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。

20170308TA01P1
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)。

20170308TA01P2
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。

20170308TA01P3
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)。

20170308TA01P4
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。

...繼續閱讀請連結EDN Taiwan網站