無線充電市場進入戰國時代

無線充電十年磨一劍，商機爆發時刻終於來臨。 全球智能型手機市佔率最高的兩大廠商三星(Samsung)與蘋果(Apple)相繼在自家手機內導入無線充電技術，推動更多手機、穿戴裝置與其他終端裝置內建無線充電應用，就連無線充電相關基礎建設的導入潮也開始蔓延全球， 未來消費者有望在沒有攜帶充電器的情況下，實現隨走隨充的願景。

2017年接近尾聲時刻，蘋果一連推出iPhone8、iPhone8 Plus、iPhoneX三款手機，同時支持快充與無線充電，為智能型手機產業投入一顆震撼彈， 隨即更宣布收購主要開發模塊化的無線充電系統PowerbyProxi，一系列動作皆為看好無線充電產業發展前景，也讓原本觀望看待無線充電的相關供應鏈，化被動為主動，積極布局無線充電領域。

根據市場研究機構IHS Markit預估，至2017年底，全球無線充電接收裝置出貨量可達到3.25億台，較2016年增長近40%。 銜接著這股無線充電風潮，Wyless執行長林哲逸(圖1)預估，2020年，將會有高達10億支手機內建無線充電技術，除了蘋果與三星之外，包含Vivo、華為、OPPO等手機大廠也接連宣布，未來新一代手機將全部導入無線充電功能 ，其使用族群與無線充電的產量將日益蓬勃起來。

圖1 Wyless執行長林哲逸認為，無線充電應用將遍地開花，舉凡各種終端裝置與公共建設場所，皆大量導入無線充電技術。

林哲逸認為，無線充電產業將有爆發性的成長，無論是手機、餐飲業或飯店業，皆大量推動無線充電的技術。 目前無線充電發射器在各國布建狀況，可看到在美國已有3萬個無線充電據點，其次包含中國大陸、日本、台灣和香港等地，皆可看到無線充電基礎建設的痕迹，而主要的布建地點大多為麥當勞、星巴克等知名品牌的地區。

林哲逸談到，台灣一年丟棄的線材約700萬條，而將這些線材處理後，對於人體或大環境來說，都會造成一定的污染。 基於此，為有效達到環保的效果，台灣政府致力於推動無線充電服務，目前在各大餐廳、咖啡廳、捷運站、機場、公交車站、超商、商務旅館或飯店等場所，都可看到無線充電的足跡。

磁感應/磁共振/遠場 無線充電三大技術

以技術層面來看，無線充電的設計模式可分為磁共振(Magnetic Resonance)、磁感應(Magnetic Induction)和遠場(Far Field)三種設計方法。 目前市面上叫為廣泛採用的技術為磁感應，為WPC聯盟的Qi無線充電標準，主要推動的半導體廠商為德州儀器(TI)、TDK與恩智浦(NXP)等。 另一方面，磁共振為AirFuel所積極推動的技術，前身為A4WP和PMA兩大技術陣營結盟而成，背後主力廠商為英特爾(Intel)、高通(Qualcomm)與聯發科等。

Far Field的無線充電技術主要透過射頻(RF)傳輸電力，發射器配置(Transmitter Configuration)采天線數組(Antenna Array)模式，無論是接收器或發射器的成本都比磁共振和磁感應的技術高昂 ，但可以提供低電量、大範圍的無線充電傳輸，主要推動廠商為Energous、Powercast和Ossia。

鴻騰精密研發經理丘宏偉(圖2)談到，無論是採用哪一種無線充電技術，皆有優勢與劣勢之分。 WPC主要採用In-band方式進行通訊，其通訊訊號是夾帶在電源(Power)上面，可節省成本，但此種做法會造成天線不穩定，影響通訊質量的穩定度。 反之，AirFuel和Far Field採用2.4GHz頻段，透過藍牙技術進行通訊，訊號相對穩定許多。

圖2 鴻騰精密研發經理丘宏偉表示，自由度與溫度的控制，將是無線充電技術設計最為關鍵的要素。

凌通科技項目經理庄璫旭(圖3)表示，近年來通用規格的關係，WPC所主推的Qi標準態度與規格較為開放，使得WPC市場導入速度較快。 同時，感應式技術頻率是100~205KHz，在此範圍內Ｑ值都能接收到能量，故該技術組件選用門坎較磁共振技術來得低，但其劣勢在於線圈與線圈位置需精準對位，且自由度較低。

