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淺談無線充電

2018-09-22

黃啓芳 教授

大同大學通訊所


前言

自從手機來到我們的生活,讓我們脫離了室內電話的束縛,隨時可邊走邊談,無線上網讓我們隨手觸及到全世界。自由地被解放後,人類似乎是更盼望,一切都要「無」線。而在每人家中,看煩了處處都圍繞的電源線時,當然也恨不得,這些電源線最好都能消失,但「電」最好是有如空氣一樣,那邊須要,那邊有 。科技的發展,讓我們手握大權地擁有高性能的移動裝置,經過無線網路,人可以一手撐天,可以擷取任何資訊,可以遠端控制其它裝置。但也因為這樣,「高性能的移動裝置」卻常常一失去電能,就有如廢物。所以,這些裝置隨時都要充電。每個家庭,晚間家人一回到家中,為行動裝置充電,變成一固定行為了。也因如此,家中便到處都是充電線,非常煩人。「無線充電」的渴望,便油然而生。

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

圖1 Nikola Tesla 「電磁能量無線傳輸」之實驗。

「無線充電」以技術來說,應是「電磁能量無線傳輸」,也就是電磁能量以「無連線」的方式傳達。其實在我們四周的無線通訊,例如您的手機與基地台之間,根據 Poynting Theorem [1],本來兩者就一直在互相傳遞電磁能量,所以情況適當的話,該電磁能量是可以”抓下來”做使用的。讀者開車在高速公路上時,沿路在收費的ETC使用的RFID標籤(Tag)[2] ,即是用掛於上方的讀卡機所射過來的UHF電磁波,轉成電能做使用,再將數據傳回讀卡機(Reader)。這類RFID標籤我們稱之為「被動型」,本身是不具有電池能源的。所以「電磁能量無線傳輸」已是一成熟科技。只是我們一般的「電磁能量無線傳輸」想法是,要得更多、要得更大的能量。 大能量的大距離「電磁能量無線傳輸」之想法,起源于特斯拉(Nikola Tesla) 1899 的實驗(見圖1)[3][4]。

圖2 Raytheon’s Spencer Laboratory 1963 之微波傳電實驗。

不過比較實務的「電磁能量無線傳輸」之科技,則要到1958 與1977分別開始的兩個時期在美國的研發工作 [4]。1963 五月,美國 Raytheon’s Spencer Laboratory 以100W 的微波做傳輸,見圖2,達到前後DC-DC 13% 的傳輸效率。這是科技史,第一個可用的「電磁能量無線傳輸」之系統。不過,這類以微波做傳輸的計畫,後來都叫停,主要是微波安全的考慮。另一類是以廣大面積(如整個山谷)做接收,不涉微波安全的傳輸,近年來倒又受到注意,考慮再發展[5]。 

 

圖3 PHS 手機充電器。

由以上歷史回顧可知,大能量「電磁能量無線傳輸」以長距離的方式做設計,一直只是概念性的想法而已,目前工業上,我們要關心的是,如何去掉滿山滿谷的移動裝置之電源線?造成環保浩劫的近代消費性產品之充電線,起因於廠商產品的充電電壓與充電連接器互異,無法統一規格所致。也因此產業有了「無線充電」之想法,希望去掉利益既得者對電壓與連接器之堅持。但是從電源到需求端,到底是那一段會無線?一般人盼望的,大概是「什麼都看不到」的理想概念。但事實還是不是那麼讓人滿意。

         

圖4 智慧型手機充電器。

 

「無線充電」絕非是新概念,關鍵是那一段「無線」!一般人都看過「電動牙刷」,牙刷本身與電源就是「無線」的,以方便刷牙時使用。1961 GE 就發明了無線(Cordless)牙刷[7],當時是考慮到,在浴室刷牙時,要是口腔內牙刷直接連著牆壁交流電源,這太危險了。民國90年代風靡台灣的PHS行動通訊系統,其手機J88也是使用「無線」充電(見圖3)。基本上,這些設計應稱呼為「無金屬接觸(Contactless)」充電,電磁能源沒有經過金屬端子饋入裝置中,AC電源線還是存在的。圖四是近代智慧型手機的「無線充電」設計,使用者還是要隨身帶著那個附AC電源線的充電台(Charging Box),不見得方便,這也是手機的「無線充電」概念不易推廣的原因。

手機的「無線充電」,由圖3與圖4可了解,充電台與待充電裝置是緊貼的,所以這不是前述那種靠輻射(Radiation)概念做「電磁能量無線傳輸」的,而是在電磁學上,稱之為磁場耦合(Magnetic Coupling)原理[1]。

無線充電之電磁原理

電磁感應無線充電所根基的原理是電磁學中的安培定律(Ampére’s Law)與法拉第原理(Faraday’s Law)[1]。安培定律

(1)

 

其中,是磁力線密度向量(磁場),單位是高斯(Gauss 或 Tesla; 1 Tesla = 10,000 Gauss); 是電流密度向量,單位是;是空氣中的導磁係數(Permeability)。上式亦可解釋,電流與其在空間產生的磁力線 (Magnetic Flux, 單位: Weber)之關係。安培定律(1)式其最簡單的物理現象是圖5中所呈現的,即一條通有電流I之金屬線,在其週遭會產生迴旋狀之磁場。與 之方向關係可由右手定則決定之,即是大拇指方向,其它捲曲的四指就是的方向。

