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根據(jù)HIS的預(yù)估，全球無線充電市場預(yù)計將從2013年的2.16億美元，增加40倍，到2018年達到85億美元（參考文獻1）。但是，這個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展會受到幾個現(xiàn)存互不兼容標(biāo)準(zhǔn)的影響。展望未來，許多開發(fā)商的問題是，是否所有這些標(biāo)準(zhǔn)可以在一個作為無線充電之用的統(tǒng)一、經(jīng)濟實惠且高效的標(biāo)準(zhǔn)下共存。 雖然無線功率轉(zhuǎn)移的概念是在一個多世紀(jì)之前形成的，但在過去的幾年里，尤其是在像無線充電聯(lián)盟（WPC，成立于2008年成立）、電力事業(yè)聯(lián)盟（PMA，成立于2012）、無線電力聯(lián)盟（A4WP，又名Rezence，成立于2012年）等標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)后，無線功率轉(zhuǎn)移已經(jīng)開始有了實質(zhì)的作用。 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（參考文獻2）。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）。 上圖為各種無線充電應(yīng)用的使用場景。 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（參考文獻4）。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。 這些都是以電感為基礎(chǔ)的無線充電系統(tǒng)之典型的發(fā)射器和接收器線。 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(fù)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 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(rèn)證產(chǎn)品（參考文獻4），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（參考文獻5） ● 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（參考文獻5）。 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（參考文獻5） ● 有5座測試實驗室和24項通過認(rèn)證的產(chǎn)品（參考文獻5） ● 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) 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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在PTU和PRU之間有雙向的信令。 上圖是A4WP 技術(shù)的典型發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)（參考文獻6） 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(rèn)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 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（參考文獻3）；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)。 上圖的比較顯示感應(yīng)無線充電和諧振無線充電兩者之間的差異（參考文獻7）。 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（參考文獻7）。 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)（參考文獻10）。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（參考文獻11）。 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（參考文獻11）。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(fù)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。 無線充電聯(lián)盟面對的重要的挑戰(zhàn)。 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（參考文獻5）。 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（參考文獻12）。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(rèn)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。 參考文獻 1. Global Market Revenue for Wireless Charging to Rise by Nearly Factor of 40 by 2018, IHS, March 2014. 2. IKEA Launching Qi-Friendly Wireless Charging Furniture, PC Mag, March 2015. 3. Gartner Says Worldwide Traditional PC, Tablet, Ultramobile and Mobile Phone Shipments to Grow 4.2 Percent in 2014, Gartner Inc, July 2014. 4. System Description, Wireless Power Transfer, Volume I: Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.1.2, Wireless Power Consortium, June 2013. 5. Power Matters Alliance 6. A4WP Wireless Power Transfer System Baseline System Specification (BSS) A4WP-S-0001 v1.2, Rezence, January 2014. 7. The convenience of wireless charging: It’s just physics, MediaTek, October 2013. 8. TI set to release a next generation of wireless charging chip for one-to-many interface, iTers News, June 2013. 9. IDT product page 10. MediaTek MT3188 Multi-Mode Wireless Charging ASIC Supports Inductive and Resonant Modes, MediaTek, February 2014. 11. B'com Powers 3 Wireless Charging Approaches, EE Times, May 2014. 12. With Qi wireless charging, you'll soon be able to charge your device from a short distance, Engadget, July 2014. |
