專題論壇 | 解密無線快充技術 安全測試到位支持
本文作者：胡翔豪，UL 電子科技產品部 專案經理
無線充電技術逐漸成熟，快充技術也納入支援，加速了應用與普及。然而提高傳輸功率，也帶來相應的安全挑戰，國際安全科學機構UL從安全出發，點出該有的安全考量與標準規範。
行動科技歷經十幾年的發展，屢屢突破技術上的限制，在智慧型手機強勢攻掠市場之際，電池續航力被視為行動裝置最讓使用者關心的議題之一，因此無線充電技術順勢崛起，帶動了龐大的潛在商機。
隨著技術發展成熟，無線充電所涉及的應用領域也更為多元，從最初的手機、無線耳機、智慧手錶和行動電腦，已延伸到家電、家具、汽車和物聯網相關裝置。在2019年第一季，無線充電聯盟WPC(Wireless Power Consortium)公布的會員總數，就已逼近650家會員，產品取得Qi認證的數量站上了3700個型號大關。根據市場研究報告指出，2018至2025年之間，全球無線充電市場可望以60.22%的年複合成長率增加至2025年的1,453億美元<註1>。市場資料在在顯示，無線充電技術將逐步邁向普及。
行動裝置的無線充電技術發展
發展數十年的無線充電技術，直到近年才真正應用於產品上。目前最完整的規格標準為WPC所提出的Qi 1.2.4版本：Basic Power Profile (BPP<=5W)，Extended Power Profile (EPP: 5W-15W)，其採用的最大功率為15W，相較幾年前常見的5W已提高很多，因傳輸的功率提高，充電時間減少，大家便開始稱它是無線快充。然而，真正要判斷是否為無線快充，其考量點須延伸到無線充電版的輸入端，其必須搭配18W以上的快充電源供應器，讓手機在無線充電板上可以成功接收到15W的電量。
最新發佈的高通無線快充，是應用於無線充電板輸入端的技術，並結合既有的Quick Charge 2.0/3.0和Qi，建構完整且安全的無線快充系統。讓使用者利用片刻時間，就能幫手機快速充電，以面對下一個預期或突然發生的外出行程。
〈圖1〉無線快充裝置技術條件
無線快充原理
分析無線快充原理，先從兩部份來看。第一個部份，快充電源供應器和無線充電板之間的信號傳遞接收正常，判讀正確，快充電源供應器根據需求步階或固定檔位調整Vbus輸出。第二個部份，無線充電板和手機之間，EPP比BPP多了協商階段 (微調功率傳輸參數、異物偵測初始判定)、校正階段 (增進功率傳輸時的異物偵測能力)，和再次協商階段 (調整功率傳輸參數)，能協商也代表無線充電板與之前相比，多了向手機回覆訊息的能力，下面就以技術的觀點出發，帶大家了解無線快充。
首先，無線充電板必須先偵測電源供應器的型式，無線充電板於USB Data Bus發出50% duty cycle的脈波給電源供應器，會有下列三種情況：
- 電源供應器回應上述脈波，並以步階2V調升或調降Vbus，表示連接到Quick Charge 3.0電源供應器。
- 電源供應器沒回應上述脈波，但回應USB Data Bus指定電壓準位，調升Vbus為 9、12 或20V， 表示連接到Quick Charge 2.0電源供應器。
- 電源供應器沒回應上述脈波，也沒回應USB Data Bus指定電壓準位，表示連接到非Quick Charge 2.0和Quick Charge 3.0電源供應器。
偵測後，無線充電板確認已連接到Quick Charge 3.0電源供應器，無線充電板向電源供應器發出信號，要求一高於5V的預設Vbus(例如9V)，電源供應器接受此要求，並輸出指定Vbus給無線充電板。這時候，我們把快沒電的手機放上無線充電板，當手機電池電量很低時，手機會向無線充電板傳訊息，要求提高功率，無線充電板回覆接受訊息，向手機傳輸較高功率，然後向電源供應器發出信號要求升高Vbus (例如12V)，電源供應器接受此要求，並輸出較高Vbus給無線充電板。
〈圖2〉低電量手機進行無線快充的過程
隨著充電過程中，手機電池電量接近充滿時，手機向無線充電板傳訊息，要求降低功率，無線充電板回覆接受訊息，向手機傳輸較低功率，然後向電源供應器發出信號要求降低Vbus (例如10V)，電源供應器接受此要求，並輸出較低Vbus給無線充電板。當手機充好電，我們把手機從無線充電板上拿起來，無線充電板偵測到手機被移開，向電源供應器發出信號要求回到一高於5V的預設Vbus (9V)，電源供應器接受此要求，並回到預設Vbus。
無線快充的安全問題
