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IDT Wireless Power 無線充電產品介紹(Inductive)

 2012-05-09

為何無線電源在未來幾年會成長快速且無所不在?

作者:Manjit Singh,產品定義師

Integrated Device Technology

 

簡介

處在今天這個資訊娛樂時代,手持式行動產品(例如智慧型手機、平板電腦、電子書閱讀器、行動上網裝置等等)都是使用儲存在電池裡的電力來維持運作,在這種高頻率使用下,每半天就要充電已經不是想到才充,而變成是必要的。在過去的時代,一個完全充飽電的行動裝置將可以持續數天之久。現在,使用影音串流、高解析度遊戲、全球定位系統以及經常瀏覽網頁的比例,已經超越過去幾年電池能量增加的密度,甚至有沒有進步都還令人懷疑。整天拖著這些電源適配器是不切實際且不方便的。這些電源適配器總是體積龐大、且時常有著專用的轉接頭。平均來說,一個四口之家在搭乘國內航線時,會攜帶大約七個行動產品。平心而論,帶著七個不同的電源適配器是一種負擔,更不用提到處理不同的電壓以及在不同的國家、地區有著不同的插頭這類令人煩心的事。對那些有著雪亮眼睛且致力於追求美觀及令人愉悅氛圍的消費者而言,電源適配器最終會成為一個難看且令人討厭的產品。

圖1:各種不同的電源配適器及各國轉接插頭

 

一個普通消費者的願望:在任何時間、地點都能無線充電

理想地說,消費者應該可以在沒有電源適配器及專用接頭的負擔下,在任何時候、任意地點為行動裝置充電。舉例來說,在家中、汽車裡,以及像是機場、咖啡廳、辦公室、會議室以及數不清的其他公共場所,都應該有一個通用的充電平台。在消費者一天的活動中,他應該要能在他所到的任意地點,例如在車裡、辦公室裡、會議室裡、餐廳裡以及其他的公共場所裡,為他的行動裝置充電。任何一個有平坦的表面的地方都可以拿來充電。

圖2:一個無線電源充電平板可以隨時隨地支援各種行動裝置

 

為何要使用無線充電?

無線電源充電並不完全是新的概念,早在19世紀尼古拉特斯拉(Nikola Tesla)便對此深深著迷。然而,他對無線電源充電技術的想法超越了他所處的時代。在最近這幾年,一些像是用感應方式充電的電動牙刷,以及在售後市場針對行動電話推出透過保護套及背貼,搭配相對應的充電平板來進行無線電源充電的消費性產品,雖然激起了消費者的興趣,但是無法捕捉到消費者的想像力,使得這些產品無法大規模的普及。消費者為何對這些售後市場的無線電源充電方案反應不熱烈,原因有很多,像是成本、缺乏普遍性、安全考量以及缺乏通用的支援生態系統等,這些都是使無線電源充電技術無法越來越普及的一些障礙。時至今日,適合無線電源充電技術的應用環境已經成熟了,因為所有因應無線充電的基本條件以及催化劑都已經準備好了,即將打破長久以來被電源適配器所束縛的現狀。回顧近年來無線電源技術的演進歷史,將幫助我們得以更好的展望這項技術,也就是你我在未來都離不開的無線電源技術。

 

過去的無線電源技術

對行動裝置具體來說,售後市場的配件供應商是首先將無線電源充電技術帶到檯面上的推手。有些供應商比其他廠商來的成功,並且產生了不同程度的差異。例如,據說Powermat已經獲得了大部分目前的市場佔有率-「磁感應技術最成功的擁護者是來自於密西根的Powermat公司,這是一家成立於2009年的公司,他們在2009年的無線充電市場,獲得62%的市場佔有率」,整個銷售數量依然很低1。售後市場上的無線充電解決方案主要來自Powermat、Palm及Brookstone ,見下圖3:

圖3:由左至右分別是Powermat、Palm及Brookstone的無線電源充電器

 

