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充電技術不設「線」 百佳泰有線、無線充電效能實測與評鑑報告
2013 2013-08-28

隨著可攜式電子裝置的高度進化與普及,舉凡智慧型手機、平板電腦以及數位相機等眾多產品也不斷推陳出新;可以預期的是,電源的高度使用與隨之而來的充電需求將成為它們之間所汲汲營營試圖優化的共通點。不論你是使用有線USB接口為基礎的萬用充電解決方案,抑或採用近期發展逐漸白熱化的無線充電技術,能讓你的裝置快速充滿電量,並降低功率的耗損將成為各家廠商在研發或採購相關充電技術時的重要考量指標。

有鑑於此,百佳泰特別針對有線、無線充電技術的發展與產品,為大家進行兼具深度與廣度的充電效能實測與評鑑分析;未來不論是有線或無線充電器、手機、車用多媒體娛樂系統等廠商或相關零組件開發商,皆可透過百佳泰尋求最完整的充電效能分析與相容性測試解決方案。

本篇文章將分成三個部份,第一部分是針對有線充電技術的規範發展與市面上通用的充電器產品來進行競爭分析;第二部分則針對無線充電技術標準協所推出的充電器裝置進行簡介與實測;在最後一個部分,我們會對兩種充電技術進行效能比拼與分析。電子裝置的硬體發展戰火已逐漸延燒至週邊應用如充電器,能一舉佔領電源補給需求的關鍵技術版圖,將為能源的使用和儲存應用創造新的產業契機。

實測評鑑一:有線充電技術競爭分析

當USB不再只是資料的傳輸介面,而成為可供應智慧型手機、平板電腦等行動裝置的電源傳輸介面時,即符合我們之前為大家介紹過的充電器通用介面標準IEC 62684的要求,讓電源供應器具有高效能、低損耗、低幅射及高安全性管理的技術規格(詳情請參考IEC 62684手機充電器標準:一「體」成形、一「器」呵成)。為符合IEC 62684的技術規格,受測裝置必須先通過USB-IF協會所制訂的連接器測試規範以及相關規定,而USB-IF協會更將於2013年底前正式推出最新的電池充電標準1.2版本(Battery Charging V1.2,BC 1.2)的相容性測試。簡單來說,BC 1.2有三種充電模式:標準下行埠(Standard Downstream Port,SDP)、充電下行埠(Charging Downstream Port,CDP)以及專用充電埠(Dedicated Charging Port,DCP)。SDP屬於標準慢充模式,僅能提供最高7.5瓦、500毫安培(mA)的電流,因此充電速度較慢;DCP與CDP則為快速充電模式,能支援500mA或1,500 mA兩種電流,可縮短行動裝置或其他消費性電子產品的充電時間,並可直接透過交流電(AC)充電。日後欲取得USB-IF認證的裝置,皆須通過BC 1.2版的CTS認證。換言之,未來不論智慧型手機、平板裝置、筆記型電腦以及數位家庭產品都可使用USB來進行充電。

另一方面,Apple雖然其產品的充電器接口也是透過USB來進行,但其專屬的充電模式是不同於USB-IF協會所推出的BC標準;因此,我們特別藉由下表一來帶領大家瞭解當今兩大有線充電技術的優劣。

 

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有了這個前提之後,我們即根據市面上不同充電器包含USB電源供應器、行動電源、USB車充以及汽車音響裝置來進行多款的手機充電實測與競爭分析。在所謂的有線充電技術裡,我們首先必須釐清的一個觀念是,充電器本身會根據其充電模式與效能的不同提供固定電流或是不同模式的電流充電,但此時實際充電量的多寡是取決於手機裝置本身的協議。也就是說,假使充電器本身宣告能提供最高2A的電流,但手機本身只能進行1A或是0.5A的電流充電時,這時整個充電量就會是以手機所需的電流量為主,也就是只會充電1A或0.5A,因此裝置本身的充電協議才是造成其充電量多寡的主因。

(一)競爭分析一:USB電源供應器

我們找了8款USB電源供應器來對6款行動裝置(手機及平板)進行充電(表二),基本上因為不同裝置有各自的充電協議,因此在對應不同台USB電源供應器所拉的電流會有所差異。其中比較值得關注的議題有二,首先我們可以發現用Samsung的電源供應器來充iPad 4時,可能因為iPad 4本身的充電協議的限制,導致它只能向Samsung的電源供應器拉到0.467A的電流,因為低於0.5A的最小充電值,所以我們發現iPad 4因此不進行充電。其次,從小米機2代(MI 2)的充電量來看,我們發現不論哪一台電源供應器,MI 2都是以最大的電流趨近1A來充電,如此的好處是充電的速度會很快;然而長久下來其實對手機本身的電池壽命是有所影響的,尤其是在電量移轉與消耗的過程中,會不斷在降低電池的壽命。

