应用商机不设线无线充电迈向中大功率

2012-10-01 14:03:56来源: 新电子

   

无线充电标准联盟和晶片供应商正全面朝向更高功率发展。除WPC将发布Qi 1.1新版标准外,A4WP及近期新成军的WPT-WG,也已加紧部署新规范;至于控制IC方面,包括飞思卡尔及台湾富达通,皆已推出支援更大输出功率的新产品。
无线充电市场热度直线狂飙。三星(Samsung)、诺基亚(Nokia)相继在旗舰手机导入无线充电功能,并成功吸引市场注意后,让此一技术发展声势高涨。紧接着,平板、PC、工业及汽车等中大功率无线充电方案亦将逐渐崭露头角。未来,无线充电应用不仅在消费性电子市场备受青睐,在其他嵌入式领域也将开始大放异采。  

新联盟成军 无线充电标准大战开打

眼见多元商机成形,除晶片商竞相投入外,各标准联盟也开始积极圈地。继无线充电联盟(WPC)与A4WP(All for Wireless Power)陆续发布标准后,多家美、日科技大厂近期亦组成WPT工作小组(Wireless Power Transmission Working Group),研拟低至高功率的完整规范,让无线充电技术之争愈演愈烈(表1)。  




图1 UL亚洲区谘询事业发展经理陈立闵表示,为防止偷电行为,目前各个无线充电联盟均致力发展新的通讯认证机制。
UL亚洲区谘询事业发展经理陈立闵(图1)表示,WPC的Qi标准着眼于低功率(5瓦以下)的手机充电,因而选用较易量产的磁感应(Inductive)技术。不过,Qi的充电距离局限在5毫米(mm)内,且充电板与手机须对位精准才能完全发挥效率,因而促使业界发展另一套磁共振(Resonance)技术,延长距离至10公分以上。  

今年3月,高通(Qualcomm)、三星、韩国SK电信、恩智浦(NXP)及Powermat即共组A4WP联盟,并以磁共振做为标准发展主轴,抢攻手机无线充电商机。陈立闵分析,A4WP标准系将发射器与接收器的X、Y与Z轴之间的有效感应距离延长,并采用6.78MHz频率,避开电磁相容(EMC)、电磁干扰(EMI)问题。  

与此同时,为避免无线充电装置过热,A4WP也将散热、金属异物侦测(FOD)功能列入标准发展重点;另考量后续无线充电装置广为布建后的付费机制,A4WP亦研拟无线充电与近距离无线通讯(NFC)协同运作方案。  

陈立闵认为,A4WP针对Qi标准弊病逐一改善后,未来发展值得观察。现阶段,高通、三星均宣称将依循A4WP规范,开发新的无线充电晶片或装置,如利用该标准较Qi更宽广的电力覆盖范围,打造类似无线充电桌的概念产品,以提升使用者体验。  

不让WPC与A4WP专美于前,甫于今年6月成军的WPT工作小组,亦集结高通、Fulton、富士通(Fujitsu)、东芝(Toshiba)、索尼(Sony)、乐金(LG)、丰田(Toyota)及Denso等全球四十六家重量级大厂,展开无线充电标准制定。陈立闵强调,WPT工作小组以磁共振技术为基础,将跳脱低功率无线充电范畴,以10瓦以下、10?100瓦、100瓦?1kW及10kW以上应用为技术发展目标,准备在市场上大展身手。  

尽管WPT拥有大量美日半导体、车电及电子产品大厂站台,并规画以单一标准支援低到高功率无线充电,为市场投下一颗震撼弹;然而,目前WPT仅定义中低功率(5?100瓦)和高功率(kW以上)充电效率须分别在40%和90%以上,其他如应用频段、通讯机制、充电距离、电路及线圈设计等规范均尚未成形。  

陈立闵指出,WPT无线充电标准仍须一段时间发展,发布时程可能落后Qi第二代或A4WP规范。预计在2013?2014年WPT才会公布低功率无线充电应用模式,并在2015?2016年进一步揭橥中高功率方案,届时才有机会挑战WPC与A4WP联盟的先占者地位。  

面对A4WP、WPT等新无线充电标准组织争相出头,WPC也加紧部署防御工事,以维持Qi的市场渗透率。据了解,WPC将于今年10月推出新增FOD功能的Qi 1.1版标准;此外,亦紧锣密鼓研拟可支援15瓦的中功率充电规格,预计将在明年问世。  

巩固无线充电市场地位WPC亮出新标准王牌

图2 台湾德国莱因EMC暨通讯服务部专案经理Jan-Willem Vonk指出,异物侦测开发挑战在于接收器发送错误讯息的即时性与正确性。
台湾德国莱因(TUV)EMC暨通讯服务部专案经理Jan-Willem Vonk(图2)表示,WPC正研拟新一代Qi 1.1版规格与测试规范,将于10月在韩国召开的会议中底定。包括检测FOD的量测仪器及软体均将定义完备,并立即升级,助力业者加速推出更安全的Qi 1.1新版无线充电装置。  

