以完美演出，但過(guò)了很久的 等待后還沒(méi)見(jiàn)產(chǎn)品上市？就跟剛提到的例子一樣，無(wú) 線充電的產(chǎn)品為了達(dá)到很好的共振效果必需經(jīng)過(guò)精準(zhǔn) 的調(diào)校，在這樣的狀況下量產(chǎn)會(huì)變的非常困難。所以 無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先必需要能針對(duì)共振這部份能 自我調(diào)整，這樣才能解決量產(chǎn)難題。2008年INTEL 即發(fā)表了可以離一公尺距離的兩個(gè)線圈傳送電力用以 點(diǎn)亮60瓦特?zé)襞荩l(fā)表當(dāng)時(shí)也宣告了無(wú)線電力時(shí)代已 經(jīng)到來(lái)；但三年過(guò)去了相關(guān)產(chǎn)品還是沒(méi)有上市，仔細(xì) 想一下

6、可以相距一公尺傳送電力，這么強(qiáng)大的電磁能 量就算對(duì)人體沒(méi)影響、對(duì)周遭的電氣制品會(huì)有非常大 的殺傷力。無(wú)線電力系統(tǒng)的原理與烹調(diào)電磁爐相同， 透過(guò)電磁波來(lái)傳送能量只不過(guò)目標(biāo)不同，電磁爐使用 頻率約50KHz能量發(fā)出后給鍋具加熱用已烹飪，過(guò)去 網(wǎng)絡(luò)上就有流傳過(guò)一段影片就是將手機(jī)放在運(yùn)作中的 電磁爐表面上，在短時(shí)間內(nèi)手機(jī)即燒毀，這樣的原理 一樣電磁波會(huì)穿過(guò)手機(jī)外殼直接對(duì)內(nèi)部的金屬構(gòu)造加 熱終至燒毀。前文題到過(guò)，為了加長(zhǎng)傳送距離必需提 高傳送頻率，電磁爐的頻率較低在離開(kāi)數(shù)公分后就衰 減到安全界限以下，INTEL發(fā)表的相距一公尺傳送電 力必需將頻率提高到約13MHz才能傳送，在這個(gè)狀況 下線圈之間若是存在

7、金屬物體將會(huì)被加熱而發(fā)生危 險(xiǎn)，表演中工作人員可以站在兩個(gè)線圈中間不會(huì)有危 險(xiǎn)，是因?yàn)槿梭w內(nèi)的金屬成份很少所以溫度上升有限。 當(dāng)電磁波頻率加到1GHz以上就會(huì)直接對(duì)水分子加 熱；這個(gè)原理就變成微波爐了，水分子被電磁波攪動(dòng) 后發(fā)出熱量。所以微波爐與電磁爐不一樣，必需在屏 蔽體內(nèi)操作避免為害到人體。這部份又與市面上的無(wú) 線通訊產(chǎn)品不同，因?yàn)槟芰坎罹嗌醮?；無(wú)線電力系統(tǒng) 需要傳送電力而發(fā)送到受電裝置所以需高功率傳送， 無(wú)線通訊產(chǎn)品收到低功率訊號(hào)后再透過(guò)內(nèi)部的電池將 訊號(hào)放大處理。所以不管是在13MHz會(huì)對(duì)金屬加熱或 是1GHz以上直接傷害人體，無(wú)線電力在設(shè)計(jì)時(shí)必需 解決安全的問(wèn)題才能上市，這就是展示簡(jiǎn)

8、單、上市困 難。三大效能指針：效率、安全、功率電動(dòng)牙刷早在10年前就堆出無(wú)線充電了，當(dāng)時(shí)由 于功率需求低所以不需要考慮效率與安全。早期的系 統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率只有20%-30%，且沒(méi)有安全機(jī)制并不會(huì)辯 識(shí)目標(biāo)連續(xù)供電，這樣的系統(tǒng)就與微型電磁爐一樣。 由于功率很小，接收需求只有0.1W上下，只有20% 的轉(zhuǎn)換效率下即有80%的能量于傳送中轉(zhuǎn)成熱量散 逸，這樣推算發(fā)射器提供0.5W的能量到接收器為 0.1W的能量，0.4W產(chǎn)生的熱量有限對(duì)系統(tǒng)的溫度上 升不明顯，且系統(tǒng)最大輸出能力也不大即0.5W,所以 在發(fā)射器上放置金屬異物也不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)；但今日的 裝置需求遠(yuǎn)高于0.1W，以熱銷(xiāo)的智能型手機(jī)來(lái)看接收 需要

