無線充電已大量普及于手機產品，以兼容qi規格為主其無線充電功率為5W，部分產品充電功率擴展到15W以上，實際應用還是以5W為大宗。無線充電在手機產業普及后，要應用到其他裝置，例如：清掃機器人、電動工具、AGV、AMR、Electric scooter…則需要更大的充電功率以獲得更佳使用體驗，這些應用所需要的充電功率需求為50W以上、最高不會超過1KW；目前各家業者主推高功率無線充電方案主要以300W參考設計為中心，可以降低零件等級減少成本兼容小功率，也可以強化零件規格增加傳輸功率傳輸。產品開發業者選擇高功率無線充電方案，應該評估5個性能指針： Distance & Efficiency、Safety、Communication protocol、Load、EMI，最后決定采用的關鍵是Cost，以下說明性能指針與Cost評估內容。
- A. Distance & Efficiency
Magnetic Induction(MI) 與 Magnetic Resonance(MR)兩種技術都是靠線圈進行能量發送與接收，而傳送距離與效率在這邊需要一起評估，線圈發送能量大小會隨著距離拉遠后衰減，距離拉遠后可以透過各種補償技術提高效率，但距離拉遠后能量衰減是無法克服的物理特性。評估方案的要點為可感應距離的范圍與效率分布，部分方案主打感應距離較遠，但無法在近距離下正常運作，有最短感應距離的限制，此類方案于過短的感應距離下運作會損壞。效率是評估可用感應距離指標，以100W大功率無線充電計算，效率90%等于有10W的損耗被轉換成熱能與輻射電磁波散逸，損耗越大表示需要更高的散熱方案成本與通過EMI檢測的難度更高；評估要點為損耗多少能量而非效率百分比，舉例說明損耗目標要低于30W，則傳送功率100W下需要效率70%以上、而300W需要效率90%以上，也就是系統設計目標功率越高則效率就要越高。舉例當Transmitter線圈與Receiver線圈都為圓形，為了滿足傳送效率90%其最遠感應距離約只有線圈直徑的1/8，以上所指的傳送效率系指Transmitter直流輸入傳送至Receiver直流輸出之效率，其包含電路損耗并非只有線圈之間的能量傳遞效能。
圖1. 線圈直徑、感應距離、效率關系圖
選擇方案評估要點：
A1. 感應范圍，不能只看最遠感應距離，需要在遠近范圍內都能正常運作。
A2. 效率需求，由散熱能力計算能對應的功率損耗量，進而評估效率需求。
- B. Safety
OVP、UVP、OCP、OPP、OTP、SCP，這些功能標準安全配置；而無線充電中最重要安全機制是目標物識別與金屬異物檢測。發射端必需辨識目標物正確才啟動電力傳送，無感應到目標物應該為待機狀態不啟動電力輸出。無線充電透過電能轉換成電磁能量進行傳遞，該電磁能量會被金屬材質所吸收發熱，不論是MI或MR技術都會有金屬異物問題，不同的操作頻率對于材質加熱效能不同，只要有金屬異物吸收電磁能量就會危險。
圖2. 金屬異物為無線充電最大威脅 (image source: Chongdiantou)
選擇方案評估要點：
B1. 目標物識別，Transmitter在感應Receiver裝置之前不啟動電力傳送保持待機，待機期間供電端消耗功率越小越好。
B2. 金屬異物檢測，于待機與電力傳送過程都需要檢測能力，檢測能力標準為入侵的金屬物體溫度上升限制，小的異物吸收電磁能量小故溫度增加量少，溫度上升在限制值內就不理會，大的金屬異物必須在溫度上升到達限制值之前就停止電力傳送。
- C. Communication protocol
與Receiver為了完成目標物識別與功率調節功能，需要有通訊機制傳遞數據。通訊方式有兩種分別是in-band與out-of-band；in-band是利用傳送電力線圈透過調制技術與解調技術進行數據交換，out-of-band則是透過額外通訊模塊，例如Bluetooth進行數據交換。in-band是線圈緊密耦合下一對一電力傳送與通訊，所以沒有配對問題，只要電力能傳送就可以完成通訊功能；out-of-band的通訊模塊傳輸距離比電力傳輸距離遠，所以在同一空間下若有復數裝置會有匹配問題，而傳輸數據速率與數據傳輸能力以out-of-band的通訊模塊較好。
圖3. Transmitter與Receiver Block diagram
選擇方案評估要點：
C1. Transmitter于待機狀態關閉輸出，Receiver靠近后能透過通訊機制啟動Transmitter電力輸出。
C2. 通訊機制能在空載、滿載、動態負載下都能完成數據傳送功能。
- D. Load
Receiver線圈接收電磁能量后經過整流濾波輸出直流到負載，其輸出方式有Constant Voltage (CV)、Constant Current (CC)，而負載可為電阻性(例如燈泡)、蓄電池、機電裝置(例如馬達)；其中機電裝置大部分需求為CV電源輸出，負載狀態依運作狀態而變動，此動態負載會干擾線圈之間的通訊，系統也須具有傳輸功率調節能力維持Receiver輸出端的負載需求。