Vonk强调,Qi 1.1版首重FOD功能,避免因用户不慎在充电板上放置硬币等金属异物,导致系统发热或过载的情况发生。同时也将改善无线充电接收器传输资讯封包的最小时间周期,一方面在接收器发现金属异物时,立即通报发送器停止送电;另一方面则可因应动态负载变化,迅速发出命令调整功率输出,同步优化系统安全性与运作效率。  

此外,WPC更致力扩充充电功率与范围。Vonk指出,WPC不仅规画在明年发表支援15瓦中功率输出方案,亦开始转攻磁共振技术发展第二代Qi标准,以便延长充电距离至4?5公分,增添用户利用无线充电装置的弹性。至于下一阶段发展计划则将分别锁定30瓦、90瓦及120瓦应用,让更多电子装置具备无线充电功能。  

为促进无线充电装置全面转移至Qi 1.1新版本,WPC为旧版Qi 1.0.3提供的认证服务只到2013年3月,并规定基于Qi 1.0.3规格的产品须在2014年3月后停售。Vonk指出,由于Qi 1.1版品质认证将于今年10月开跑,德国莱因已针对FOD、通讯相关测试需求,快马加鞭改良测试设备与软体;同时,亦将锁定未来Qi支援中功率无线充电的验证模式与技术启动布局,打造完整测试解决方案。  

不仅无线充电标准联盟战火方炽,晶片商亦积极强化无线充电收发器控制IC阵容。  

抢发无线充电财 飞思卡尔强攻参考设计

飞思卡尔(Freescale)近期宣布与Fulton合作,发展支援中低功率的无线充电收发器控制IC方案。现晶片样品已出货,并针对不同应用发布参考设计评估板,减轻系统商产品开发负担。  

图3 飞思卡尔亚太区业务开发经理黄健洲(右)强调,目前飞思卡尔也已具备120瓦无线充电方案,可满足工业设备功率需求。左为飞思卡尔 MCU应用工程师林冠宏
飞思卡尔亚太区业务开发经理黄健洲(图3右)表示,飞思卡尔提供两款支援5瓦和10?30瓦输出功率的收发器控制IC,并携手电子元件代理商--安富利(Avnet),投入开发整合硬体及韧体的系统解决方案,各推出5瓦、30瓦及120瓦参考设计,强攻手机、平板、车内电子产品及工业无线充电市场。  

飞思卡尔5瓦输出方案除已在行动市场上赢得不少客户青睐,亦通过车规认证,正争取与车厂合作开发车内无线充电机制。  

在此同时,飞思卡尔也因应10?30瓦输出方案,为充电功率增加后的安全与通讯机制部署专利。预计明年初专利过关后,正式量产PC、平板专用的无线充电控制IC。黄健洲指出,由于飞思卡尔未将整流器整入晶片中,为系统设计带来更多弹性,可与德州仪器的整合方案形成差异性。  

飞思卡尔微控制器(MCU)应用工程师林冠宏(图3左)补充,为提高无线充电效率,飞思卡尔以16位元数位讯号控制器(DSC)做为发送端的核心;接收端则以8位元MCU为主,搭配12位元类比数位转换器(ADC),以便在减少体积及功耗的前提下,仍具备优异通讯能力,适合内嵌式应用。另外,收发器两端IC已内建FOD演算法,符合未来Qi 1.1版更严格的安全性要求。  

有别于飞思卡尔的发展,台湾晶片商富达通选择不跟进Qi标准,自行设计5瓦收发器控制晶片,并领先Qi阵营量产支援20瓦输出功率的产品,有助催生PC和平板用的中功率无线充电设备。 

 抢推20瓦控制IC 富达通超前Qi阵营

图4 富达通无线充电事业部经理詹其哲认为,异物侦测是提升无线充电安全性的重要技术,富达通已展开相关专利布局。
富达通无线充电事业部经理詹其哲(图4)表示,手机用低功率无线充电控制IC开发商,大多投入Qi标准阵营,并已陆续发布相关方案。富达通为与国际大厂进行区隔,将加重力道推广旗下20瓦无线充电控制IC,抢占笔电、平板无线充电装置先期市场。 

詹其哲透露,该系列晶片近期已大量出货,且富达通已与多家台湾系统整合商展开合作,分头部署笔电、平板无线充电底板;预计终端产品最快将于今年底通过美国联邦通讯委员会(FCC)认证。 

尽管Qi标准系目前业界唯一可遵循的无线充电设计规范,然而,詹其哲强调,其规格本身仍有漏洞及系统结构考量不周之处。因此,富达通毅然决定发展自有架构,除将无线充电控制IC输出功率提升至20瓦,并强化安全性、资讯传输、动态负载下的抗杂讯能力及高效率电路设计,以打造最佳化无线充电装置。 

