隨著無(wú)線(xiàn)充電應(yīng)用日益普及，消費(fèi)者對(duì)無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品的充電效率要求也愈來(lái)愈高，因此設(shè)計(jì)人員須采用可靠且高效能的無(wú)線(xiàn)充電晶片，并改良線(xiàn)圈設(shè)計(jì)，提高線(xiàn)圈耦合效率，才能進(jìn)一步加快充電速度，同時(shí)兼顧產(chǎn)品安全。

無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)并非新應(yīng)用，早在2008年以前就已經(jīng)有大量的產(chǎn)品使用類(lèi)似的功能，例如電動(dòng)牙刷、刮胡刀、滑鼠與PHS手機(jī)等應(yīng)用。不過(guò)，由于充電效能及安全 性等問(wèn)題，當(dāng)時(shí)一直無(wú)法有效推廣。時(shí)至今日，在電力電子控制晶片改良及標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟帶領(lǐng)下，無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)無(wú)論是高功率、高頻帶與異物偵測(cè)等問(wèn)題，皆已獲得更好 的效能、安全性及通用性。

眼下無(wú)線(xiàn)充電應(yīng)用的瓶頸，主要落在發(fā)送器(Tx)與接收器(Rx)間的損失，而線(xiàn)圈間的適配性及磁性材料特性的提升，更扮演著舉足輕重的角色。本文將羅列影響線(xiàn)圈傳遞損失的因子及其控制方式，希望有助于工程師在設(shè)計(jì)時(shí)參考。

精算距離與諧振頻率　線(xiàn)圈損耗大幅降低

在現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)充電功能模組中(圖1)，工程師如果簡(jiǎn)單的切分為T(mén)x、發(fā)射端線(xiàn)圈及Rx與接收端線(xiàn)圈，并將其功率損失定義為Wt、Wc與Wr，則總損失為Wtotal=Wt×Wc×Wr，如此一來(lái)發(fā)射端線(xiàn)圈及接收端線(xiàn)圈之間的傳遞損失則為總損失之乘數(shù)。

圖1　無(wú)線(xiàn)充電功能模組

在線(xiàn)圈廠(chǎng)內(nèi)部實(shí)驗(yàn)的控制下，當(dāng)所有參數(shù)完全相同時(shí)，線(xiàn)圈距離確實(shí)是效率最重要的因素之一，但是并非愈近愈好。理論上，線(xiàn)圈距離愈遠(yuǎn)，充電的效率愈差，主要是因?yàn)榫嚯x愈遠(yuǎn)，磁通密度會(huì)下降，接收端線(xiàn)圈能感應(yīng)到的磁通亦隨之下降。

基于此一理論，我們可推測(cè)線(xiàn)圈距離愈近，效率就愈佳。然而，從線(xiàn)圈廠(chǎng)的實(shí)驗(yàn)中可觀(guān)察到，接收端線(xiàn)圈近到某個(gè)距離點(diǎn)后，效率不升反降，這個(gè)現(xiàn)象其實(shí)是歸因于諧 振頻率偏移所造成。因?yàn)榫嚯x的關(guān)系，使得Rx端鐵素體(Ferrite)接近Tx線(xiàn)圈時(shí)，會(huì)引起Tx線(xiàn)圈感值上升的現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象導(dǎo)致諧振頻率偏移，進(jìn)而 造成充電效率會(huì)反轉(zhuǎn)下降，如果將距離及充電效率畫(huà)成曲線(xiàn)，實(shí)務(wù)上的情況會(huì)接近圖2。

圖2　距離與效率間的關(guān)系

基于線(xiàn)圈與效率之間的現(xiàn)象，工程師在設(shè)計(jì)終端產(chǎn)品時(shí)，如何確保不同材質(zhì)Rx Ferrite耦合所產(chǎn)生的諧振頻率偏移，耦合電容的容值應(yīng)該要如何匹配，會(huì)是一個(gè)惱人的困擾。

當(dāng) 工程師進(jìn)一步研究諧振頻率時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)線(xiàn)圈的圈數(shù)愈高，諧振頻率分離的現(xiàn)象愈早發(fā)生。從法拉第定律(公式1)推論，可能是由于較多的線(xiàn)圈切割來(lái)自Rx Ferrite所改變的磁力線(xiàn)，進(jìn)而產(chǎn)生較多的感應(yīng)勢(shì)所造成的現(xiàn)象。如此看來(lái)，在實(shí)務(wù)的線(xiàn)圈設(shè)計(jì)上如何使線(xiàn)圈圈數(shù)降低，將會(huì)直接影響線(xiàn)圈的無(wú)線(xiàn)充電距離。



線(xiàn)圈面積與形狀至關(guān)重要
在實(shí)務(wù)上的無(wú)線(xiàn)充電應(yīng)用產(chǎn)品中，多數(shù)會(huì)將Rx設(shè)計(jì)在強(qiáng)調(diào)輕薄短小的手持式設(shè)備上。然而，經(jīng)由紐曼公式(公式2)可得知，兩個(gè)線(xiàn)圈間的互感量和線(xiàn)圈的面積成正比，所以提高線(xiàn)圈的面積，可有效提高互感的磁通量，進(jìn)而提升電感式技術(shù)的效能。



