【導(dǎo)讀】無線功率在百年前就已經(jīng)出現(xiàn)了，但是近幾年，無線充電聯(lián)盟、無線電力聯(lián)盟、電力事業(yè)聯(lián)盟等三大標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，無線功率轉(zhuǎn)移已經(jīng)被應(yīng)用實際。本文主要淺談無線充電的三大標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)缺點。
價值鏈中的關(guān)鍵利益相關(guān)者有設(shè)備制造商、原始設(shè)計制造商（ODM）、半導(dǎo)體公司及基礎(chǔ)設(shè)施公司；諸如三星、微軟（諾基亞）、HTC和LG是設(shè)備制造商；原始設(shè)計制造商（ODM）有Primax、Uway、和三星機電等；半導(dǎo)體公司則像是TI、IDT、飛思卡爾、高通、英特爾、聯(lián)發(fā)科、博通等；至于基礎(chǔ)設(shè)施公司則是像麥當(dāng)勞、Marriott、和星巴克，這些業(yè)者借著采用無線充電來為其客戶提供一種增值服務(wù)。
除了作為一個消費電子配件之外，無線充電還可將其應(yīng)用擴展到家居飾品、醫(yī)療、汽車、工業(yè)和國防應(yīng)用。瑞典家具公司宜家（Ikea）最近宣布推出內(nèi)嵌在其臺燈之內(nèi)的一批無線充電產(chǎn)品。無線電力充電連同它的應(yīng)用和使用情境，已成功地獲得消費者的青睞，但大量采用該技術(shù)而躍居成市場主流的情況，仍未達到預(yù)期的水平。造成這種情況的其中一項主要原因是由于標(biāo)準(zhǔn)不一，以及支持相互競爭標(biāo)準(zhǔn)的各大營運商（在美國）。
在目前的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中可望會浮現(xiàn)出兩種可能性：
● 出現(xiàn)一個單一的標(biāo)準(zhǔn)，這將可加快無線充電技術(shù)被采用的速度。
● 支持多模式無線充電的解決辦法，其中，單一的發(fā)射器/接收器可以支持多個（WPC / PMA / A4WP）標(biāo)準(zhǔn)。
如果我們檢視一下從技術(shù)規(guī)范（來自標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)）到概念驗證、產(chǎn)品開發(fā)、制造、以及成品的整個價值鏈，有幾項因素會構(gòu)成在開發(fā)某一特定技術(shù)時的創(chuàng)造、提供和截取價值的良好整體經(jīng)驗。這些都是要讓該技術(shù)茁壯成長的基礎(chǔ)。具體到無線充電，按優(yōu)先級排列的關(guān)鍵因素如下：
● 經(jīng)濟上的可承受性：成本效益，從批發(fā)和零售的角度來看，開銷要少
● 可用性：增強易用性，像是可以自由擺放、可同時多部器件充電，和在相當(dāng)距離外充電的潛在能力
● 質(zhì)量和安全性：符合特定產(chǎn)業(yè)對安全使用該技術(shù)的指導(dǎo)方針
● 互操作性/向后兼容性：標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)和跨標(biāo)準(zhǔn)
● 技術(shù)擴散：通過定制和/或優(yōu)化將使用情境擴展至其它應(yīng)用
現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的比較
無線充電聯(lián)盟
WPC（Wireless Power Consortium）在2008年宣布的無線充電標(biāo)準(zhǔn)被稱為 “氣（Qi）”，這是無線充電技術(shù)針對主流消費電子設(shè)備商業(yè)化的一大步。
氣采用的原理是變壓器電路的磁感應(yīng)，其中，發(fā)射器和接收器線圈以非常接近的形式接合，從而實現(xiàn)電力的轉(zhuǎn)移。發(fā)射器在低工作電壓下工作，視線圈的類型而定。在發(fā)射器（主）線圈中產(chǎn)生的電流將會產(chǎn)生一磁場，這又會在接收器（輔助）線圈感應(yīng)出電流。接收到的電流可為接收器設(shè)備的電池供電，像是移動電話、平板計算機、照相機和智能手表等。發(fā)射器可為接收器提供一致的功率和電壓電平。 Qi標(biāo)準(zhǔn)定義了通信協(xié)議，其中電力轉(zhuǎn)移和接收到的量是最佳的。在接收器和發(fā)射器之間會有一通信封包傳送協(xié)議，它與一些因素相關(guān)，例如，發(fā)射器發(fā)現(xiàn)到的接收器、接收器的狀態(tài)和配置信息、接收器所要求的功率電平和電力傳輸?shù)慕Y(jié)束。