由于无线充电系统耗损最严重的环节来自整流器(Rectifier)电路,而资讯传输异常则是造成失效主因,故富达通第四代无线充电收发器晶片,分别导入“控制同步整流开关进行资料传输”与“计时同步型资料传输”两项专利,改善系统效率与可靠度。 

前者透过可切换式半桥同步整流电路,让控制IC视供电情况自动开关金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET),促进电流传导、充电目标辨识及功率设定流程更加顺畅,进而减少损耗。至于后者则倚赖IC内部计时器与编程软体,纾解电力动态负载杂讯对系统运作的干扰,让来自接收器的资讯码传送更趋稳定,并缩短资料框架传送周期。 

詹其哲坦言,基于上述专利架构,新款晶片可促进无线充电转换效率达80%,待机状态耗电仅1毫安培(mA),且可调整驱动电压,将最大输出功率拉升至80瓦,扩增产品设计灵活性。此外,该系列晶片除具业界独步的20瓦规格外,亦提供5瓦输出方案,可望通吃低功率智慧型手机,以及笔电、平板装置等中功率无线充电应用市场商机。 

锁定行动市场商机  致伸强攻无线充电背盖

在无线充电装置发展方面,台湾的致伸科技已打响名号,除顺利成为诺基亚Lumia 920新机的无线充电装置供应商外,也接获许多手机无线充电背盖或内嵌式方案的订单。 

图5 致伸研发部资深经理丘宏伟提到,由于Qi的规格定义仍不完备,因此致伸也密切观察其他组织的标准发展动态,并进行研究。
致伸研发部资深经理丘宏伟(图5)表示,致伸系较早投入Qi无线充电装置开发的系统厂,目前已突破设备发热、通讯不良及FOD设计关卡,满足大多数手机品牌厂的安全与功能要求。 

由于NTT DoCoMo已销售十六款手机无线充电产品,并计划要求未来增购的新机种,均须搭载合适的无线充电方案,才能顺利上架;再加上威瑞森(Verizon)也开始要求手机品牌厂须提供无线充电功能,均将刺激低功率无线充电装置需求。 

丘宏伟透露,致伸正积极拉拢行动装置品牌商,推广旗下无线充电背盖解决方案;同时将支援更多元的接收器线圈,包括Qi规格中的A10与A11类线圈,以及采用线圈阵列(Coil Array)方式,可扩大充电感测范围的B类方案,为品牌商增加产品设计弹性。 

丘宏伟说明,大多品牌厂选用背盖式方案先试水温,主要原因在于内嵌无线充电接收器控制IC将加重EMI干扰;特别是Qi标准采用低频96k?205kHz,不仅电力损耗高,且与其他通讯协定重叠,将影响充电效能。所以,目前除诺基亚采用无线充电接收器内嵌式设计外,其他如宏达电、三星等多数业者均先攻背盖方案,再连接手机进行无线充电。 

发展中大功率应用 磁共振技术出头天

下一阶段无线充电方案则将朝中大功率、宽范围迈进,届时,磁共振技术将更具利用价值。 

图6 国立成功大学电机工程学系助理教授杨庆隆表示,无线充电主要分为近场和远场两种类型,由于近场技术较安全,因而率先导入商用。
国立成功大学电机工程学系助理教授杨庆隆(图6)分析,磁感应有其物理极限,只要超过一定距离,便丧失充电能力,且支援大功率的安全问题令人担心。因此,往后建置“无线”智慧家庭、公共设施、工业及电动车无线充电方案,势将引进磁共振技术,以扩展传输功率及距离。 

杨庆隆进一步指出,由于磁共振将能量集中在收发器两端的共振腔体,因而可减少耗损,不致让高达千瓦等级的电动车无线充电浪费过多电力,降低商用价值。迎合市场发展,成大实验室已开发一套距离10公分、转换效率高达80%的磁共振方案,后续更可望扩展1?2公尺传输范围。 

不过,杨庆隆也强调,一旦磁共振充电距离延展至2公尺以上,将带来更艰难的安全挑战。为避免能量穿透发送器与接收器之间的金属物体或人体,造成安全疑虑,包括通讯/阻断机制、使用频率与IC演算法均须改善,距离商用仍有一段路要走。 

事实上,看好中大功率市场前景,各个无线充电标准联盟皆靠拢磁共振技术,并展开规格制定,协助系统开发商打造笔电、电视,甚至是电动车无线充电设备。显而易见,除应用磁感应研发的行动装置无线充电商机已经发酵,新兴磁共振无线充电应用,也将再掀另一股风潮。

关键字:应用商机  无线充电

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2012/1001/article_15805.html
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