9、5V-1A即5W的充電能量，若用電動(dòng)牙刷的系統(tǒng) 進(jìn)行設(shè)計(jì)問(wèn)題就會(huì)很大了，接收端5W的需求在只有 20%的轉(zhuǎn)換效率下有20W的能量轉(zhuǎn)換成熱能散逸，這 樣的能量會(huì)產(chǎn)生龐大的熱能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度大幅上 升，在這樣的推算下，系統(tǒng)最大輸出能力會(huì)在25W， 若為無(wú)安全設(shè)計(jì)下于發(fā)射器上放置金屬異物可能會(huì)導(dǎo) 致火災(zāi)意外，所以在功率需求提高后衍生的問(wèn)題需要 全新的設(shè)計(jì)來(lái)完成無(wú)線充電，所以10年前即出現(xiàn)的無(wú) 線充電到今還改良之中。新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需為了達(dá)到目 標(biāo)功率，必需先解決效率與安全的問(wèn)題。高轉(zhuǎn)換效率仰賴(lài)先進(jìn)規(guī)格零件與 材料現(xiàn)今無(wú)線充電系統(tǒng)都采用共振的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)， 在架構(gòu)上都大至相同有下列這些構(gòu)造： 發(fā)射器內(nèi)有直

10、流電源輸入頻率產(chǎn)生裝置切換電力的開(kāi)關(guān)發(fā)射的線圈與電容諧振組合高轉(zhuǎn)換效率仰賴(lài)先進(jìn)規(guī)格零件與材料 現(xiàn)今無(wú)線充電系統(tǒng)都采用共振的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在架 構(gòu)上都大至相同有下列這些構(gòu)造： 發(fā)射器內(nèi)有直流電源輸入頻率產(chǎn)生裝置切換電力的開(kāi)關(guān)發(fā)射的線圈與電容諧振組合在同樣的架構(gòu)下從發(fā)射器的1.直流電源輸入到接 收器D.直流電源輸出應(yīng)過(guò)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都是效率損 耗的要點(diǎn)，在電源電路中電流通過(guò)的每一個(gè)有阻抗特 性的零件都會(huì)在上面損耗部份能量，這幾年材料的進(jìn) 步也讓無(wú)線充電的實(shí)用化大增，其中有幾樣先進(jìn)零件 是無(wú)線充電系統(tǒng)中與傳輸效率相關(guān)的，為了達(dá)到高轉(zhuǎn) 換效率需要將這些零件與材料作組合運(yùn)用。頻率產(chǎn)生裝置：目前有數(shù)家公司將

11、此部份開(kāi)發(fā) 成IC銷(xiāo)售，其為發(fā)射電路板上的關(guān)鍵零件。切換電力的開(kāi)關(guān)：大多為MOSFET所構(gòu)成，低導(dǎo)通阻抗與高切換速度是選用的要點(diǎn)。發(fā)射/接收的線圈與電容諧振組合：此部份為 過(guò)去從未出現(xiàn)過(guò)的技術(shù)，由于無(wú)規(guī)則可循所以只能透 過(guò)不斷的嘗試，另外未了阻絕多于的能量散到其它地 方，于線圈的未感應(yīng)側(cè)都會(huì)家上磁性材料，這類(lèi)的材 料特性也是全新的應(yīng)用。整流器：由于在線圈上的操作都是高頻率、高 電壓的能量訊號(hào)需要能有效的換成直流電才能給受電 裝置使用，目前大多采用超低VF的蕭特基二極管所 構(gòu)成。濾波與穩(wěn)壓器：這部份難度在接收裝置空間有 限，設(shè)計(jì)上要小型化的困難處，通常高轉(zhuǎn)換效率的電 路配置大體積被動(dòng)零件。設(shè)計(jì)最

12、艱難的部份在于安全先前提到無(wú)線充電系統(tǒng)與電磁爐一樣會(huì)發(fā)射電磁 波能量，這有兩大問(wèn)題：其一為當(dāng)發(fā)射器上沒(méi)有放目標(biāo)充電裝置時(shí)一樣在發(fā)射 能量，長(zhǎng)時(shí)間下會(huì)造成能源的浪費(fèi)，不符合現(xiàn)在產(chǎn)品 節(jié)能的趨勢(shì)。另外一個(gè)問(wèn)題較嚴(yán)重，為當(dāng)發(fā)射器上放 的是金屬異物，電磁波對(duì)其加熱；這個(gè)狀況輕則燒毀 裝置，重則發(fā)生火災(zāi)危其人員生命財(cái)產(chǎn)。所以無(wú)線充 電系統(tǒng)若要上市銷(xiāo)售，必需要有一個(gè)重要的功能即為“受電端目標(biāo)物辨識(shí)”，當(dāng)正確的目標(biāo)物放置在發(fā)射器 上才開(kāi)始送電，若不是的話(huà)則不送電。用來(lái)偵測(cè)近距 離裝置的方法有很多，但在無(wú)線充電系統(tǒng)上有一個(gè)問(wèn) 題就是無(wú)法采用昂貴的零件來(lái)完成這個(gè)功能，記住目 前設(shè)計(jì)的只是一個(gè)充電器，若成本太高的

