由美國麻省理工學院(MIT)獨立出來的WiTricity現任總裁EricGiler,曾在2009年曾於TED發表題為「無線電力技術示範」的精彩演說,展示了如何利用無線電源傳輸技術啟動一部小型電視機──而那是2009年,該技術從那之後持續演進,以下讓我們來看看這個令人驚嘆的技術領域,能為設計工程師帶來什麼樣的新機會。

最近,我與宜普電源轉換公司(EPC)應用工程副總裁Michael de Rooij討論關於無線電源在2017年的挑戰和機會;我選擇與de Rooij討論這個議題,除了因為EPC是氮化鎵(GaN)功率元件的領導供應商,該公司也能為設計工程師們提供包括開發板、參考設計以及教育性的支援,包括de Rooij撰寫的《無線電源手冊(Handbook for Wireless Power)》。

EPC在1月初舉行的年度國際消費性電子展(CES 2017)上,展示了一部43吋平面HDTV,那台電視能隔著一道石膏板牆,藉由無線電源取得電力;在2017年,你將會看到EPC為業界帶來更先進的無線電源相關解決方案,超越2009年Giler所展示的技術。

支援更長傳輸距離的無線電源

我詢問de Rooij有關目前無線充電方案支援更長傳輸距離、更高效率時會遭遇的限制,以及其可能性;我們如何讓這種電力傳輸技術的效率達到所有消費者都能接受的水準?氮化鎵功率元件(如EPC的eGaN技術)如何能繼續協助推動無線電源技術的進展?

de Rooij首先提到在線圈(coil)設計方面的限制;根據經驗法則,目前若線圈是7吋以上的直徑,性能就會下降;此外每一組線圈的品質因數(Q)和線圈之間的耦合係數(k)都會影響長距離的無線充電效率,發射與接收線圈的尺寸和幾何形狀各自都會大幅影響Q和k的數值。圖1是無線電源傳輸的基本原理。

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圖1 無線電源傳輸的基本原理。(圖片來源:Würth Elektronik)



de Rooij提到,無線電源傳輸的電磁場(E-field)方法雖然有技術上的問題,但是可以長距離傳輸電力──這方面可能還有部份一般會顧慮到的問題,包括產生臭氧(ozone)還有與生物性等其他物質產生交互作用);這種充電方法可能更適用能懸浮在充電板上的裝置,如無人機。

電場耦合技術最直接的展現,是在源極(source)和負載(load)之間採用平行板電容器(parallel plate capacitor),輸入阻抗需與之匹配,才能實現高效率電源傳輸;也就是說,有一片板子是放在待充電的無人機底部,另一片就是在充電板上(如圖2)。

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圖2 (a)無線電源傳輸電場耦合架構;(b)電路模型。(圖片來源:https://goo.gl/HRZf11)



以磁共振耦合(magnetic resonant coupling)技術對空中懸浮的無人機進行充電也是不錯的替代方案,如圖 3所示,該充電板的線圈採用方形設計,無人機上的接收線圈調整為適合支援著陸(landing),使發射和接收線圈之間的距離縮至最短,約只有幾公釐(mm),因此使線圈之間的耦合因數得以最大化。

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圖3 以磁共振耦合線圈為懸浮的無人機進行無線充電。(圖片來源:https://goo.gl/HRZf11)



無線電源傳輸線圈技術的現在與未來發展

de Rooij表示,無線充電解決方案供應商NuCurrent目前正在開發效率更高的無線充電線圈;Nucurrent號稱該公司目前的無線電源「天線」效率高於市面上任何印刷天線/線圈/共振器,其採用Qi/PMA頻率(~200KHz)的設計通常可達到高20%以上的效率,採用A4WP頻率(6.78MHz)或NFC頻率(13.56MHz)的設計則可達到高60%的效率。

若將無線電源傳輸線圈嵌入地磚中,有助於電場的分佈,並可能因此略為拉長電源傳輸距離;但更重要的是,這樣就可以大幅擴增收集電力的範圍──相較於單一線圈的設計,在相同的覆蓋範圍下,這是一個效率更高的解決方案。

