安全测试标准把关 无线充电加速迈向中功率

2014-08-12 13:05:43来源: 新电子
  未来无线充电系统将以更高的功率满足各式应用市场需求,但无论是接收端或发送端装置设计厂商,皆须依循相容性安全测试标准控制收发装置功率、热效应及抗干扰能力,以确保中高功率无线充电系统运作无安全疑虑。

自2008年底创立至今,无线充电联盟(WPC)已经迈入第6年,全球会员数突破两百大关,认证的商品也将近五百项。在无线电力联盟(A4WP)与电力事业联盟(PMA)强劲的追赶与竞争下,无线充电市场热度持续增加,新技术也不断问世,PMA宣布将于2014年中发表正式的装置阵容,联发科更宣告支援多模晶片组技术,2014年的无线充电市场将呈现全新面貌(表1)。

如同电动车须要搭配充电站一样,无线充电也必须是发射端与接收端的系统产业互相配合才能一起前进,如果步伐无法一致,就会产生供需失调的情况。2008年Powermat即推出第一代的配套产品,透过带着通用序列汇流排(USB)介面的接收器与带着变压器的发射器,解决介面搭配的问题,但是一套装置价格超过到新台币4,000元,除价格本身逼近手机价格外,更多的电线与更多的连接介面(USB至接收器、发射器至变压器)也造成使用麻烦(图1),因而在市场上发展牛步。


图1 必须搭配变压器的手机无线充电传输器
面临庞大的行动电源兵团,无线充电系统模式也开始转变,无线充电牙刷的老观念发挥作用,开始有嵌入于行动装置内的二代技术,将装置分离成为终端与发射端的两大专业阵营,取得第一波的爆炸性成长。WPC阵营在2012年会员数开始大幅成长,已超过百家,俨然成为一股不可忽视的势力,但在行动装置竞争日益剧烈的情况下,系统阵营的战争将成为成败关键。

各阵营角力暗潮汹涌

PMA联盟在2012年成军,打着Power 2.0的口号,期待无线充电成为新一代的电力系统,尽管有Google加持并做为行动装置阵营的要角,但这并没有与其他阵营有太大的差别,但另外一个重要创始成员星巴克(Starbucks)的加入,则带来关键差异。

PMA官网说明星巴克在2013年波士顿(Boston)分店中,展示埋入于桌子的无线充电示范系统,这让使用者得以首次摆脱充电线的束缚。无独有偶,丰田汽车(Toyota)也发表内埋于车内的无线充电概念,在2013年末的车展上,Avalon车款将无线充电热点内埋在排档与手煞车间的平坦区。

至于A4WP则尝试利用磁共振技术的长距传输优势,放大发射线圈的尺寸,让接收装置不再须与热点紧密的接触,也采取一机多充的模式,稍微松绑无形的束缚感,但由于主线圈与次线圈设计大小差异过大,虽兼顾使用范围与装置数量,但也不免造成传输效率低落的风险。

WPC也推出大面积多线圈的新设计,透过广布的小型线圈与发射器矩阵,并藉由局限磁通量的设计,达到定位目的,减少传输能量的浪费。

2013年加入PMA阵营的Dupont,则是透过商品名为Corian的人造大理石建材系统,宣称其能够内埋感应器与线圈,达到厨具桌面与地板面材均可做为无线充电基地台的目的(图2)。由宾州大学毕业生所发展的uBeam技术,则号称可以透过天花板提供无线充电的能量来源。


图2 可内含无线充电装置的地板材料
2014年初苹果(Apple)也发表目标传输距离超过3公尺的系统,在合作夥伴的示范影片中,成功地启动充电工作,并可在3公尺的工作范围内自由移动,在网路上所公开的资料中,3公尺长距离的传输有赖于广布的发射线圈与通讯器矩阵,达到定向与提高功率的目标。
无线充电进驻智慧家庭
目前的无线充电系统并没有创造完全不一样的新体验,因此并无法震撼对科技进展大多无感的广大消费群。如果要真正创造无线充电优势,必须从原本就有线或者长期处于有线状态,但是有频繁移动需求却因为电源传输限制而无法任意移动的机电设备下手。这样的设备其实也不少,像办公桌上的笔记型电脑、键盘、滑鼠、电脑显示器、印表机等,都是可能在使用中会移动或常常因为摆设而须要移动的机电设备,这些杂乱的电线不只有美观问题,也有可能因为搬动而拉扯,造成人员行动不便或绊倒,或者老旧断裂甚至产生短路、漏电、过载等起火或触电的危险。

发展成熟的无线充电系统,除能够无线化,同时也因为电能转换效率的要求,透过机器对机器(M2M)的通讯,达到智慧化的目标,让使用者不再须要担心电源带来的危险。经过5年的努力之后,无线充电系统应该要突破行动通讯装置的框架,迈开大步,挥军智慧家庭。

