淺談無線充電技術：

手機發展已經十多年，在無線充電技術上直到近幾年才有較大的突破與整合，但有線仍有其不可取代性，像是低廉的設計成本、親民的終端售價、較高的傳輸效率等。然而無線充電仍有其魅力，尤其是隨放即充的便利性，就會讓人忽略掉價格因素而買來嘗鮮。本文將針對進年的無線充電技術：磁感應、磁共振，以及3大無線充電陣營WPC、A4WP與PMA做個介紹，讓大家對於無線充電技術與概況有基本的認識。

當聽到無線充電應該會覺得這是很新穎的玩意，事實上無線充電技術早在10多年前就已經出現在市面上，但你可能沒有注意到。在行動裝置領域，當年的PHS的J88手機就曾搭配過無線充電模組，有點年紀的朋友應該都有些印象。

數年前的Palm亦有推出Touchstone無線充電模組，甚至迄今還有玩家買線圈回來改裝在其他手機上，讓一般手機也能玩無線充電。而更接近一點，Nokla、Samsung、Sony等廠商也都有推出以內建無線充電模組的手機，像是Nokia Lumia 920是首款內建Qi標準的智慧型手機。

至於其他科技產品部分，最常見的莫過於中高階電動刮鬍刀與牙刷，透過無線的方式可避免接點老化與氧化，同時也是無線充電技術應用較廣的領域。此外，近年逐漸普及的電動車，也開始規劃無線充電模組。今年Toyota在自家Plug-in Hybrid車款上測試無線充電模組，該模組採用的是磁共振技術，據稱能在90分鐘將車輛充電完畢。

此外GM、Nissan、Volvo等車商亦有推出類似設計，可預見無線充電裝置會快速普及。說了這麼多應用領域，到底無線充電是如何辦到的？又有些什麼優缺點？接下來我們先來了解無線充電的原理。

無線充電需要裝置端與設備端配合才能充電，充電座有大有小，圖為Lumia 920使用的無線充電座。

隨放即充是無線充電最大的魅力，但多數無線充電仍須注意方向性與角度，否則會影響充電效率。

電動牙刷與刮鬍刀等3C產品早已進入無線時代，圖為飛利浦電動牙刷充電座。圖片來源：Mobile01

除了消費性電子產品外，近年逐漸普及的電動車也將採用無線充電，圖為採用磁共振技術的Toyota電動車。圖片來源：caranddriver

無線充電的技術有不少種，但較常見的不外乎磁感應(Magnetic Induction)與磁共振(Magnetic Resonance)這2種方式，另外還有射頻、微波等技術但較為少見。磁感應聽起來很深奧，但說穿原理你一定知道甚至還可能玩過，那就是依靠國中教過的法拉第電磁感應定律，透過電生磁、磁生電的方式傳導。實作時充電器的電力端提供電力，因而讓電力端的線圈產生磁力。接著接收端的線圈感應到磁力，再將磁力轉換成電力讓手機充電。

磁感應對於線圈的尺寸、距離較為敏感且會影響傳輸效率，大多用於短距離傳輸效率較佳。磁感應的優點是成本低廉，缺點則是於物理限制較大，容易受到距離的影響使得電能轉換效率低落，幾乎要讓接收端貼著發送端才能傳輸。

受限於物理特性，較難做到單線圈多裝置充電，也就是讓多個裝置同時充電。且傳輸時若功率較高容易產生廢熱，也是待解決的問題。目前無線充電陣營中，WPC(Wireless Power Consortium，無線充電聯盟)與PMA(Power Matters Alliance，電力事業聯盟)都採用磁感應技術。

Intel曾於2010年CES展示無線電力傳輸技術，主要透過線圈產生磁場進行傳輸。

磁感應的運作流程與系統如圖所示，發送端傳送電力，接收端則需要控制負載並提供資訊給發送端避免傳輸過大。圖片來源：moneydj

磁共振則是讓發送端與接收端達到特定頻率，可讓雙方形成磁場共振現象，透過這種方式達到能量傳輸的目的。磁共振技術的優點在於傳輸功率較高，具使用該技術的廠商PowerByProxi表示，零售端做到50、100W輸出都沒有問題，商用領域甚至能達到1000W以上的輸出功率。缺點則是成本較高，且共振頻率會影響到傳輸效率，但設計上容易做到多裝置同時充電。