效率水平要視正確線圈的排列、Z的距離、和線圈類型的選擇而定。典型效率范圍為65％至75％之間。目前規(guī)范的版本是1.1版，未來還會繼續(xù)推出多個版本，其中將會規(guī)定多臺設(shè)備同時充電的支持、Z距離的增加，而焦點則會傾向磁共振。
特點：
● 緊密耦合的感應(yīng)方案
● 可在100-205千赫的頻率范圍工作
● 使用負載調(diào)變在2Kbps的帶內(nèi)通信
● 接收到的功率可達5W（低功率） - 15W（中-功率），而針對高功率應(yīng)用則有即將會推出的120W
● 支持異物檢測（FOD）功能
● 可定義磁共振的未來規(guī)范
● 超過200家的業(yè)者支持，包括三星、LG、德州儀器、松下、東芝、微軟、中興、Verizon和Motorola Mobility
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優(yōu)點：
● 已有建立完成的測試機構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)，695項認證產(chǎn)品，為加速采用走出了一條康莊大道
● WPC技術(shù)已內(nèi)嵌在三星的Galaxy S6
● 基于Qi的生態(tài)系統(tǒng)和強大且可擴展的平臺，使得像宜家公司可利用Qi充電技術(shù)，而將它嵌入在家居飾品中
● 規(guī)格非常成熟，2011年以來，就已經(jīng)有產(chǎn)品上市
● 提升到未來Qi規(guī)格的途徑，未來Qi的規(guī)格將可支持多臺設(shè)備同時充電，增加Z距離（>5厘米）
● 因為緊耦合線圈結(jié)構(gòu)的因素，所以可以達到更高的效率
● 輻射排放量低
● 有鑒于它是一成熟的標(biāo)準(zhǔn)，市場上有多家的IC和系統(tǒng)供貨商，所以它的實現(xiàn)成本最低
缺點：
● 聯(lián)盟的規(guī)模大，可能會因為決策過程緩慢，而使得進步的腳步放緩
● 在進一步更新規(guī)格時，要讓現(xiàn)今市場上數(shù)以百萬計的器件可以達到充分的向后兼容性，將會是一項挑戰(zhàn)（然而，其他標(biāo)準(zhǔn)也會面臨到同樣的問題。）
電力事業(yè)聯(lián)盟(PMA)
PMA公司于2012年成立，是一個與Qi競爭的標(biāo)準(zhǔn)，但同樣是以相同的磁感應(yīng)原理來運作。從技術(shù)上來講，這兩種標(biāo)準(zhǔn)很相似。 PMA有額外的軟件鉤（software hook）來定義協(xié)議、控制和管理信令，WPC可望在他們的下一個規(guī)范版本中把管理信令的能力加進去。在較早的版本中，借著讓磁鐵托住接收器而讓接收器的線圈和發(fā)射器的線圈可以對準(zhǔn)。然而，據(jù)我們的了解，PMA將在不久的將來會把磁鐵拿掉，并引入多個發(fā)射器的設(shè)計，其中有一個或多個線圈。著眼于物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的發(fā)展，PMA已與星巴克合作開發(fā)應(yīng)用，它具有基于云端的電源管理功能，可用來對充電站進行定位及管理。
特點：
● 緊密耦合的感應(yīng)方案
● PMA基于磁感應(yīng)的電力2.0 （power 2.0）技術(shù)，未來規(guī)范會與A4WP合并
● 操作的頻率范圍為277至357千赫
● 超過100家的業(yè)者支持，包括三星、LG、HTC、AT＆T、谷歌、Blackberry、華為、Kyocera和IDT
優(yōu)點：
● 市場主要的推動力來自產(chǎn)業(yè)界的重量級公司，像是Duracell-Powermat、星巴克和AT＆T
● PMA技術(shù)已內(nèi)嵌在三星的Galaxy S6
● 有5座測試實驗室和24項通過認證的產(chǎn)品
● 基礎(chǔ)設(shè)施公司的采用為用戶提供一個首次使用該技術(shù)的經(jīng)驗
● 因采用Qi的磁感應(yīng)原理，所以也有類似的技術(shù)優(yōu)勢
缺點：
● 在采用和設(shè)計靈活性方面，仍然處于早期階段
● 針對大規(guī)模采用，規(guī)格尚未最終確定
● 在采用A4WP基于磁共振技術(shù)的未來版本之規(guī)范時, 向后兼容性將會是一個挑戰(zhàn)
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無線充電標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟(A4WP)