這些都是針對特定行動裝置所專用的解決方案,某一供應商的配件並無法應用在另一個供應商上。配件多樣化下,最主要的障礙就是缺乏普遍性。因為這些配件是售後市場的產品,所以他們總是使用分離式解決方案,如下:

圖4:Brookstone公司的充電基座及行動保護套

 

可以看出這一代針對售後市場的無線電源充電產品是由分離式的解決方案所構成的,這樣的方案需要好幾個IC以及更多的主動及被動元件。此外,每一個解決方案都有一個獨特的線圈、外型及專用的方法來傳遞電源。所以這些無線電源解決方案,對消費者而言,先天上就有成本昂貴的劣勢。某些這種充電平板售價高達79-99美元,而搭配的行動電話保護套及背貼則每一個要價將近39美元。如此高檔售價,使得這些產品變成消費者在聖誕節和新年才會購買的新穎產品。此外,行動裝置近年來的市場趨勢朝向輕薄、光滑流線的造型,而大多數的行動電話保護套及背貼的體積太大,這些附加到行動裝置上的重量,使得該產品變得較不具吸引力。

 

現在的無線電源技術

無線充電聯盟(WPC)所制訂的統一標準規格:「Qi」,已經被超過100家以上的工業會員所廣泛採用。在Qi標準開始啟用之後,來自不同供應商的配件就可以對任何掛有Qi標準認證的裝置進行充電。WPC成立的宗旨是為了協助推動在不同的無線電源充電解決方案之間的共通性,並加速各界更廣泛的採用這個技術。如下所示,像是Energizer的背貼及充電基座的這類售後市場產品,是最先取得Qi相容認證的解決方案。

圖5:Energizer的無線充電平板(左)及iPhone保護套(右)

 

第一個取得Qi相容認證的無線電源充電解決方案依然是分離式的解決方案。無線充電平板及iPhone保護套個別的售價大約為79美金及39美金。雖然以有著Qi標誌來達成的普遍性的目標,是正確方向的一步,但是過高的成本以及乏善可陳的美觀性,則是兩個主要的障礙。這種分離式解決方案的充電平板,因為成本較高,所以OEM廠商並不願意提供這些來做為標準的配件。並且,消費者對於這些體積龐大的無線充電保護套的概念,還是會有某種程度的抗拒心理。

 

未來的無線電源技術

根據市場研究公司iSuppli的預測,到2014年無線電源充電的解決方案回有70倍的成長,如下所示1

圖6:無線電源充電解決方案的市場成長預測

 

Qi標準開始被廣泛的採用,再加上智慧型手機及平板電腦普及的現象,可以在任何時間、地點對無線充電的需求大幅增長,這也意味著無線充電技術在它的發展路途上,如果能夠滿足以下的要求,便將會慢慢變成市場主流且同時普及:

  • 成本效益
  • 中性或無形的美觀
  • 對消費者的安全
  • 普遍存在的支援生態系統

上述每一個要求都值得有一些解釋。無線電源充電接收器解決方案的成本效益,是讓它能被整合到行動電話中的最基本要素。並且,一個低成本的發射器解決方案最終將能鼓勵電信業者(如:AT&T, Verizon, Sprint)以及OEM廠商(如:Samsung, LG, Nokia等) 來把充電平板做為標準配備,而不僅是讓它們做為售後市場中的新產品而已。一旦消費者體驗過做為標準配件的充電平板後,他們將會期望行動電話需要有內建的無線充電能力。只有在透過這樣初步的引介無線電源充電到家庭後,消費者才能感受到提供無線電源充電系統友善的服務和場所(航線、旅館、咖啡廳、餐廳、家俱等等)的好處。

 

在行動電話內建無線充電功能與渴望智慧型手機更輕薄、更光滑的想法,正透過設計將兩者整合在一起。由於售後市場背貼及保護套的設計是與行動電話的設計趨勢背道而馳,而使它們僅能得到有限的成功。顧客不會想要為了交換無線充電功能,而受到額外重量跟尺寸的懲罰。最佳的無線充電選項就是讓使用者察覺不到。對於高端智慧型手機使用者而言,售後市場無線充電保護套只是暫時性的解決方案。