相較於磁感應，磁共振一般而言效率較好，應用距離也比較遠且相對於磁感應更容易穿透非金屬物質。以PowerByProxi的解決方案而言，約可達到75%傳輸效率。現在WPC與A4WP(Alliance for Wireless Power，無線電力聯盟)使用的是磁共振技術，眼尖的話你應該發現WPC同時有磁感應與磁共振技術，這是在該聯盟近期發布的Qi 1.2規範中制訂的，先前僅支援磁感應技術。

看到這你可能會問金屬外殼手機能夠無線充電嗎？不論是磁感應還是磁共振都有同樣的罩門，那就是無法穿透金屬，金屬的遮蔽效果太強，容易降低效率且危險性提升。假若你的手機採用金屬外殼設計，那麼依照現行的設計方式，是無法使用無線充電技術。

實作上若非得使用金屬外殼，一般會在設計時開個窗口放置線圈或接收端，才有機會使用磁共振或磁感應技術，但仍不建議如此搭配，畢竟金屬遮蔽效果太強變數多，亦影響傳輸效率與產品安全。

磁共振依然是使用線圈傳輸，但主要是靠共振傳輸，因而傳輸頻段與頻率相當重要。圖為採用磁共振的PowerByProxi。

磁共振的傳輸距離較遠，且相對於磁感應方向性更自由，手機擺放於充電板傳輸範圍內就能充電，不需要正對傳輸線圈。

除了磁感應與磁共振再來談談個很早進入市場，但能見度卻比較低的無線射頻技術。早在2007年Powercast就曾經在CES展示無線射頻的充電方式，該技術是透過類似RF射頻原理，將電力透過無線電波的方式傳導，接收端則是使用天線將電力接收下來，其傳輸原理與礦石收音機類似。

實際應用上發射端會安裝於插座上，可想像成安裝在插座上的廣播電台，其運作頻段在900MHz，接收端則透過天線接收無線電波。

該技術優點同樣是成本低，當年據稱只要5美元，且可幫射頻範圍內的裝置充電。但缺點是無線射頻傳輸若無方向性傳輸效率比較差，最初測試時還得需要指向性天線才能達到充電的目的，加上傳輸功率較低只適合用於耗電量較低的裝置。Powercast共推出P1110與P2110晶片，前者是用於短距離，後者則是長距離，頻段同樣是850～950MHz。

看過無線充電技術的原理後，應該要來了解現在無線充電的組織有哪些，這些組織推動無線充電技術的普及，目前有3大聯盟分別是WPC(Wireless Power Consortium，無線充電聯盟)、A4WP(Alliance for Wireless Power，無線電力聯盟)與PMA(Power Matters Alliance，電力事業聯盟)。

Powercast共有2款傳輸晶片，分別用於短距離與長距離環境，運作頻段為850～950MHz。

圖為1930年代早期的礦石收音機。圖片來源：Wikipedia

WPC是目前最大的無線充電組織，會員數量超過A4WP加上PMA，共計約有200個廠商與19個國家參與，像是HTC、Nokia、LG、Sony、Samsung等廠商皆為其會員。你可能會問，WPC組織這麼有龐大為什麼好像沒有聽說過一樣？是的，相較於WPC這個組織名稱，他們提出的規範Qi(讀音：氣)反而比較知名。

WPC於2010年制定Qi規範，目前Qi規範已經到1.2版本，在1.2版本中最大輸出功率已經達到2000W、單一逆變器亦可提供多個裝置充電，更重要的是納入磁共振技術，讓WPC同時擁有磁感應與磁共振技術。此舉有益於該組織的發展，而不用受限於單一磁感應技術，納入磁共振廠商不僅能增加聲勢，亦能讓產品更加完善。Qi是目前較有組織且相對普級的規範，雖然仍處於無線充電的戰國時代，但Qi的影響力依然不能忽視。