A4WP （Alliance for Wireless Power），又名Rezence，也是在2012年成立，它是基于磁感應(yīng)無線充電標(biāo)準(zhǔn)的替代性技術(shù)。 A4WP采用磁共振的原理，這種原理不用讓一次和二次線圈緊密對準(zhǔn)。相反地，發(fā)射線圈夠大，大到足以產(chǎn)生高磁場，可與在初級線圈附近接近之處的次級線圈接合，且不只是一個，而是多個。這意味著單一發(fā)射器可以對多個接收器（電話、平板計算機等）充電。
電力傳送單元（PTU）中的系統(tǒng)設(shè)計由一個源直流電源（Source DC supply）、共振器、匹配單元、一個功率轉(zhuǎn)換單元，和一個信令和控制單元所組成。而電力接收單元（PRU）則是由一個諧振器、整流器、電源轉(zhuǎn)換單元、信令和控制單元所組成。帶有PTU和PRU的系統(tǒng)架構(gòu)星型拓撲結(jié)構(gòu)，在PTU和PRU之間有雙向的信令。
特點：
● 是一種基于松耦合磁共振的技術(shù)
● 在Bluetooth Low Energy（2.4 GHz ISM的頻率范圍）的頻帶之外通訊
● 電源傳輸頻率為6.78兆赫
● 所接收到的3.5和6.5W電力，適用于智能型手機之類的應(yīng)用，預(yù)計未來將增加至50W，以涵蓋更多的消費性電子設(shè)備
● 相較于電流感應(yīng)替代方案，承諾會提供更長的Z距離
● 超過100家的業(yè)者支持，包括三星、戴爾、富士通、LG、夏普、佳能、松下、HTC、聯(lián)想、高通等
優(yōu)點：
● 相較于電感式替代方案，可以潛在性的更低成本提供最大的自由空間
● 允許多設(shè)備充電
● 可擴展到更高的功率和穿戴式產(chǎn)品是其一大賣點
缺點：
● 在建立認證和測試機構(gòu)方面，仍處于早期階段
● 因為獨立的信令電路，所以通信費用高
● 電磁干擾增高/輻射高
● 由于松散耦合的線圈結(jié)構(gòu)，所以效率低
● 由于額外的通信帶寬會增加成本，所以配件有限
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影響聚合的因素
長久以來，市場一直在廣為討論，為了讓市場起飛，這些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該合并。將感應(yīng)和共振技術(shù)相結(jié)合真的有意義嗎？
在生態(tài)系統(tǒng)的層級，更多還沒有 決定要投身那一種特定技術(shù)的組件供貨商，將可驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)來滿足所有的技術(shù)。有鑒于三星在智能型手機市場擁有很大的市場占有率，它在Galaxy S6中內(nèi)建了Qi 及PMA 技術(shù)，此舉將進一步推動對無線充電發(fā)射器的需求。此外，宜家推出超過15款支持Qi標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，也將可讓無線充電深入到日常的家庭中，為無線充電聯(lián)盟帶來很大的優(yōu)勢。
Gartner的數(shù)據(jù)指出，手機和平板計算機2015年的出貨量預(yù)計將可達22.6億臺；所以最終，我們可以看到會有大量的產(chǎn)品推出上市。在我們針對可能性而進行腦力激蕩時，有必要從接收器和發(fā)射器的角度了解其中所涉及的挑戰(zhàn)。
從聚合/協(xié)作的角度來看，發(fā)射器和接收器的設(shè)計有三種可能的類型。它們是：
● 多模式：MI-MI（WPC-PMA） - 純感應(yīng)模式，與Qi和PMA標(biāo)準(zhǔn)兼容
● 多模式：MI-MR（WPC-A4WP / PMA-A4WP） - 與磁感應(yīng)（Qi / PMA）和磁共振（A4WP）標(biāo)準(zhǔn)的組合兼容
● 三模式（WPC-PMA-A4WP） - 與所有三種無線充電標(biāo)準(zhǔn)兼容
接收端
現(xiàn)在有TI、飛思卡爾、IDT及Broadcom等公司可以提供單模的接收器芯片。三星的Galaxy S4即采用TI的接收芯片來進行無線充電。
支持Qi和PMA標(biāo)準(zhǔn)的純感應(yīng)多模式因為技術(shù)的相似性，所以挑戰(zhàn)較少。不過，要開發(fā)一個在Qi和PMA之間優(yōu)化的系統(tǒng)，在其中一種情況下，效率都會略低。 IDT在2013年宣布推出其業(yè)界首創(chuàng)的雙模式接收器，它可支持Qi和PMA標(biāo)準(zhǔn)（參考文獻9）。另外，TI和Triune systems也已經(jīng)掌握到了其中的開發(fā)要訣。
聯(lián)發(fā)科今年早些時候宣布推出一款多模的芯片（MT3188），它可同時支持PMA和A4WP 標(biāo)準(zhǔn)）。而在一些論壇上也討論過支持所有3種標(biāo)準(zhǔn)的接收器版本，且解決方案也開始在市場上推出。 Broadcom公司就在最近才剛發(fā)表過一則這樣的聲明。
