无线充电具备许多优势,像是便利性、多装置整合能力、行动力和弹性,引领整个市场的走向,无线充电市场整体正因此而快速蓬勃发展。2019至2025年间无线充电产值的年复合成长率(CAGR)约为30%,在2025年达到270亿美元。

  无线充电产品设计充满挑战,需要高度的系统知识和专业技术。除了充电线圈和与周围结构间互动的相关问题,设计人员也必须克服效率、机械封装和电磁干扰(EMI)。不过,一旦建置了最佳化的元件,并且充分注意充电器与装置的对準、线圈尺寸以及线圈间距等,就能达成良好的耦合因数,进而实现高效率的电力传输。此外,金属异物(例如硬币和钥匙)会在充电过程中危害安全,因此必须透过异物侦测(FOD)的方式有效侦测。

无线充电如何运作 开启多元应用无线想像

  图1 提供使用者更多便利性的多种无线充电应用

  无线充电如何运作

  无线充电透过线圈,在两个物体间以变动磁场的方式传输能量。线圈之间传输能量的效率称为「耦合」,根据多个参数决定,包括线圈的机械设计、间距和一致性。线圈对齐且距离紧密时,其电力传输效率与有线充电相当。

  无线充电解决方案有两个要件:发射器和接收器。发射器含有功率金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)变频器,可将直流电源转换为交流波形驱动线圈,进而产生交变磁场。为了提供所需的弹性和功能,变频器主要透过无线电力控制器及相关的MOSFET驱动器元件来进行即时控制。接收器包含一个整流器,将传入的交流波形转换为直流电源,和一个调节阶段,依条件提供电力至负载。多数的接收器也包含一个无线电力控制器,负责整体的系统管理和通讯。

  无线充电大规模使用两种技术,透过交变磁场传输电力:感应与谐振。两种技术分别反映出不同的优势,而无线充电市场中也有两个较为活跃的标準体系:无线充电联盟(WPC)和AirFuel(Airfuel Alliance),两种标准之间主要的差异,简述于图2.

无线充电如何运作 开启多元应用无线想像

  图2 无线充电发射器拓扑,建立在两个领域标準之上(WPC和Airfuel Alliance),使用紧密耦合(感应式)和松散耦合(谐振式)架构。

  WPC支持无线充电的Qi标準,为市场中的领先标準。Qi使用电磁感应技术,支援高效率和紧耦合充电。此外,即将公布的WPC Qi标準版本,包含建立认证标準的条款。现已有厂商如英飞凌提供统包IoT安全解决方案OPTIGA Trust Qi,专为克服Qi标準中安全无线充电的挑战设计。

  单线圈电感方法是市场上最普及的解决方案,由单一发射器线圈构成,操作频率介于80~205kHz之间。这项方法需要将待充装置与发射器线圈置中摆放,而且一次只能进行单一接收器装置的充电。只要具备良好的设计和高品质的功率转换电子元件,此方法的充电效率,可媲美有线充电。使用多重线圈阵列来扩展此方法,可获得额外优势。装置摆放位置的精準度要求大幅降低,而智慧系统可以侦测最接近待充装置的线圈,并将电力导向该处。

  无线电力普遍整合至手机和联网生活,从手机上开始的应用,将快速由平板、笔记型电脑、掌上型游戏机、医疗器材、汽车、基础设施和工业4.0取代。未来部分应用将需要相当高的功率或频率,以提供特定的使用者充电体验。这些应用将受惠于改善电力/效能的解决方案,例如GaN。在许多使用案例中,效率极为关键。GaN e-mode HEMT以可接受的热能影响提供高功率充电解决方案。由于高频率效能表现更佳,GaN也提供最佳化解决方案,适用于E类功率放大器谐振无线充电。