通讯协定/电磁波干扰待解

电磁辐射虽能传送电力,却也一直是无线充电系统的最大挑战。首先是智慧化通讯所产生的问题,接着是电磁波强度造成的问题。用于接受器与发射器间的通讯协定技术一直是无线充电系统阵营间最大的竞争点,WPC1.X版本所采用的频率是100k∼205kHz区间,容易与心律调整器、胎压侦测计等产生干扰,A4WP所采用的是6.78MHz区间,避开了WPC的问题,但6.78MHz也与交换式电源工作频率重叠,PMA目前公开的规格是采用227k∼476kHz的区间,似乎可以避免掉WPC与A4WP的问题,但是据称PMA因为考量到磁共振系统的优势,未来也可能会采用多模模式运作。

然而通讯协定问题并不是最大的问题,因为只要是公开的通讯协定,在现今手机带动的多核心整合技术下都可以达成,除博通(Broadcom)宣告近距离无线通讯(NFC)、调频(FM)、无线区域网路(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)四合一晶片组,联发科也已宣布将生产能够兼容多种模式的晶片组,意味着无论通讯协定再怎么变化,晶片业者都能迎刃而解。

至于电磁波干扰问题,其实来自无线充电的本质,也就是感应电动势的问题。交流电所产生的变动电磁场会对附近的导体产生感应,如果导体线路的投影成为封闭的几何多边形,导体两侧就会产生感应电动势,如果该导体用于电力传输,线路的电压可能就会因此偏移,如果是用于数位讯号传输就会失真。

如果导体并不是线路型式而是面积不可忽略的几何图形,用于散热、电力或通讯线路的接地,那块导体区域也会因涡电流而产生热能,可能造成热点或扩散。电磁炉就是利用变化的电磁场,在金属材料上产生涡电流而达到加热目的,同理,当无线充电发射端产生变化的电磁场时,路径上的金属材料都容易产生涡电流,而接收端的设备一定有金属材料,如果涡电流无法做功,就会以热的形式耗散能量,但是如果针对已经正在运作的电路,涡电流就可能导致线路中电流或电压的增加,进而影响设备,造成不正常运作,甚至导致原本不带电的导体带电而产生触电或火灾的危险。

有鉴于此,WPC提出异物侦测(Foreign Object Detection, FOD)的测试,关注于发射端与接收端间的异物安全,避免导体材料影响电能传输效率,且造成温度上升的危险。

目前行动通讯装置的无线充电功率大多在1瓦(W)左右,而目前消费性电子商品进行的抗电磁干扰测试仅设定为3伏特/公尺(V/m)甚至是1V/m,如果在无线充电传输距离不到1公分的情况下时,无线充电辐射源电场强度高于抗干扰测试设定的强度,则必须提高测试条件与抗干扰防护能力。

如果要再提高充电功率,就必须考虑全面性的导电性屏蔽或超低电介质系数的外壳材料进行电路与装置的防护。必须采用电磁场遮蔽的材料,以保护重要的线路而不受干扰,像是铝箔、铜箔、石墨纤维乃至于银胶或是其他导电材料,可能都是必须采用的防护技术。

迈向中高功率 安全为首要之务

尽管全世界目前还处于通讯协定的争战中,但是在提高功率的挑战上却是采取一致的立场--「安全第一」。在中功率无线电力传输架构下,必须考量到下列几个问题:

.收发装置的功率控制

.电磁辐射对周遭装置的干扰

.收发装置本身抗干扰的能力

.功能性安全,也就是安全本身的可靠程度

.收发装置的热效应问题

.基础设施的电力安全问题

因应无线电力传输的发展,产品安全标准发展及测试认证组织UL也随之进行电气安全的发展工作。UL 2738是全球首部针对小型无线充电设备传输端与接受端的相容性安全测试标准,在2010年10月14日由UL首次提出,并于2011年3月11日生效,能够搭配携带式资讯产品安全标准(IEC/UL 62368)或电源供应设备安全标准(UL 1310/UL 1012),做为一体化电子电机产品的电气安全标准,目前UL 2738能够适用的电源功率可至100伏安(VA)的范围,足够大多数小型电器产品所使用。

尽管目前无线电力传输介面并不需要金属的实体接触,因此少了漏电的危险,也少了连接器脱落的起弧危险,但是由于目前的无线电力传输系统,仍然必须要配合家用的交流主电力系统运作,因此在电力传输侧,仍然有交流降电压的设计,所以传输侧的安全仍然是不可忽视的问题。国际通用标准IEC 60479-1标准,说明了电击危害的模式与限制,一般的所谓安全电流、电压、功率范围(Non-hazardous, Class II)的定义是30VDC Maximum、8A Maximum和100W Maximum,尽管行动电子装置的功率大多小于10瓦
[1] [2]

关键字:安全测试  无线充电

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/0812/article_35938.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
安全测试
无线充电

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved