現在的消費性電子產品,只要可以隨身攜帶,都會配備一個很不起眼的充電器,或者說是變壓器。這東西的長相都差不多,就算尊貴如Sony品牌,也只能做得小一些,同樣是個單調的方盒子,兩條電線向外拉出而已。由於充電器經常必須躺在地上任人踩踏,或是默默縮在桌子後面收集灰塵,所以沒有什麼人感興趣設計些精巧的造型加以改進。充電器的地位一直都挺尷尬,它不是主要零件,大部分產品規格書上只有簡單幾個字讓使用者確認包裝內具備此配件,但是充電器一旦故障,系統卻會罷工。一般充電器的設計並不鼓勵互換使用,雖然理論上來說並不會有太大問題,所以延長線上卡得滿滿的充電器,就是數位達人房間的標準景象。好在這些問題許多廠商也意識到了,逐漸將注意力轉移來重新設計更方便的充電器,也許幾年後這種困擾可以獲得改善。

彼岸強制統一手機充電介面

很多人可能覺得中國大陸污染嚴重,黑心食品到處都是,不過就事論事,有時候他們也會推行一些還不錯的政策,比如說今年七月起強制要求手機必須搭配統一介面的充電器,買新手機時就可以沿用舊的充電器,而且臨時需要為手機充電時,還可以向別人借用充電器,不需要擔心規格是否相符,也是一個力行環保的好措施。

以電路設計角度看來,現在許多電器產品各自使用自家充電器,使用不同的電源電壓,搭配不同的電流需求,根本是種浪費的行為,只要有心,人人都是食神!喔,不!是只要工程師有心,絕對可以讓一台充電器適用於所有手機、數位相機與MP3播放器(編按:咻~好冷…),加上一些安全限制之後,甚至不需連接插座,直接套用電腦的USB介面就能全數處理。

縱然外觀有所差異,這些變壓器只要在某個輸出電流以下,內部構造幾乎完全相同,最大差別僅是插頭規格,第二則是貼在上面的規格貼紙,而且如果輸出電壓不同,也不見得會有問題,對筆記型電腦的充電器來說,甚至2~3伏特的差距還是可以正常工作。

輸入不正確電壓居然還可以正常工作?可能會讓很多人覺得意外。這是因為外部電源輸入裝置後,還會經過再一次處理才能供應內部電池與IC電路,某些電源模組比較複雜的設備,甚至會轉換兩到三次以上。在這些數位裝置之中,主要利用一種稱為「Switching DC/DC」的方式轉換電壓,此技術可以容忍很大範圍的輸入電壓誤差,只要在合理範圍內,最多只是效率降低而已。(不過除非對電路知識有足夠的瞭解,請勿任意嘗試互換充電器的做法)

統合充電介面影響裝置外觀設計

如果充電器可以共用,出外旅行只要帶一台充電器,就能為所有設備進行充電,以使用者角度而言的確百利而無一害,然而對於廠商來說是好是壞卻很難說。有些大廠生性愛搞封閉規格,既使內部電路一樣,也要設計一個特殊插頭不與他人共用。此外,在法律壓迫之下,充電插頭的設計廠商可以妥協,但是卻可能造成產品造型必須遷就充電插頭。

現在的新思維是利用電波,無論接觸或不接觸的方式都免除線材連結,直接對機器進行充電。由於電波穿透機殼時,比較不會受到外觀形狀的影響,故成為比統一充電插頭更好的解決方案。手機越做越小也越來越薄,決定尺寸的最大因素,反而落在與通訊並無直接相關的液晶面板、按鈕與電池,至於電線的連結器(connector)也造成不小影響,所以當手機導入無線充電方式時,整體尺寸可以進一步縮小,而且因為在裝置的機殼上沒有金屬接點或開口,大幅加強了防水能力,甚至可能出現支援潛水使用的手機或行動裝置。

 

在空中傳遞電力

使用無線傳輸電力,免除更換電池的困擾,對消費者而言很有吸引力,但筆者要先澄清的是,這種做法還是需要一台特殊機器,將電源插座的電力轉換為可充電的電波,感覺跟現行的充電器一樣,只是不用電線相互連結而已。

