目前市面上無線充電產品以電感耦合式(或稱為Magnetic induction或Electromagnetic induction)為主流，此技術為利用兩個線圈互相感應進行電力傳送，若線圈為圓形，其產品的感應距離不超過線圈直徑的四分之一；兩個線圈感應面之間透過電磁能量傳送電力，電磁能量可以穿透非金屬材料進行電力傳送，電力傳送過程兩個線圈之間也不能有金屬材料出現，電磁能量會對金屬材料產生加熱作用。電感耦合式技術與其他技術相比缺點為感應距離較短，優點為容易生產、成本低、效率高、容易通過相關電磁法規，這些優點使本技術為市場主流的主因。
2007年Fu Da Tong Technology成立于臺灣新北市，專注于電感耦合式無線充電技術研發。電感耦合式無線充電基本構造簡單，電力傳送方式依序為：直流電力輸入到發射端驅動器、驅動器連接諧振電容與發射線圈、以電磁波型態傳送能量、接收線圈連接諧振電容到整流器、整流器輸出直流電力，發射端使用的驅動器與接收端使用的整流器與電容都是電力系統常見組件已經量產經過數十年時間；而感應線圈在早期應用于RFID技術，當時尚未有“無線充電＂這個產品概念，Fu Da Tong以RFID擴增應用于無線電力傳輸，故申請網域名稱rfidpower.com.tw ， 使用與RFID相同的技術原理但技術細節與RFID標簽沒有直接關聯。
在RFID應用感應線圈僅需要提供能啟動RFID卷標內部芯片微小電力，為了完成電力傳輸功能于發射設線圈與接收線圈都需要重新設計，在2007年尚未有無線充電概念，也還未有無線充電線圈設計基礎知識，Fu Da Tong研發能人員開始手工制作各種線圈探索技術。早期線圈主要是使用單蕊漆包線所繞制，也有嘗試用印刷電路板制作，遇到的問題就是操作過程諧振電容與線圈會發出熱量；分析問題原因在于透過感應線圈進行無線電力傳輸操作下，穿過線圈的電流會比RFID應用高很多，發射端驅動器輸出電流穿過諧振電容與使用導線所構成的感應線圈，電流穿過的路徑上阻抗越大其所產生的損耗也越多，而損耗轉換成熱能型態散逸，這時Fu Da Tong研發能人員明白了在無線充電系統中從發射端輸入電力至接收端輸出電力，其電流路徑上所有的組件都有阻抗存在，而這些阻抗就牽動了整體效率表現，組件阻抗越高就會使穿過電流產生更多的消耗轉換成熱量散逸，在此階段的開發其阻抗最高的組件為諧振電容與感應線圈。
此時線圈制作采用單蕊漆包線，為了降低阻抗選擇加大線粗，但實際測試后發現加粗單蕊漆包線能解決的發熱問題有限，因為無線充電中線圈上的電流頻率較高會有Skin effect，為了解決問題改采用Litz wire制作線圈。感應線圈采平面設計，而在發射端中線圈的兩面都會發送電磁能量，為了避免能量傳遞到非感應面，開始在線圈非感應面加上屏蔽用磁性材料，采用磁性材料會提高線圈感應效能，接下來數年因應無線充電需求的磁性材料技術與市場開始成長。
諧振電容早期使用Polypropylene Film Foil Capacitor (PPN)，經過各種試驗發現NPO(C0G)電容的特性很適合在無線充電上使用，此材質之電容也隨無線充電發展市場大幅成長。選擇正確的材料制作線圈與搭配諧振電容后，quality factor會變大，高quality factor的輸入驅動訊號后產生諧振電壓會提高，其特性曲線會變陡峭，驅動頻率些許改變就會造成諧振電壓大幅改變，若驅動頻率太接近最大諧振點可能會導致電流過大燒毀。無線充電硬件都是現有市面上組件可以組成的，技術發展重點是「控制方法」，無線充電與RFID技術差別在于電流大很多，為了達到大電流下高效率減少發熱就要降低組件阻抗，組件阻抗降低后就會變得難以控制，而「控制方法」就是無線充電最大關鍵。
「控制方法」在實作上有三個重點：安全、效率、最大功率，產品上把安全擺在首位。無線充電第一個安全功能就是發送端只有在合格接收端位于感應范圍內才啟動驅動器傳送電力，此功能稱作目標物識別；Fu Da Tong Technology在2007年就發展線圈之間的數據傳送技術，即接收裝置傳送識別數據到發射裝置，確認數據符合才啟動電力傳送，目標物識別后傳送電力有兩個好處：當沒有裝置區需要充電時關閉驅動器節省電力消耗，其二為電磁能量對金屬物體加熱造成危險，沒有合格目標物識別就不啟動驅動器確保安全。
此階段Fu Da Tong Technology的無線充電技術對NiMH電池充電，充電功率約1W，其數據傳送技術為利用電池負載切換進行訊號調制。當年市面流行Wii電視游樂器，其控制手把內電池更換不方便，Fu Da Tong Technology提出一個解決方案可以透過感應方式將電力穿過塑料外殼，傳送到內部的電池，這個產品是全球最早量產具有目標物識別功能的無線充電產品，該產品也在2009年于Walmart上架銷售。