所以，在維持其他條件的前提下，如何在終端產(chǎn)品中，置入最大面積的Rx線(xiàn)圈將會(huì)是所有工程師的考驗(yàn)，而對(duì)線(xiàn)圈供應(yīng)商的直接挑戰(zhàn)則是當(dāng)客戶(hù)設(shè)計(jì)的線(xiàn)圈為了追求最大面積時(shí)，外型并非傳統(tǒng)的方形或圓形時(shí)，如何進(jìn)行有效的量產(chǎn)。

然而，在線(xiàn)圈廠(chǎng)的研究中也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)除面積外的變數(shù)--形狀。在早期的無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研究中，開(kāi)發(fā)人員很早就發(fā)現(xiàn)Tx與Rx的形狀如果一致，效率會(huì)達(dá)到最 高，但是也同時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)致命的缺點(diǎn)，即對(duì)于位移的耐受度很差，這對(duì)于強(qiáng)調(diào)使用者經(jīng)驗(yàn)的品牌客戶(hù)來(lái)說(shuō)會(huì)是很大的困擾。另外，相同面積的線(xiàn)圈組，方形和圓形的 效果從理論上看來(lái)應(yīng)該是相同，然而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻存在些微差異。基于這個(gè)差異，若進(jìn)一步討論形狀的特性，可發(fā)現(xiàn)方形線(xiàn)圈的角落處可能造成磁力線(xiàn)分布不均的問(wèn) 題，這在設(shè)計(jì)上是值得注意的現(xiàn)象。

直至近期的研究，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)的累積，現(xiàn)今線(xiàn)圈廠(chǎng)才逐步掌握形狀和效率間的關(guān)系，但如果再把頻率的因素考量進(jìn)來(lái)，尚無(wú)法有效歸納，這部分的研究則期待產(chǎn)業(yè)界持續(xù)投入研發(fā)。

影響無(wú)線(xiàn)充電效率　線(xiàn)圈相對(duì)角度成新變數(shù)

在討論線(xiàn)圈間的角度前，我們要先了解磁感應(yīng)和磁共振在技術(shù)本質(zhì)上的差異。當(dāng)前市場(chǎng)上的兩大陣營(yíng)中無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(WPC)與電力事業(yè)聯(lián)盟(PMA)使用的是 磁感應(yīng)技術(shù)，這個(gè)技術(shù)由于使用的能量載體是由磁通變化而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)變化，所以距離必然受到發(fā)射端線(xiàn)圈的尺寸限制，再加上聯(lián)盟內(nèi)基于通用性的考量，發(fā)射端 線(xiàn)圈尺寸會(huì)受到控制，也因此距離無(wú)法藉由發(fā)射端線(xiàn)圈放大而提升。在這個(gè)先天條件的限制下，磁感應(yīng)技術(shù)的線(xiàn)圈設(shè)計(jì)，以平行放置為主。

反觀(guān)A4WP陣營(yíng)中使用的是磁共振技術(shù)，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，主要是用漸逝場(chǎng)(Evanescent Tail)做為能量載體，所以Rx只要在共振腔內(nèi)接收到微量符合共振頻率的電磁波，就可以利用共振現(xiàn)象來(lái)放大使用，所以這個(gè)技術(shù)的Rx線(xiàn)圈在設(shè)計(jì)上有相當(dāng)大的空間。

開(kāi)發(fā)人員在線(xiàn)圈廠(chǎng)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)到，不同的線(xiàn)圈相對(duì)角度會(huì)得到不同的K值，相同的線(xiàn)圈相對(duì)角度在不同的距離也會(huì)得到不同的K值，但變化量較小，唯一可以確定的是，接收端垂直于發(fā)射端，幾乎是收不到。

成本與效能難以兼得　隔離材料挑戰(zhàn)仍待突破

線(xiàn)圈除用來(lái)接收能量外，還有另一個(gè)重要的工作，即把磁通隔絕避免影響緊貼在線(xiàn)圈后的設(shè)備之電路正常運(yùn)作，也因此線(xiàn)圈后的隔離材料，是目前線(xiàn)圈組件上的另一個(gè)核心技術(shù)，也是考量產(chǎn)品安全性的重要零件，目前在市場(chǎng)上可見(jiàn)的產(chǎn)品主要有燒結(jié)式及疊合式兩種類(lèi)型(表1)。

首先，疊合式的產(chǎn)品受到制程的必然因素，在產(chǎn)品的u 值上很難超過(guò)200這個(gè)天險(xiǎn)，而且u 也相對(duì)難以控制，所以在圈數(shù)上的劣勢(shì)非常明顯，不過(guò)相對(duì)于燒結(jié)式的高成本，疊合式的隔離材料還是有一定的客戶(hù)群。

反觀(guān)燒結(jié)式，目前有干式與濕式兩種生產(chǎn)方式，干式制程受限于燒結(jié)變形及剛度不足，所以在薄型化的過(guò)程受到限制；而濕式制程則因?yàn)檎{(diào)漿的過(guò)程必需的填加物，使得產(chǎn)品在u 值上雖比疊合式高，但是也有其限制。

目前在線(xiàn)圈的開(kāi)發(fā)實(shí)務(wù)上還有許多非理想效應(yīng)，如電流的集膚效應(yīng)、線(xiàn)圈間的互感效應(yīng)、近接效應(yīng)、磁渦流損耗、銅損耗等，這些實(shí)務(wù)上線(xiàn)圈的變異都會(huì)劇烈影響電子 電路上的設(shè)計(jì)考量，需要EE-RD、IC-FAE、Coil-FAE三者緊密配合，才能在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中減少不必要的錯(cuò)誤，而帶來(lái)高效的產(chǎn)品。