 

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(二)競爭分析二:Power Bank行動電源

我們找了5款行動電源來對6款行動裝置(手機及平板)進行充電(表三)。MI 2的充電量依舊維持在行動電源能提供多少電量,MI 2就拉多少電量,有時所拉的電量還超過平板電腦iPad 2的充電量,在手機電池容量本來就不多的情況下,如此大電流的持續充電,對手機電池與行動電源自身的電池有極大的傷害。

 

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(三)競爭分析三:USB車用充電器

我們找了4款USB車用充電器來對6款行動裝置(手機及平板)進行充電(表四),依舊觀察到MI 2的手機依舊照自己的充電模式,幾乎都拉大電流來充電,電流量幾乎要和平板iPad 4拉的電流一樣大,尤其平板電腦本身相較於手機,本來就會拉比較大的電流來進行充電,但MI 2竟然可以拉到與平板電腦一樣,甚至更高的電流。

 

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(四)競爭分析四:車用音響裝置

我們找了4款車用音響裝置來對6款行動裝置(手機及平板)進行充電(表五)。基本上汽車音響裝置如Sony和JVC都是遵循USB的SDP標準慢充模式來提供0.5A的充電量。唯有Samisen因為沒有遵循USB的SDP模式,因而造成各多數手機無法進行充電。其次,我們可以發現Sony與JVC的車用音響裝置也無法對iPad 4進行充電,這是由於平板電腦iPad 4對於充電量的需求較高,但兩家的車用音響裝置卻無法提供超過0.5A的電流,因此產生無法充電的情況。

 

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根據上述四個測試結果可以證明,即使市面上有許多的行動電源或電源供應器,但能做到最有效的充電模式又不傷害到自身的電池壽命,實際上充電量的多寡是取決於手機裝置本身的協議。因此,如何在手機的充電協議上作進一步的技術優化就顯得非常重要,才能讓手機在對各式各樣的充電器進行充電時能有最高的互通性,並因此獲得穩定有效的電流。

 

實測評鑑二:無線充電技術簡介與實測

關於無線充電技術的發展與相關標準協會,請參考「無線充電技術(Wireless Charging)擺脫麻煩充電器實現無限可能」文章介紹。在本次的測試報告中,我們首先將焦點鎖定在WPC協會所發展的技術與其認證過的產品,其基本原理是在發送端(TX)和接收端(RX)都裝置一個線圈,當TX連接電源時會形成「電流會產生磁能、磁能會製造電流」的電磁感應,而RX線圈感應到這個電磁信號,透過磁場的變化便可產生電力為電池充電。然而,我們都知道電源在功率轉換的過程中一定會有能源耗損的情況產生,尤其是在無線充電TX轉RX的過程(如下表六),不論是從Te1到Te2,再從Te2傳遞給Re1,這不同階段的傳遞過程都會造成功率的耗損,也就是電流的傳導不可能是百分之百的功率。另外,TX與RX兩端的距離、相對尺寸、線圈設計、線圈角度以及線圈形狀也都會對無線充電產生影響。例如欲將無線充電達到最高效率,礙於能量的傳遞與耗損限制,應該儘可能減少TX與RX之間的距離;TX與RX兩端的線圈也要採取同樣尺寸的設計以達到最佳的電量傳輸功率。

 

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然而,根據WPC的定義,70%的功率轉換是一個最高且最優化的標準。在此份評鑑報告中,我們的目的就是要來觀察目前市面上販售並以通過WPC Qi認證的產品,是否真時達到70%這個標準。有了這個前提之後,我們再為大家簡單介紹WPC所推出的幾種TX技術原理(表七)。

 

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本次無線充電測試,我們總共選取了3款市面上以販售的產品(表八)來對具有無線充電功能的手機進行充電,分別針對100mA到1000mA的不同負載的範圍(以100mA為單位)來測試其功率,是否有達Qi的認證明載無線充電的功率轉換需達70%。

 

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根據表九測試結果,我們發現兩項關鍵議題:

(一)雖然WPC宣稱認證產品都必須達到70%的能源轉換充電效率,但根據實測結果顯示幾乎都未達70%的標準。

  • Panasonic的功率最高只達50.92%;Maxwell也只到達58.13%,我們可以發現兩家裝置都未達70%的要求;然而,他們皆屬於Qi的認證產品。
  • Nokia DT-900的充電效率不穩定,供電斷斷續續以致於無法完成測試,它只能對Nokia牌子的手機進行充電,其他牌子大多數皆失敗。