圖1. 2009年于Walmart銷售的Wii感應式充電器
以前段的案例作為一個引子，整體而言，富達通科技的技術發展歷程跨越了將近14年，在以下我們也詳細列出當中每一年提出的技術亮點供參考：
- 2008
5W(5V-1A)比當時技術1W高；電池充電模式由手機內部控制需要提供固定電壓給手機去對內部電池充電，并非無線充電接收端直接對內部電池充電，所以過去「無線充電」架構為接收端內部連接電池進行充電，開始演變成「無線電力傳送」，即接收端輸出電力給后端裝置使用。先前的目標物識別是建構在線圈上數據傳輸的技術，而數據傳輸是依靠受電裝置上電池負載進行訊號調制所達成，新架構少了電池后需要開發新的訊號調制技術。
- 2009
α(Alpha)控制芯片與用于接收端的β(Beta)控制芯片，這兩個芯片都為MCU架構，相較于前一代芯片以模擬功能為主的ASIC有更好的質量控制。
- 2010
IC α 搭配 IC β 所制作的5W(5V-1A)無線電力傳輸模塊。
- 2011
ICα3與ICβ3，并利用此IC制作20W無線電力模塊。
- 2012
ICα3與ICβ3給制造商生產平板計算機。該產品需求規格為防水、強固外體需要厚實外殼保護，這樣的外殼使充電端子接頭插拔不方便，無線充電能帶來更好的使用體驗，在當時Fu Da Tong是全球唯一提供10W以上功率且有金屬異物保護機制之IC方案廠商，該IC方案功能受客戶肯定導入量產，證實Fu Da Tong技術穩定可靠。
Figure 2. The tablet computer with ICα3 and ICβ3 wireless charging solution in 2012
- 2013
ICα4，對應升級強化的ICβ3H版本，并利用此IC制作100W無線電力模塊。
- 2014
ICα5，對應qi兼容性充電功能；首創無濾波器式訊號解調技術，IC處理發射線圈上的訊號不需經過濾波器，直接對交流訊號進行采樣解析，此為軟件譯碼技術之基礎，濾波器是系統中的弱點，無濾波器訊號解析大幅提高了控制系統的性能。無線充電發射端需要量測線圈上的交流峰值電壓，取得數值后進行調節功率大小所參照使用，過去于量測此頻率交流電壓需要透過檢波電路(濾波器)將交流電壓轉換成直流電壓進行采樣量測，轉換過程失去精準度使量測值與實際峰值電壓有所落差，不準確的參照值使功率調節性能下降；無濾波器的取樣設計使IC可以精確量測峰值電壓，提升功率調節性能。無線充電中交流訊號直接采樣分析是強大的控制技術，后續技術將以此基礎進行發展。
- 2015
Power loss accounting 與 Quality Factor，這個兩方法精準度低且于量產后運作可靠性差，各研究單位不斷投入資源開發新款檢測方法，但都沒有突破性發展。Fu Da Tong經過不斷實驗中發現在驅動器停止運作后，供電端線圈上的諧振訊號會進入自然衰減的狀態，而自然衰減的速度會因線圈周圍有金屬異物而加快衰減，該現象為驅動線圈與電容產生諧振后又失去驅動來源時，電能會在線圈與電容來回移動逐漸衰減，而電容與線圈本身阻抗穩定所以其衰減速度接近恒定，一旦線圈周圍有金屬異物會吸收線圈表面在衰減過程中產生電磁能量，導致衰減速度加快，此為物理現象而Fu Da Tong利用創新算法控制驅動器與量測技術進行衰減訊號量測，開發精確的金屬異物檢測技術。
- 2016
Fu Da Tong Technology 無濾波器訊號檢測技術完成整合了訊號解調制譯碼與金屬異物檢測功能。在供電端線圈上會接收來自受電端的數據碼訊號調制，需要透過供電端上的解調技術還原數據內容，該數據內容用來進行功率調節，傳輸功率超過100W以后線圈上的調制深度遠小于線圈振幅，用傳統濾波器無法拾回正確的調制訊號，Fu Da Tong創新算法可以解析線圈上的抖動訊號進行譯碼，交流訊號直接采樣解析沒有濾波器的性能缺陷。金屬異物檢測也是使用交流訊號直接采樣取出每一個衰減訊號的峰值進行運算，該衰減訊號無法使用濾波器解析；此無濾波器訊號解析技術成功整合兩項功能，簡化硬件設計用軟件處理有利于降低成本并提高量產可靠性與保持設計修改彈性。
- 2017
IC α6，并利用此IC制作200W無線電力模塊。此模塊之受電端可輸出24V-10A(MAX)超過200W功率，并具備有在電力傳輸過程中高精度金屬異物檢測功能，可以精確識別類似回形針大小的金屬異物于電力傳輸過程中侵入兩個線圈之間，此檢測性能優于市面上無線充電產品能識別最小金屬異物的能力。
- 2018年