   

圖5

圖6

另一方面,假如是將通有電流之金屬導線捲曲如圖六所示,所產生之磁場也可以右手定則成為如圖6所示。

                                                                                                                                  

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

圖7

 

相反地,有一線圈C如圖7所示,假如有一時變(Time-varying)磁場穿過其中,則根據法拉第定律(Faraday’s Law),

(2)

(2)式的物理意義即是,時變的磁力線,會在線圈C中,感應出一電動勢。的極性由的變化方向來決定,而假如是一交流磁場,所感應出的即是一交流電壓訊號。

所以,假如將(1)是的安培定律與(2)式的法拉第的感應定律結合,就是一般的變壓器原理,概念可以以圖8來表示:

圖8

其中,Coil T 輸入一時變電流(電壓源),產生磁場,該磁場在 Coil R 依法拉第定律產出一電壓。依照上述理論,電磁感應電能無線傳輸的系統可以以圖九來表示。在電能發送端,乃以交流訊號產生電路加上一功率放大電路來提供,以輸入一線圈式天線(Loop antenna)。而在電能接收端,線圈式天線(Loop antenna)以電磁感應收到電能之後,經一全波整流電路(Full-wave Rectifier)以DC 輸出給充電電路。圖十是工業界很普遍的平板線圈式天線之設計樣式。

      

圖9

 

標準問題

由以上論述可了解,不管是理論或應用,「無線充電」是一既基本又老式的觀念,基本上它就是使用傳統變壓器的原理,亦可以看成一無鐵心(Coreless)的變壓器。那為什麼它那麼不容易推廣呢?關鍵是「標準」問題(又回到工業利益之問題)。參考圖8圖9,發射與接收兩端的中間,乃是一耦合交流磁場,該交流磁場之頻率須要統一,才可同時讓發射端(充電台)與接收端(如手機)一起工作。那頻率的訂定就要全世界的電子大廠來同意。目前世界上關於「無線充電」之磁場頻率主要計有兩派標準:

a. 6.78MHz by A4WP [8]

b. 80-300kHz「Qi Standard」by Wireless Power Consortium (WPC) [9]

由於使用頻率仍然有差異,發送與接收端的電路設計也有不同,例如,Qi (就是中文「氣」之意,隱含「氣功」之意)之磁場感應線圈天線,偶而須要用到導磁材料(Ferrite),雖然可增加耦合效率,卻會增加產品的重量。基本上,這類標準問題如無法整合,「無線充電」之技術要推廣,就有所阻礙。

   

圖10 Loop Antenna。

 

結語

「無線充電」之技術在學理上,是一電磁學非常基本的概念,所以要了解其細節,並不難。這項技術的推廣,主要是要排解兩項困難,一是標準的統一問題,上述已有解說,其二是,要如何找到與產品需求之妥善性。假如還要使用者隨身攜帶著笨重的充電台,未來這就無法與「有線」但輕便且具高充電電流(可快速充電)之USB Type-C 連接電纜線[10]做競爭。

可能方便的應用是,設計一如圖11所示的充電盤,或充電桌,在內部配置有多個線圈式天線的 Loop Array[11]。這樣的產品可放於會議桌下、咖啡桌下或家中,讓使用者在長時的逗留情況下,待充電之產品可隨意置放在其上,以得取電能。這種Loop Array須要設計成在其上的磁場具有均勻的特性,以確保隨意置放之產品,在數十分鐘或數小時後,都可得到充份的電能。

圖11 Loop Array。

讀者如欲對「無線充電」之技術做更深入的了解,可參考文獻[11][12]。

 

參考文獻

[1] David K. Cheng, Field and Wave Electromagnetics, Addison-Wesley, Inc., 1989

[2] Chi-Fang Huang, Low-Cost Solution for RFID Tags in Terms of Design and Manufacture, a Chapter in Current Trends and Challenges in RFID, ISBN 978-953-307-356-9, Edited by Cristina Turcu, InTech, July 2011

[3] http://powerbyproxi.com/wireless-power/ accessed Nov. 27, 2016

[4] William C. Brown, “The History of Power Transmission by Radio Waves,” IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, pp. 1230-1242, Vol. MTT-32, No. 9, Sept. 1984

[5] http://spectrum.ieee.org/energywise/green-tech/solar/japan-demoes-wireless-power-transmission-for-spacebased-solar-farms

[6] https://getwirelesschargers.com/products/ugreen-original-qi-wireless-charger-charging-pad-with-dual-usb-charging-adapter-for-samsung-galaxy-s6-s6-edge-nokia-lumia-htc

[7] http://www.electricteeth.co.uk/the-history-of-the-electric-toothbrush/

[8] http://www.radio-electronics.com/info/power-management/wireless-inductive-battery-charging/a4wp-wireless-charging.php

[9] http://www.radio-electronics.com/info/power-management/wireless-inductive-battery-charging/qi-wireless-charging-standard.php

[10] https://zh.wikipedia.org/wiki/USB_Type-C

[11] 翁漁渭,HF頻段之無線充電系統的天線與電路之設計,碩士論文,大同大學,通訊工程研究所,2012

[12] 林群倫,整合RFID與無線充電功能之天線與電路之設計,碩士論文,大同大學,通訊工程研究所,2012

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