圖4. Receiver輸出電源驅動馬達
(來源Microchip Technology https://www.youtube.com/watch?v=eRZZW1juu8s )
選擇方案評估要點：
D1. 能支持CV或CC輸出并在感應前預先加負載下能直接感應啟動，部分方案
Receiver輸出必需連接蓄電池才能使用，不支持CV輸出應用會受局限。
D2. 在動態負載下，從空載到滿載切換能穩定供電不中斷。
- E. EMI
EMI檢測，而高功率無線充電要通過EMC會更困難，原因為目前相關法規的電磁干擾限制值都是針對低功率無線充電產品所制定，高功率運作勢必需要放寬限制值，但修改法規曠日費時目前只能透過工程技術減少噪聲干擾以符合法規要求。然而部分方案雖宣稱取得相關EMC認證，但仔細看認證內容所測試的頻段卻是out-of-band的通訊模塊所使用的頻率，無線充電主操作頻率會發散巨大電磁能量才是干擾的主要來源。
圖5. FCC認證 https://fcc.report/FCC-ID/2AVS4-FDT-EVB-WP300
選擇方案評估要點：
E1. 無線充電主操作頻率為驗證頻段的認證取得。
E2. 提供完整電路數據的參考設計。
- About the cost
商品化最大考慮為成本，無線充電的成本主要在于Transmitter與Receiver的電路與線圈，在業界模塊是指可運作電路板成品搭配線圈用以完成電力傳送，IC方案為提供完整參考設計，客戶可以照著參考設計自行制作模塊，自行制作可以透過本身的采購與生產能力降低成本。
以Fu Da Tong Technology 推出的 300W Wireless Power Reference Design而論，大扺具備以下幾種優勢，有利業界進行評估。
- 項目A. Distance & Efficiency：
在線圈直徑的1/4內可以達到85%以上電力傳輸效率，感應距離由線圈尺寸決定，目前電路能力可以驅動最大直徑20CM線圈。另外有大尺寸線圈制作專利技術，可以做到大尺寸線圈于遠近距離都可以操作使用。
- 項目B. Safety：
待機下Transmitter會關閉輸出其消耗電力1W以下，偵測到目標Receiver靠近后才啟動電力輸出；于感應前有金屬異物檢測能力，若有金屬異物在Transmitter線圈上就不啟動電力輸出，電力傳送過程也有金屬異物檢測能力，若有金屬異物插入電力傳送過程中的Transmitter線圈與Receiver線圈之間，將會關閉電力傳送確保安全。
- 項目C. Communication protocol：
采用in-band數據傳送技術，用于目標物辨識與功率控制，在動態負載下可以完成數據傳送。
- 項目D. Load：
Receiver電路整流濾波后可以搭配DC/DC控制輸出電壓與電流，不需要連接蓄電池就可以運作，Receiver電路也不需要外部提供電力，動態負載可以應付空載到滿載的快速切換。
- 項目E. EMI：
Reference Design 通過無線充電主要操作頻率的認證。關鍵的Cost，提供完整電路數據可以讓產品開發商自行生產制造產品，零件選用等級可以依需求調整。以300W Wireless Power Reference Design的bill of materials計算成本不會超過100美元。
*深入了解更多操作實例: https://youtu.be/JiyKawXrKaM
此外，產品開發商若要選用方案，最重要的還是取得Evaluation Board自行測試評估方案可行性，還需要取得完整電路數據與確認量產可行性，選定方案后導入產品需要客制化線圈與PCB，可以參照Reference Design配置進行開發。要選定方案前必須先確認產品需求：
- 感應距離跟線圈尺寸有關，需要先確認產品能安裝多大的線圈才能預估最大感應距離，為了容易生產降低成本，產品上的感應距離越短越好。
- Receiver輸出需求，負載需要多少電壓與電流或是蓄電池規格。
- 無線充電功能成本預算，功率越大成本越高，若預算不足則要考慮降功率。
有大量產品需要導入無線充電功能，增加無線充電功能勢必增加成本，所以要評估附加價值后提出預算，在可行的預算下選擇方案，最后導入到產品進行量產。選擇無線充電方案需要評估性能指針與成本，量產穩定性也非常重要，正確的選擇方案可以減少開發失敗的風險，提高產品獲利。
關于 Fu Da Tong Technology Co., Ltd
Fu Da Tong Technology于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。
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