NFC裝置存在與否的低成本檢測技術。在無線充電供電端上方若有NFC裝置，于無線電力傳送啟動后該NFC裝置收到過大電磁能量會燒毀；為了防止誤放置NFC裝置損壞于供電端上添加NFC讀取器，于電力傳送之前先檢查供電線圈上是否有NFC裝置，若有NFC裝置就不啟動電力傳送。然而標準NFC讀取器成本高昂，故Fu Da Tong開發一種NFC裝置檢測算法，僅用簡易組件就可以完成NFC裝置檢測功能。
2018年Fu Da Tong Technology也獲得政府單位頒發創新研究獎，肯定Fu Da Tong在技術研發的努力。
圖3. 2018榮獲政府頒發創新研究獎
- 2019
300W無線電力傳送模塊，接收端可輸出36V-10A(MAX) 超過300W功率，整合了高精確度金屬異物檢測與NFC裝置檢測功能。金屬異物檢測于電力前預先檢測發射線圈上是否有金屬異物或NFC裝置，若有就不啟動無線電力傳送；在感應電力傳輸過程中，監測是否有金屬異物侵入兩個線圈之間，若有就停止電力傳輸。
- 2020年
300W無線電力傳送模塊取得FCC認證 ( FCC ID : 2AVS4-FDT-EVB-WP300 )，該模塊并通過CE 與 ROHS 檢驗。
圖4. 取得FCC認證之300W無線電力傳送模塊
圖5. 于 CES 2020 獲得Airfuel Alliance PROUD MEMBER
- 2021
1KW無線電力傳輸原型機，在1KW無線電力下完成線圈間數據傳輸，精確金屬異物檢測功能。合作伙伴Microchip于官方網站銷售內含Fu Da Tong技術之方案產品。
圖6. 2021年完成1KW無線電力傳輸原型機
**更多演示細節請見: https://youtube.com/shorts/KOqsBD1YGj8
圖7. Microchip 銷售內含Fu Da Tong技術之產品
- 2022
開發新型訊號解析技術(專利已申請未公開)。
圖8. Fu Da Tong Technology 歷代 IC 路線圖
綜觀而論，無線充電要提高功率輸出的技術發展非常緩慢，原因是在提高功率的過程會不斷遇到各種工程難題，主要問題在效率、成本、安全性、可量產性，而解決問題的關鍵是算法。電力傳輸功率要開始提高，就優化線圈之間的耦合效率與高效率電路設計。要同時提高電力傳輸效率與降低成本，就需盡可能簡化電路設計、減少組件使用量，這樣控制系統核心就在算法；算法的實作為發射端與接收端上所使用Micro Control Unit ( MCU)架構的主控制IC內部的程序代碼。程序代碼控制整個無線電力傳送機制，從待機、啟動電力傳輸、金屬異物檢測、功率調節、關閉電力傳輸… 所有功能都照程序代碼內容操作；所以無線充電技術的精隨在于軟件，而硬件組件是配合軟件操作完成無線電力傳輸功能，選擇高級硬件組件可以提高性能但成本也會增加，優秀的算法設計可以在有限的成本下，發揮所選用的硬件組件到最高效能；實作上感應式無線電力傳送操作過程，線圈上的電壓會因為兩端線圈相對位置與負載狀況會劇烈變化，若功率調節功能不彰，則選用的組件就需要具有較大的電壓耐受性，避免線圈上的訊號劇烈變化下導致硬件損毀，而優秀的算法可以控制線圈上的電壓或電流變化量，算法會透過控制方法保護硬件不至損壞，所以可以選用較低電壓耐受性組件使用，而較低電壓耐受性的組件成本較低且在相近的成本下有較佳的效率表現。
在量產化階段線圈質量控制會是最大困難，大量生產后的線圈質量很難控制到一致，若系統沒辦法配合參差不齊的線圈質量進行自適應調節，而需要質量非常嚴謹的線圈才能運作會導致線圈生產成本上升，且線圈會因為溫度影響與線圈之間的互相感應影響特性，若系統無法配合線圈特性改變修正功率調節，將無法提供一致性的無線電力傳輸性能表現，優秀的算法設計可以監測線圈操作狀態，透過驅動器調節線圈輸出達到一致的性能表現。
不計成本要制作出1KW層級的無線充電模塊并不難，但要具有低成本、安全機制、傳送效率、量產可行就會變非常困難，而這些困難需要透過算法解決。Fu Da Tong Technology的感應式無線電力傳輸技術從1W發展到1KW歷經14年的工作時間，多次的量產實績累積大量經驗，并已取得大量專利，高功率無線電力傳輸方案詳細數據均已經公開，Evaluation Board 與 IC 供貨銷售中。
關于 Fu Da Tong Technology Co., Ltd
2007年在臺灣新北市成立，為早期投入無線電力傳送技術開發的公司，已經取得相關技術44張美國專利；專注于無線電力傳送核心技術開發，掌握技術有In-band communications、Power transfer control、Foreign Object Detection，提供可以立即量產的參考設計與IC方案銷售。
-
微信掃一掃
一鍵轉發 -
最前沿的電子設計資訊
請關注“電子技術設計微信公眾號”