(二)WPC 1.1宣稱在5W的功率下,充電裝置應該可進行最大1A的充電量,但我們可從上表發現,Maxwell充電拉到900mA時就無法在往上提升而中斷。

總結來說,儘管無線充電技術近來越來越熱門,但根據我們的觀察仍然可以歸納出幾項潛在風險是需要被一一克服。

1. 充電距離短

— 無線充電的TX和RX裝置相隔不能太遠,在1~2公分的距離內才能有較佳的充電效果;一旦距離過長,能量的衰減將逐漸增加。

2. 較低的充電效能與能量轉換功率

— 相較於直接的有線充電,無線充電的的損耗較大,傳輸效率不高,極易造成電能的浪費。因此無線充電技術還需要提高其整體充電效能才能提升使用者轉而採用的意願。另外,充電的功率也還未達有線充電的程度。

3. 安全性

— 線圈在電流充電的情況下會不斷產生熱能,導致充電的平台與裝置會有過熱情形發生。

— 在充電平台與裝置間,應具有適當的異物偵測功能才能排除其他物質的干擾。

— 傳輸電流容易受到其他訊號干擾如手機來電或來自其他電器的訊號,進而影響充電功率。

4. 相容性

— 不同裝置與充電器的相容性與互通性問題,即使有過Qi認證的裝置也還是存在無法充電的情形,對整體安全性來說仍有一大疑慮。

 

實測評鑑三:有線、無線充電技術效能比拼與分析

在這個階段,我們將為兩種充電技術進行充電時間以及耗電量的比拼。

(一)充電時間

 

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透過只剩2%的手機電量到充滿為止所產生的測試結果(表十),有線與無線充電在充電時間上並沒有太大差異,幾乎都在3小時左右即可充滿電量,平均充電量也都維持在600 mA左右的範圍。有線充電技術的充電量稍微高一點,但是溫度僅有34度,低於無線充電的40.9度與38.7度,但無線充電的溫度也還在可接受的範圍內。

(二)功率消耗

 

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既然有線或無線充電幾乎在3小時就可以充滿手機電池,也就是充電時間相同,那麼我們就換個方向來測試他們的功率消耗情形;在同樣的時間內,功率是否會有所差異。根據表十一的AC Power Meter可發現,無線充電的功率平均為55.08%;有線充電的功率為65.39%,在功率上是有明顯的差異。在無線充電方面,3小時共用了17.931瓦的電量,因此平均一小時消耗了5.977瓦;而有線充電3小時共用了11.558瓦,平均一小時3.8527瓦。因此我們可以推論在同樣時間的情況下,無線充電是比有線充電還要耗電。

以目前雙方的發展趨勢來看,隨著USB-IF計畫在USB 3.0市場漸漸普及的同時,加速BC規範的修訂與推展,這使得USB 3.0不但能高速傳輸影像與資料封包外,更可以達成快速充電的多工目標,進而鞏固USB 3.0在充電器與行動裝置市場的領航地位。然而,雖然有線充電技術看似比較穩定以及高效,但在未來的發展趨勢逐漸走向無線充電技術的情況下,無可避免的相關技術或是標準規範都會不斷的演進與更新,以目前無線充電技術只有5瓦的功率,最佳的情況下也才提供1A的充電量來說(普遍都未達70%),目前還很難跟有線充電技術作比較。但隨著使用者的需求增加與充電模式的簡單易化發展下,無線充電技術最大的特色在於統一的規格與資源等兩項優點,擺脫紊亂的充電器材、線材,即能透過無線充電技術來對各式各樣的手機進行充電,為廠商省去硬體成本外,也減少資源的浪費。

值得注意的是,無線充電技術更不只關注在消費性電子產品,未來不論是數位家庭或汽車工業也極可能納入此關鍵技術應用,整體產業規模不容小覷之外,所有的產品設計與開發驗證就更需專業且完整的驗證解決方案。百佳泰除了有一系列的USB認證外,也針對無線充電技術擁有完整性的驗證能力;換言之,不論是有線、無線充電技術,我們將全面提供相關廠商充電技術的問題偵錯與相關技術支援。本文章在此謹以專業實驗室角度,歸納幾項我們發現的重點項目與大家分享,創造一個技術分享的楔子,期待導引出更多充電器、手機、車用多媒體娛樂系統等廠商或相關零組件開發商在研發設計產品時,一個品質保障的參考與技術諮詢。

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