13、話(huà)市場(chǎng)會(huì)無(wú) 法接受這個(gè)功能。而目前有兩個(gè)實(shí)用的方法來(lái)完成這 個(gè)功能：磁力激活：在受電端上裝一個(gè)磁鐵，當(dāng)發(fā)射端感應(yīng) 到磁力后開(kāi)始發(fā)送能量，這個(gè)方法簡(jiǎn)單有效，因?yàn)闆](méi) 有人會(huì)無(wú)意中放一個(gè)磁鐵在發(fā)射器上讓它燒毀。感應(yīng)線圈上的資料傳送：這是目前認(rèn)為最安全的方 法，與RFID的原理相同，利用兩個(gè)線圈內(nèi)的電力傳 送中，包含資料碼一起傳送；這個(gè)方法最安全也是最 難完成的，因?yàn)楦袘?yīng)線圈上有高能量的電力傳輸、另 外還包含了系統(tǒng)的噪聲與負(fù)載電流變化的干擾，如何有效的傳送資料碼是一大難題。無(wú)線充電能量之危險(xiǎn)處可變功率系統(tǒng)需建立在數(shù)據(jù)傳輸機(jī) 制上一個(gè)理想的系統(tǒng)為在無(wú)線充電發(fā)射器上放置不同 的接收器，接收器可為不同的裝置

14、從小電力的耳機(jī)到 大功率的筆記型計(jì)算機(jī)，都應(yīng)該要能對(duì)應(yīng)不同的目標(biāo) 物；但每個(gè)接收裝置的電力需求都不一樣，這時(shí)發(fā)射 器必需要能自動(dòng)調(diào)節(jié)功率輸出。但這樣的功能要建立 在發(fā)射器與接收器要能夠傳送資料碼來(lái)進(jìn)行溝通，所 以如何運(yùn)用感應(yīng)電力的線圈進(jìn)行資料碼傳送是研發(fā)的 要點(diǎn)。關(guān)于這個(gè)技術(shù)數(shù)年前已經(jīng)有多家公司投入開(kāi)發(fā)， 其每家公司的方法有差異在實(shí)作上的穩(wěn)定性也需要再 經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。原創(chuàng)文章： HYPERLINK /article/articleinfo/id/800100 /article/articleinfo/id/800100 87/page/3【無(wú)線充電共通標(biāo)是理想?yún)s難 以實(shí)現(xiàn)目前有業(yè)者在推行無(wú)線充電標(biāo)

15、準(zhǔn)，理想化的標(biāo)準(zhǔn) 是可以跨品牌使用。這個(gè)是一個(gè)很理想化的目標(biāo)，所 謂的標(biāo)準(zhǔn)就針對(duì)兩個(gè)部份需要規(guī)范才能運(yùn)作；第一就 是要有共通的共振頻率，電力傳輸是需要透過(guò)預(yù)設(shè)好 的共振頻率來(lái)傳送，發(fā)射器提供的電磁波能量之頻率 需要是接收器的共振頻率才能得到好的轉(zhuǎn)換效率。第 二就是標(biāo)準(zhǔn)的資料傳送碼或其它識(shí)別激活方式，發(fā)射 器需要對(duì)應(yīng)到正確的接收器才能開(kāi)始送電。一個(gè)共通 的標(biāo)準(zhǔn)的確是市場(chǎng)所期待的，目前在推動(dòng)無(wú)線充電標(biāo) 準(zhǔn)化的團(tuán)體已經(jīng)運(yùn)作多時(shí)，但在市面上的產(chǎn)品還算少 見(jiàn)，這部份可以深入了解后可以發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，一部 份是其標(biāo)準(zhǔn)尚未完整以致研發(fā)人員照規(guī)格書(shū)開(kāi)發(fā)確無(wú) 法順利將產(chǎn)品完成；另一個(gè)問(wèn)題是該標(biāo)準(zhǔn)并不是免費(fèi) 的，當(dāng)產(chǎn)品上市前需要先支付相關(guān)專(zhuān)利的權(quán)利金，所以共通標(biāo)準(zhǔn)是未來(lái)的趨勢(shì)，但目前實(shí)際應(yīng)用還未成熟。三大關(guān)鍵組件牽動(dòng)三個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈就無(wú)線充電產(chǎn)品看有三大關(guān)鍵組件，其中有控制 電路板、感應(yīng)線圈、磁性材料。目前無(wú)線充電尚在起步階段，市場(chǎng)預(yù)期接下來(lái)的 二到三年會(huì)開(kāi)始高度成長(zhǎng)，而四年后將會(huì)變成品牌商 品的標(biāo)準(zhǔn)備規(guī)格之一。這個(gè)市場(chǎng)的成長(zhǎng)會(huì)牽動(dòng)的產(chǎn)業(yè) 鏈不只在電子產(chǎn)業(yè)，感應(yīng)線圈需要精密治具生產(chǎn)這牽 動(dòng)的是機(jī)械工業(yè)，線圈上需要運(yùn)用高效能電磁波屏蔽 能力的磁性材料這牽動(dòng)的是化學(xué)工業(yè)。所以一個(gè)產(chǎn)品 的成長(zhǎng)可以牽動(dòng)三個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，因?yàn)檫@個(gè)產(chǎn)品并不是過(guò) 去已經(jīng)存在的產(chǎn)品，而是全新的類(lèi)別全新的應(yīng)用，相 關(guān)的材料都要重新開(kāi)