而EPC在CES 2017展示的那台無線供電HDTV,是我到目前為止見過最厲害的無線電源傳輸應用;此外咖啡連鎖店Starbucks現在也有某些門市在店內座位提供無線充電裝置,讓顧客能為智慧型手機充電,如果你的手機沒有內建無線充電功能,他們還可以賣轉接器給你(如圖4)。

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圖4 Powermat的無線充電解決方案已經獲得Starbucks等業者採用。(圖片來源:Powermat)



EPC是如何為HDTV提供無線電源的?該公司是選用一台43吋VizioD43-D1高畫質電視,其最高功率經測試為85W;先前有一些測試是採用功率較低的20吋電視。

電視機是採用基於單位功率因數的交流電(AC),因此電源所提供的所有能量,都是透過負載消耗;而因為電視機電子元件需要直流電(DC)電源,不需要所有AC整流器、大型電解電容器及橋式二極體,啟動電視機所需電力低於5W;當電視機所需電力較低,無線電源傳輸發射器即可進一步節流。

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圖5 能穿透一片標準規格石膏板隔間牆為HDTV無線供電的無線電源傳輸設計架構。(圖片來源:EPC)



EPC的CES展示之設計電路圖如圖6,設計師採用差分ZVSD類放大器來驅動發射線圈(注意:差分架構,尤其是頻率範圍在300MHz以上,可以在單端設計改善EMI;在差分設計中,相同的接地負載功率,有一半的電壓在放大器的輸出轉換);不過本案例只在高度共振的6.78MHz ISM頻段傳輸功率,而且與傳統MOSFET功率元件相較,EPC採用的eGaN FET展現了更卓越性能。

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圖6 EPC在CES 2017展示之HDTV無線供電方案電路圖。(圖片來源:EPC)



消費者當然會希望他們的電視機未來可以完全「無線」,如此一來他們就能更容易地把電視機掛在牆上,或隨心所欲擺放在任何位置;而除了電視機,無線電源傳輸應用也能延伸至其他實際上只需要DC功率的白色家電和AC設備。

無線電源傳輸可望實現更便利的日常生活

採用無線電源傳輸技術的無人機,對Amazon、UPS及Federal Express等物流業者來說會非常有用,他們都在考慮利用無人機送貨。

在醫療應用方面,目前採用穿透皮膚之電源線的植入式裝置,可利用無線電源傳輸技術降低患者受感染的機會,神經刺激器、心臟輔助幫浦等是首選應用;心律調整器以及脊髓、神經刺激器都有望在某一天,能於患者睡覺時透過4~5英呎距離的電源進行充電。

從患者端接收訊號的線圈數量可以增加,以利用無線電源傳輸技術取得更高品質的MRI成像,同時降低成本、免除電源線的使用並降低使用無線電源傳輸技術的複雜性。

酒吧、咖啡廳及機場則可將無線電源傳輸設備應用於下一代的各種傢俱、桌子設計中;如此一來,所有的牆壁、地板與裝潢可以減少電源插座數量,甚至可以完全不要插座。

汽車內部搭載的電纜不但昂貴、笨重也可能不可靠,而無線電源傳輸技術可以為車用照明、音響、電話等設備供電,也能支援電動車充電、啟動雷達及光達等裝置,讓汽車內更多電子裝置擺脫銅線的羈絆;無線充電也能應用於汽車座椅、車門及行李箱等區域,以模組化方案取代客製化設計架構,簡化汽車製造流程。

此外,無線電源傳輸還能預防由危險的電源火花導致之爆炸、火災,特別是在加油站、水下,或是滿氧氣的空間,海濱住宅/設施,以及糧倉等充滿粉塵的環境。

有一天,高壓電纜線可能會完全消失,被日常生活無所不在的高壓無線電源傳輸技術替代;de Rooij也透露,在今年將可看到更多關於無線電源傳輸技術的創新成果,電子及電力系統的設計終將憑藉這種令人驚嘆的新興技術而被永遠改變。