圖3 凌通科技項目經理庄璫旭談到，WPC聯盟所推動得Qi標準之所以普及，在於本身規格保持較為開放的態度使然。

丘宏偉指出，在無線充電設計中，傳送端(Tx)與接收端(Rx)之間傳輸的自由度、溫度是產品設計時的一大挑戰。 磁共振的發熱體在PCBA(Printed Circuit Board Assembly)之上，因此線圈本身溫度較低，而磁感應技術的發熱主要在線圈上面，為了降低裝置過熱導致電池爆炸的疑慮發生，手機發行量最大的兩大廠商蘋果與三星， 都將自家無線充電手機的最高接收功率設定為7.5W。

丘宏偉強調，熱要如何牽引，會影響終端產品設計方向。 以WPC標準來看，TX與RX線圈距離為５mm，在充電過程，熱量從TX端向上傳送，加上RX本身也會發，導致RX端的手機溫度難以散去。 不僅如此，手機設計要求外型美觀、精簡成本，故手機商會希望在不加散熱片、不破壞機身外表(在手機殼上開洞)的狀況下導入無線充電技術，使得無現充電設計難上加難。

雖然每一種無線充電技術都有各自的優劣勢之分，但以設計原理的本質來看，是否磁共振的效率一定比磁感應技術差呢？ 丘宏偉認為，假設兩種技術都是最佳條件下，包含功率、接收器大小都在最好的狀況下，兩者之間的效率理論上差距將非常微小。

無線充電設計五大瓶頸

在各大廠商爭相卡位進入無線充電市場時，其晶元與線圈設計挑戰不容忽視。 高創科技營銷部經理王世偉(圖4)表示，無線充電實務設計上常見瓶頸來自五大因素，包含線圈距離、對位、線圈大小、厚度與溫度等問題。

圖4 高創科技營銷部經理王世偉表示，線圈距離、對位、線圈大小、厚度與溫度是無線充電設計時常見的瓶頸。

． 線圈距離

當所有參數完全相同時，線圈距離確實是效率最重要的因素之一，但是並非愈近愈好。 實際上RX端軟磁(Ferrite)接近TX線圈時，會引起TX線圈感值上升，這個現象導致諧振頻率偏移，進而造成充電效率會反轉下降；基於此，須要改變接收線圈的架構。 王世偉提到，該公司改變天線時的主要項目會從外型、線圈材料及集膚深度、線圈匝數及匝間距離、Ferrite μ值及厚度與外圍順磁材料及逆磁材料的相對位置等部分著手，以提高接收線圈Vp-p，同時降低RX系統的起動電壓。

． 對位

常見對位方式有三種，包含機構、磁吸與感測等方式，但現有對位方式皆有其缺點。 利用機構者，無法在平面物體上對位；利用磁吸者，會影響其他組件(如MEMS、Hold Sensor)，或造成效率降低(如馬達、磁場)；利用感測組件者，原有產品需要額外組件(如光敏電阻)，或材質受到限制。 王世偉建議，可將LC共振結合Ferrite對線圈造成感值變化的特性使其具備對位提示之功能。

． 線圈大小

兩個線圈間的互感量和線圈的面積成正比，所以提高線圈的面積，可以有效提高互感的磁通量，進而提高感應電動勢。 高創在線圈面積差距大的個案中常利用提升感值來改善效率，便是基於法拉第感應電動勢公(Electromagnetic Induction)，唯為了維持Rdc的一致性必需增加導體的截面積。

． 厚度

當Ferrite達到飽和時，導磁率會快速下降，深度飽和時導磁率接近空氣。 而經實務發現，在μ不變的前提下，提高彈性導磁率(μ")，降低粘性導磁率(μ")可以提高效率，然而在現有製程技術中，濕式燒結法難以突破。 基於此，乾式燒結是暫時的必要之法，透過此方法，可以輕易達到μ>1000，但是現有製程有難以降低厚度(必需研磨)、燒結後曲翹(變型)以及研磨及運送過程易碎(良率不佳)等缺點。

． 溫度

由於電路上的限制，必需保持一定的R值(高頻中的電組成分)，加上銅線本身的長度及截面積會產生電阻，磁材也有鐵損，在實務中線圈組常會有溫度產生。

本文來源: 新電子

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