WPC的商標如圖所示，但一般人更熟悉的應該是下方的Qi圖。

目前不少手機製造商、無線充電製造商都向Qi規範靠攏，產品上標示Qi圖示代表其相容性，但需注意Qi仍有版本差異。

Qi運作原理如圖，同樣是透過線圈製造磁場，再透過電與磁轉換取得電力。

A4WP最初是由Samsung與Qualcomm號召組成，後來還加入Intel這重量級廠商，主要應用技術是磁感應。相較於WPC的成員A4WP會員數量相對較少，約有103個會員且不少都是筆電廠商如Asus、Dell、Fujitsu、Lenovo、LG、HTC、Samsung，外加一些半導體與技術供應商，如IDT、Intel、Marvell、MediaTek、NEC TOKIN、NXP Semiconductors、ON Semiconductor、Qualcomm等。

從成員列表中應該可以看出WPC與A4WP的異同，相同點在於有不少廠商會同時是多個組織的成員，像是HTC、Asus皆然。甚至是A4WP的創始成員Samsung亦為WPC成員之一，不難想像這情況，畢竟無線充電技術仍在競爭階段，應避免把雞蛋放在同個籃子裡面。差異處在於A4WP成員不少都是半導體廠商，而WPC則以製造商或品牌廠商居多。

WPC推出Qi規範與認證，A4WP自然也有一套認證辦法，那就是2014年CES期間提出的Rezence規範。畢竟是磁共振技術的領導廠商，Rezence認證的產品大多在距離、材質上有較大的突破，且部分磁共振技術的產品能突破充電的方向性，放著不需要正對線圈也能充電。

值得注意的是，受到WPC組織日益龐大的影響，A4WP於2014年與磁感應組織PMA簽定合作備忘錄，結合次要敵人(PMA)打擊主要敵人(WPC)。此舉意味著雙方可能朝相雙模技術發展，可克服目前產品與會員數量的問題。但要結合不同組織的規範並不容易，加上無線充電技術彼此之間有相容性的隱憂，磁感應與磁共振雙模設計開發也有難度。

該備忘錄指的合作內容是雙模設計案的開發，並不意味雙方規範的統一，光是A4WP使用6.78MHz頻段，PMA使用200～400KHz頻段就有所差異，備忘錄內容還是以短期合作為主，而非長期的規範統一。

A4WP主要由Samsung與Qualcomm號召組成，成員當中不少都是半導體製造商，近期與PMA合作對抗WPC。

Rezence是A4WP推出的無線充電認證規範，意義與WPC推出的Qi規範相同。

最後介紹PMA陣營，它是於2012年由P&G與Powermat共同成立的組織，主要應用技術是磁感應，成員有Asus、AT&T、BlackBerry、Microsoft、LG、Starbucks等。目前PMA仍未有認證機制，有消息指出今年應該能看到如同Qi或Rezence的機制出現。比較特別的是，PMA與Starbucks合作，今年於加州將試辦無線充電計畫，Starbucks櫃台與咖啡桌下內建充電模組，是較早針對終端客戶提供的異業合作案。

PMA成員較少但積極與異業合作，今年已於美國Starbucks推出無線充電服務。

支援PMA的裝置都有圖示，但至今PMA仍未推出相關認證機制。

說了這麼多無線充電技術與聯盟，無線充電真的這麼好嗎？這倒未必。筆者認為無線充電終要克服效率問題，依照物理特性與成本結構，很難做到逼近傳統線材的傳輸效果。不僅傳輸效率只有75%左右，且需要花費比線材更長的充電時間。加上環保意識抬頭，效率差且昂貴但方便的充電方式適合我們嗎？或許值得大家深思。

未來手機、穿戴式裝置只要隨手一放就能充電，免去找線材的麻煩。但傳輸效率、終端成本、傳輸規範仍是待解決的問題。圖片來源：compositry