隨著無線充電應用日益普及，消費者對無線充電產品的充電效率要求也愈來愈高，因此設計人員須采用可靠且高效能的無線充電晶片，并改良線圈設計，提高線圈耦合效率，才能進一步加快充電速度，同時兼顧產品安全。

無線充電技術并非新應用，早在2008年以前就已經有大量的產品使用類似的功能，例如電動牙刷、刮胡刀、滑鼠與PHS手機等應用。不過，由于充電效能及安全 性等問題，當時一直無法有效推廣。時至今日，在電力電子控制晶片改良及標準聯盟帶領下，無線充電系統無論是高功率、高頻帶與異物偵測等問題，皆已獲得更好 的效能、安全性及通用性。

眼下無線充電應用的瓶頸，主要落在發送器(Tx)與接收器(Rx)間的損失，而線圈間的適配性及磁性材料特性的提升，更扮演著舉足輕重的角色。本文將羅列影響線圈傳遞損失的因子及其控制方式，希望有助于工程師在設計時參考。

精算距離與諧振頻率　線圈損耗大幅降低

在現有的無線充電功能模組中(圖1)，工程師如果簡單的切分為Tx、發射端線圈及Rx與接收端線圈，并將其功率損失定義為Wt、Wc與Wr，則總損失為Wtotal=Wt×Wc×Wr，如此一來發射端線圈及接收端線圈之間的傳遞損失則為總損失之乘數。

圖1　無線充電功能模組

在線圈廠內部實驗的控制下，當所有參數完全相同時，線圈距離確實是效率最重要的因素之一，但是并非愈近愈好。理論上，線圈距離愈遠，充電的效率愈差，主要是因為距離愈遠，磁通密度會下降，接收端線圈能感應到的磁通亦隨之下降。

基于此一理論，我們可推測線圈距離愈近，效率就愈佳。然而，從線圈廠的實驗中可觀察到，接收端線圈近到某個距離點后，效率不升反降，這個現象其實是歸因于諧 振頻率偏移所造成。因為距離的關系，使得Rx端鐵素體(Ferrite)接近Tx線圈時，會引起Tx線圈感值上升的現象。這個現象導致諧振頻率偏移，進而 造成充電效率會反轉下降，如果將距離及充電效率畫成曲線，實務上的情況會接近圖2。

圖2　距離與效率間的關系

基于線圈與效率之間的現象，工程師在設計終端產品時，如何確保不同材質Rx Ferrite耦合所產生的諧振頻率偏移，耦合電容的容值應該要如何匹配，會是一個惱人的困擾。

當 工程師進一步研究諧振頻率時，會發現線圈的圈數愈高，諧振頻率分離的現象愈早發生。從法拉第定律(公式1)推論，可能是由于較多的線圈切割來自Rx Ferrite所改變的磁力線，進而產生較多的感應勢所造成的現象。如此看來，在實務的線圈設計上如何使線圈圈數降低，將會直接影響線圈的無線充電距離。



線圈面積與形狀至關重要
在實務上的無線充電應用產品中，多數會將Rx設計在強調輕薄短小的手持式設備上。然而，經由紐曼公式(公式2)可得知，兩個線圈間的互感量和線圈的面積成正比，所以提高線圈的面積，可有效提高互感的磁通量，進而提升電感式技術的效能。



所以，在維持其他條件的前提下，如何在終端產品中，置入最大面積的Rx線圈將會是所有工程師的考驗，而對線圈供應商的直接挑戰則是當客戶設計的線圈為了追求最大面積時，外型并非傳統的方形或圓形時，如何進行有效的量產。

然而，在線圈廠的研究中也陸續發現除面積外的變數--形狀。在早期的無線充電產品開發研究中，開發人員很早就發現Tx與Rx的形狀如果一致，效率會達到最 高，但是也同時發現一個致命的缺點，即對于位移的耐受度很差，這對于強調使用者經驗的品牌客戶來說會是很大的困擾。另外，相同面積的線圈組，方形和圓形的 效果從理論上看來應該是相同，然而實驗的結果卻存在些微差異。基于這個差異，若進一步討論形狀的特性，可發現方形線圈的角落處可能造成磁力線分布不均的問 題，這在設計上是值得注意的現象。

直至近期的研究，因為經驗的累積，現今線圈廠才逐步掌握形狀和效率間的關系，但如果再把頻率的因素考量進來，尚無法有效歸納，這部分的研究則期待產業界持續投入研發。

影響無線充電效率　線圈相對角度成新變數

在討論線圈間的角度前，我們要先了解磁感應和磁共振在技術本質上的差異。當前市場上的兩大陣營中無線充電聯盟(WPC)與電力事業聯盟(PMA)使用的是 磁感應技術，這個技術由于使用的能量載體是由磁通變化而產生的電動勢變化，所以距離必然受到發射端線圈的尺寸限制，再加上聯盟內基于通用性的考量，發射端 線圈尺寸會受到控制，也因此距離無法藉由發射端線圈放大而提升。在這個先天條件的限制下，磁感應技術的線圈設計，以平行放置為主。

反觀A4WP陣營中使用的是磁共振技術，簡單的來說，主要是用漸逝場(Evanescent Tail)做為能量載體，所以Rx只要在共振腔內接收到微量符合共振頻率的電磁波，就可以利用共振現象來放大使用，所以這個技術的Rx線圈在設計上有相當大的空間。

開發人員在線圈廠的實驗中發現到，不同的線圈相對角度會得到不同的K值，相同的線圈相對角度在不同的距離也會得到不同的K值，但變化量較小，唯一可以確定的是，接收端垂直于發射端，幾乎是收不到。

成本與效能難以兼得　隔離材料挑戰仍待突破

線圈除用來接收能量外，還有另一個重要的工作，即把磁通隔絕避免影響緊貼在線圈后的設備之電路正常運作，也因此線圈后的隔離材料，是目前線圈組件上的另一個核心技術，也是考量產品安全性的重要零件，目前在市場上可見的產品主要有燒結式及疊合式兩種類型(表1)。

首先，疊合式的產品受到制程的必然因素，在產品的u 值上很難超過200這個天險，而且u 也相對難以控制，所以在圈數上的劣勢非常明顯，不過相對于燒結式的高成本，疊合式的隔離材料還是有一定的客戶群。

反觀燒結式，目前有干式與濕式兩種生產方式，干式制程受限于燒結變形及剛度不足，所以在薄型化的過程受到限制；而濕式制程則因為調漿的過程必需的填加物，使得產品在u 值上雖比疊合式高，但是也有其限制。

目前在線圈的開發實務上還有許多非理想效應，如電流的集膚效應、線圈間的互感效應、近接效應、磁渦流損耗、銅損耗等，這些實務上線圈的變異都會劇烈影響電子 電路上的設計考量，需要EE-RD、IC-FAE、Coil-FAE三者緊密配合，才能在產品開發過程中減少不必要的錯誤，而帶來高效的產品。