其實這種裝置很久以前就有了,在日常生活中,最常見的是過去PHS手機充電器與電動牙刷充電座,兩者的特性是耗電量很低,而且電動牙刷因為必須考量在潮溼的浴室中防止觸電,所以無線充電變成設計首選。

最早有理論根據的無線電力傳送裝置,是一位叫做Hertz的科學家所創造。「Hertz」現在變成頻率計算單位,例如CPU的工作頻率是2.8GHz,而GHz就是Gigahertz的縮寫。Hertz用一組簡單的高壓放電裝置,在金屬球上產生火花,結果不遠處沒有連接電源的導線也同時出現火花。在十九世紀時這簡直像是變魔術,民眾的驚訝表情大概與電影「頂尖對決(The Prestige)」所描述的一樣。我們現在知道火花的能量其實經由放電裝置感應送達,是一種無線電力傳輸的初始模型。

Hertz進行上述實驗是一百多年前的事了,但是最近十幾年來,無線電力傳送技術才有比較好的成果,而且理論基礎與當年的實驗竟然沒什麼差別。這邊不是無聊的電磁學教室,筆者也無意催眠各位讀者,所以就以最簡單的方式解釋為什麼電力可以無線傳遞。

無線充電的限制

也是在一百多年前,有個天才科學家叫做馬克斯威爾(Maxwell),用四條簡短的火星文解釋了電磁學基本原理,演示當電流通過電線時,電線旁邊會出現磁場,磁場又會對附近的線圈建立感應電壓,而電壓就可以提供電流;所謂電力的無線傳遞就是應用此感應電壓進行充電。更簡單的說,就是使用者在手指繞好幾圈電線之後,這樣的電線型態就可以改名叫做線圈。兩個線圈位置十分靠近時,第一個線圈可以「隔空打牛」,讓第二個線圈為連接其上的電池進行充電,完成整個充電程序所需要的只是讓兩個線圈距離夠近。

這種充電方式好像很方便,但是其實一點也不。因為充電效率會隨著兩個線圈的距離增加而快速下滑,稍微變動位置馬上就降低到無法充電的程度,不然電動牙刷應該到處擺放都可以充電,不需要固定在充電座上頭了。反過來說,這也是一種優點,如果線圈傳遞能量的效率不會快速下降,那麼能量就會到處亂竄,四周都會充滿致命危機。

無線傳遞電力的效率有限,能夠傳遞的能量也不多,無法用於照明或冷氣等大型電器上,不過配合數位隨身產品就很適合,尤其現在的數位產品越來越輕薄短小,功率也已經降低到一定程度,以前MP3隨身聽如果需要100mA運作,現在大概不用30mA就能開機了;當然電池的能量密度比以前高也是很重要的因素,不過電子電路更為省電才是關鍵,當設備對於電力的需求降低到一個程度之後,就可以認真考慮無線充電技術。

充電器小知識

一般的充電器或變壓器,外殼都會標示許多規格資訊,最重要的是正/負極性、輸出電壓與輸出電流。如果臨時找不到充電器,想以替代品暫時使用,只要輸出電壓差不多,輸出電流不要小於原先規格,應該就可以順利運作。以一個標示 5V 200mA 的充電器為例,其表示電力輸出正常時為5V,當輸出電流小於200mA時都可以維持5V;如果輸出電流大於200mA,則不保證電壓的下降幅度。有些人以為充電器的輸出電壓/電流標示,代表輸出同時保持5V與200mA,其實這並不正確,充電器只能保證前者,至於輸出電流的多寡,則由後端的電器決定。

另一種無線傳遞電力方式

還有另一種無線傳輸電力的方式,也悄悄走進日常生活,就是主動式RFID的電力供應技術。此技術與上述無線傳輸電力方式的基本原理一樣,都是根據Maxwell的四則電磁波計算公式就能簡單描述,不過其中還是可以找到些許差異。前段文章所述是利用線圈感應的方式傳遞能量,讀者可以把它想像成一個製造粗糙的線圈變壓器,再以磁場與之感應;後者則是利用電波,將能量打到遠方,再藉由特定電路將能量收回使用。

在很久以前,電子技術沒有現今發達,而電池也相當昂貴時,曾經使用一種稱為「礦石收音機」的設備接收廣播。初次看到此機器時可能會非常驚訝,它不需要電池或外接電源,藉由6~7個不起眼的小零件就可以聽到電台節目,因為廣播電台會往四面八方發射電波,而每一個電台都有特定的頻率,只要電路的頻率特性與其對應,礦石收音機就會隨著收到的電波開始運作,進而驅動耳機發出聲音。