Qi EPP無線充電板以磁感應方式傳輸能量，對手機充電，相較於傳統Qi BPP無線充電板，傳輸功率提高，無線充電板會向其搭配的快充電源供應器要求更穩定，更高的功率，當然安全是最重要的。我們必須確定無線充電板和快充電源供應器之間的Quick Charge協議符合要求，並且協同無線充電板和手機之間的Qi協議運作，使得傳輸的較高功率能從快充電源供應器經由無線充電板安全的對手機充電 。
〈圖3〉無線快充的三項合規認證
目前無線充電接收，手機大多只有10-12W，因朝向薄型化設計，其內部空間得緊密配置零組件，造成散熱問題的挑戰，即使多出來的功率只有3-5W，在極小的單位體積內造成的溫度問題變得巨大。對此，高通也提出手機端解決方案，透過雙迴路充電，降低充電時溫度，最快將於2019年實現真無線快充，達到手機實際接收15W。
安全標準怎麼看
無線充電的優點雖然不勝枚舉，但要解決一個安全上的疑慮，也就是電磁場變化對於金屬所產生的渦電流問題。電磁爐就是利用變化的電磁場，在金屬材料上產生渦電流而達到加熱目的的電機設備；同理，當無線充電發射端產生變化的電磁場時，磁場感應範圍內的金屬材料都容易產生渦電流而被加熱。
WPC提出了異物偵測(Foreign Object Detection，FOD)的測試，關注於發射與接收間的異物存在議題，避免其中金屬材料影響電能傳輸效率，防止金屬異物可能造成的溫度上升，進而危及人身和產品安全的疑慮。
也因此，IEC 62368-1於2018年10月發行的第三版，加入對無線充電器的FOD測試要求，量測金屬異物模擬件的最高溫度，防止一般大眾如果把硬幣、戒指或薄型金屬片放上未設計異物偵測功能的無線充電板，再去拿取這類金屬物品時，即有可能會被其高溫燙傷的危害。其他區域標準CSA/EN/UL 62368的第三版標準也將在2019年跟進。
另外值得注意的是，全球首部針對小型無線充電設備的安全測試標準–UL 2738，在 2010年10月14日由UL首次提出，並於2011年3月11日生效。UL 2738針對低功率電子產品的感應功率發射器最大傳輸功率運作與零組件錯誤，以及感應接收器限制傳輸功率與電流的安全性進行測試，其測試要求是避免未經評估的能量進入發射端或者從接收端輸出，因為未經評估的能量可能造成電氣和火災的危害。
如欲打造安全的無線充電環境，行動裝置和電源供應設備的安全性也是相當重要的一環。IEC/UL 62368-1是為因應新世代影音類產品及資訊科技設備的需求，打造的新觀念產品安全標準，可為產品提供更加靈活的設計研發空間，使其更易採用新技術，主動防止潛在危險的發生。充電器則可採用電源供應設備安全標準UL 1310/UL 1012，符合標準的產品在充電過程中，可以確保產品的可靠度與使用安全。
安全和可靠是消費者首要考量
根據WPC最新的國際調查顯示，消費者對無線充電裝置的興趣增長快速，在選購相關產品時最在意的就是產品的可靠度和安全性，而產品容易使用和快速充電能力也是採購時的重點考量。
〈圖4〉消費者在選擇充電裝置時的考量重點
(資料來源：WPC, 2018)
隨著無線快充技術已臻成熟，安全性成為相關技術應用時最受矚目的議題，透過具公信的第三方安全認證機構進行測試，讓產品符合安全標準，是製造商向消費者展示自身無線快充產品具備安全性的最佳方式。
國際安全科學機構UL不僅發展安全標準，從小型無線充電設備的安全標準UL 2738、攜帶式資訊產品安全標準IEC/UL 62368-1、電源供應設備安全標準UL 1310/UL 1012等，提供產業界研發無線快充技術的標準依據，亦是WPC認可的無線充電測試實驗室，也是全球唯一可支援高通最新無線快充解決方案的認證機構。
結論
無線充電技術的使用率從2016年底的10%成長到2018年初的40%，普及率大幅提高，若能加上快速充電，對消費者就更具吸引力。下一代的行動裝置，無論是中階、高階機種，都將內建無線充電功能，有些高階機種更推出了雙向無線充電功能。
然而透過電磁感應原理進行的無線充電，雖然原理發現已久，也具有市場應用的優勢，但是隨著傳輸功率的提高，無線充電設備仍有安全上的挑戰必須克服。對消費者而言，可靠性和安全性亦是選擇充電裝置時最重要的考量因素。
在競爭激烈的市場中，相關產品若能成功經過獨立實驗室的嚴格測試，將有助於市場的開拓，提升消費者對產品與品牌的信賴度。畢竟唯有好的使用者體驗加上安全，才能讓使用者放心，很自然地享受無線快充所帶來的更美好行動生活。
<註1> 《Wireless Charging Market Comprehensive Research 2018-2025》，Data Bridge Market Research，2018年 10月16日
持續探索