 

無線充電是相當新的技術。它是受到一部份消費者對於安全考量訴求所限制。一般來說,電磁輻射及安全性是有著至高無上的重要性。因此無線技術必須去除任何及所有與消費者安全有關的疑慮。同樣重要的是,必須允許消費者把金屬物體放在充電平板上,而不會造成任何危險性(高溫或是電擊)、或不必冒險暴露在不安全的情況下。

 

最後,圍繞著這個技術所建立的健全生態系統將會是促使無線電源充電技術成為主流的關鍵因素。一家咖啡廳如果廣告他們對顧客提供食品點心以及使用無線電源充電技術來對他們的行動裝置提供「電源點心」的話,勢必會吸引顧客的注意力。然而,建構一個支援及永續發展無線充電的生態系統,端視充電平板的成本而定。例如,銷售單價在100美金以下的家具或是燈飾的供應商,是無法負擔安裝一個79美元的充電平板的。

 

IDTP9030:業界第一個單晶片、低成本的發射器晶片組

IDTP9030是業界第一個單晶片、低成本的發射器晶片組,而且能夠符合所有被認為是讓無線電源充電技術普及的必要條件。以下用來說明的是一個典型的應用圖,它構成一個完整功能的發射器(TX-A1磁性導引型)。

圖7:IDTP9030發射晶片組應用圖

 

因為有著高度的整合,所以使用IDTP9030所構成的發射器,它的成本比市場上使用分離式元件成本的三分之一還低。使用IDTP9030所構成的發射器TX-A1所以需要使用到的元件總數大約是30個,其中包括了IC,而與其典型的類似解決方案,則需要使用到超過90個以上的元件,其中包括了9個IC。像這樣成本過高的分離式發射器方案,也是OEM廠商為何不願意考慮把這種無線電源充電平板納入標準配件的主要原因之一。以IDTP9030為基礎的低成本解決方案,則較有可能讓OEM廠商去考慮開始提供無線充電平板來搭配高端行動電話,之後再同樣導入到搭配功能手機。

圖8:IDT無線電源接收器和發射器結構設計

 

IDTP9030配備多層外物偵測(Foreign Object Detection, FOD)功能,以確保消費者可將金屬物品安心放置在充電平板上,且絕對不會產生危險,例如磁場導致金屬過熱等。多層外物偵測法能涵蓋和偵測到所有的情況,包括在放置手機前,已有金屬物品先被放置在該處;手機背面黏有金屬物體;以及進行充電時,手機和充電平板之間有金屬物體間隔等。

 

最後,隨著IDTP9030能實現低成本及體積更小的發射器,以無線電源充電技術為中心的健全生態系統也可望有所發展。傢俱供應商及其他業者開始著手將無線充電平板設計整合至消費性產品中,例如桌子及燈具等,並將它們安裝在會議室、機場、候車室等公共場所中。再者,汽車工業對於將無線充電平板整合進汽車內部也有高度興趣,因為這能讓充電線消失不見。

 

總而言之,無線充電技術已經準備好了。在接下來的幾年間,預期會有許多產品(手機、遊戲機、電池組)都會開始內建無線電源充電技術。此外,市場還會擴及將充電平板放進傢俱及各個公共場所中,例如機場、咖啡店、餐廳、公共區域、辦公室及會議室等。

 

 

參考資料

http://www.isuppli.com/Mobile-and-Wireless-Communications/News/Pages/Wireless-Charging-Market-Set-to-Expand-by-Factor-of-Nearly-70-by-2014.aspx

作者簡介

Manjit Singh擁有聖荷西州立大學的電子工程碩士學位(MSEE),以及加州大學戴維斯分校的電子工程學士學位(BSEE)。他目前於Integrated Device Technology (IDT)擔任產品定義師(product definer)一職。在加入IDT 之前,他曾於國家半導體(National Semiconductor)擔任系統設計資深工程師。若想聯繫他,請寫信至Manjit.Singh@idt.com