礦石收音機採用的是共振原理,就像是有人在房間這一端撥動吉他弦,另一端的輕薄木板有時也會跟隨輕微震動,只是在此設備中傳遞的並非音波而是電波,而且需要一些簡單的電子零件輔助進行。

不過,免電費的收音機收訊與音響效果十分差勁,這年頭已經很少人使用了。上述原理沈寂幾十年後卻在最近發揚光大,很熱門的被動式無線射頻標籤(Passive RFID)就是使用此方式,可以在不需安裝電池的情況下,當標籤接收到讀卡機發射的特殊頻率電波時,就會收集能量以驅動內部晶片,然後一口氣將資訊回傳到讀卡機上。如果不清楚RFID是什麼東西也沒有關係,因為許多門禁系統跟捷運車票都是應用這種技術,只要小小一張卡片,靠近讀卡機便會回傳使用者資訊,甚至能夠操作卡片內部的快閃記憶體。

電波束延伸電力傳遞距離

這種傳遞電力的方法看起來不錯,而且有些RFID可以利用電波束的方式,將電力傳輸到十公尺以外的裝置!不過上述技術卻很難傳遞大量能量,因為在不清楚接收端的正確位置之前,發射端必須向四面八方發射電磁波,所以產生極驚人的能量損耗,而在知道正確位置後,就算使用電波束加強,究竟真正可以收集多少能量,結果恐怕只是個令人傷感的數字。

這也是為什麼RFID類型的傳輸電力方式,只在一些小卡片或車票上應用的緣故。既然我們一直說此技術的電力傳輸效率很低,究竟能量會下降到何種程度呢?根據筆者手上的資料,早期設計只能傳送約一成,最多不超過兩成的電力到達接收端,而傳統有線充電器的效率卻可以傳送七成能量,此時高下立判。不過現在技術有所進步,一些比較「聰明」的無線充電裝置可以自動尋找接收端位置,甚至是調整傳輸方式,效率已經可以拉到六成之譜,而且與這幾年技術突飛猛進的電源管理晶片相互搭配之後,傳輸效率更是如虎添翼,大大推翻之前的不堪印象。

新公司投入無線充電技術

無線充電技術現在十分熱門,不少廠商跟研究機構都投入資源想要瞭解商業化量產的可能性。如同前面所言,之前的電子產品耗電量大,電源管理技術也不甚完善,低效率的無線充電技術根本不符合需求;但是現在低功率的手機跟數位相機比比皆是,開發無線充電新技術變成理所當然的想法。

日本的Seiko Epson公司利用無線方式為手機充電,系列產品命名為「Air Trans」,也有針對iPod進行充電的裝置。根據資料指出,這種Non-Contact(非接觸式)充電系統,將會在今年年中於歐洲開賣,說不定本期數位家庭付梓時,已經可以在網路上找到相關資訊了。可惜的是,Air Trans的傳輸距離其實並不很遠,大概僅為0.5公分,而且充電底座也太大了些。筆者認為,不管是針對Nokia還是Moto的手機,甚至搭配iPod或Zune其實都一樣,反正就是非接觸式充電,只要能量轉換效率足夠,為各種隨身裝置電池充電都沒問題

現在先讓我們回到一個最現實的問題上。不論是Air Trans或WildCharger,甚至其他公司的無線充電系統,將手機放在一個特定平板上就能充電的技術,請問您會花多少銀兩購買?相對於需要勞動雙手接線並忍受線材的糾纏,但是買手機就會附帶贈送的充電器,另一邊則是要價約台幣一千多元的無線充電系統;到底這樣的便利性是否值得一張千元大鈔?

另一方面則是技術競爭的問題,雖然不少人關注無線充電技術,但是聚焦於燃料電池的人恐怕更多,據筆者所知,國內幾間筆記型電腦代工大廠都已持續注意此一技術,甚至投入不少資金或人力進行研究。不過,雖然燃料電池對於筆記型電腦與手機具有非常大的影響力,但是在燃料電池正式普及之前,也許仍然有足夠的時間讓無線充電技術先行現身。

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