將A4WP系統(tǒng)與感應(yīng)系統(tǒng)整合的挑戰(zhàn)是，A4WP使用Bluetooth Low Energy堆棧。有幾個例子所指出的挑戰(zhàn)是，在電池沒電后，又或BLE一直處在待機的情況下，器件何時被喚醒。博通說明了其芯片內(nèi)的嵌入式頻率檢測器可以在多個標(biāo)準(zhǔn)之間進行選擇。隨著時間的發(fā)展，像英特爾、高通、博通等公司將有機會以創(chuàng)新的方法改變這種情形。但今天在配件市場，我們必須有獨立的BLE芯片。這顯然會對成本造成影響。一般情況下，在一單獨的信道上進行帶外通訊（out-of-band communication）的成本是很高的。
發(fā)射器端
在發(fā)送器端所面臨到的挑戰(zhàn)是不一樣的。然而，一個純粹感應(yīng)的施作方式是很簡單的，像飛思卡爾半導(dǎo)體和Triune Systems公司已經(jīng)有可用的解決方案了。當(dāng)我們探索多模式發(fā)射器時，將低頻發(fā)射器與高頻發(fā)射器結(jié)合在一起是一件相當(dāng)復(fù)雜的工作。將低頻線圈嵌入到高頻線圈系統(tǒng)會有一些問題，如電源耦合的問題、調(diào)諧挑戰(zhàn)、及MI和MR之間的耦合等。因此開發(fā)原型是可以做的，但要實際施作則需要深思熟慮。
如何彌補今天這個差距？
在前面的章節(jié)中，我們談到了在開發(fā)多模/三模系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)。此外，隨著時間的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)可能也會聚合，但關(guān)鍵的問題是，我們今天能做什么，讓消費者可以享受到無線充電的好處？正如前面的討論，一種可能性是把多個標(biāo)準(zhǔn)放在接收器之中，但它必定會對成本和尺寸造成影響。我們在引言部分討論過產(chǎn)品的整體體驗，一項確定的關(guān)鍵因素之一是經(jīng)濟上的可承受性（Affordability）。我們可以做出消費者負擔(dān)得起的產(chǎn)品，且還克服了所有的挑戰(zhàn)嗎？
這將我們帶進到一個思考領(lǐng)導(dǎo)力的有趣領(lǐng)域。除了技術(shù)上的挑戰(zhàn)，這些聯(lián)盟基本上也在試圖解決一組與挑戰(zhàn)性相關(guān)的可用性問題。下面的示意圖標(biāo)識出了這類重要的挑戰(zhàn)，以及針對這些挑戰(zhàn)所完成的規(guī)范。
由于標(biāo)準(zhǔn)的討論將會繼續(xù)發(fā)生，因此會有一個虛擬沙盒（virtual sandbox）的空間，在其中，系統(tǒng)公司可以探討通過創(chuàng)新的施作來彌補技術(shù)上的差距。今天，PowerSquare正朝著這個方向在努力，在同一時間，這也與這些集團的發(fā)展十分同步。正如前面所提到的，本文的內(nèi)容試圖涵蓋無線充電標(biāo)準(zhǔn)的過去、現(xiàn)在和未來，并分析這些標(biāo)準(zhǔn)在整合時的技術(shù)挑戰(zhàn)。
所有這些無線標(biāo)準(zhǔn)是否可以共存？從技術(shù)角度來看，其中是有些挑戰(zhàn)的。對于WPC和PMA，一款TX和RX的解決方案是非常簡單的，因為它們是純感應(yīng)式的。 A4WP帶PMA和/或Qi可以通過開發(fā)多模式的接收器而共存。然而，主要的挑戰(zhàn)將是開發(fā)多模式的TX解決方案。 PMA與A4WP之間最近宣布的合并正是朝著聚合方向發(fā)展的一步。但是，有鑒于前文所討論到的挑戰(zhàn)，對于這些聯(lián)盟計劃如何處理各自的感應(yīng)和諧振技術(shù)，仍有待觀察。
在另一方面，WPC針對其即將推出的規(guī)范更新已公布它的多設(shè)備支持以及Z距離的增加，讓RX可從TX充電，而不需要線圈對線圈接觸。在生態(tài)系統(tǒng)的利益相關(guān)者支持下開發(fā)多模解決方案，將是解決競爭標(biāo)準(zhǔn)間難題的最佳途徑。隨著這樣的嘗試持續(xù)下去，將就會有一個可以讓技術(shù)供貨商創(chuàng)新的沙盒空間。
無線充電無疑是下一個最好的智能創(chuàng)新，這不僅是純粹的市場預(yù)測，同時也是它能帶給消費者的好處。如果能有一個單獨的標(biāo)準(zhǔn)存在，則就能將設(shè)計的開銷降到最低，這是大家所認同的，也是實際且最方便的做法，果真如此，無線充電市場就可以成長到來自不同市場研究機構(gòu)所做的各項商業(yè)預(yù)估規(guī)模。
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