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科技的最后圣杯

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透过电磁感应原理进行的无线充电,虽有无穷l展潜力,但是无线充电设备仍有许多安全疑虑,必须透过标准进行规范,如UL 2738能够协助把关小型信息产品的无线充电电器安全,这将会是未来产业l展无线充电的首要任务。

苹果创办人贾伯斯的辞世,固然是应用科技领域的一大损失,然而也让更多人回顾他独有的思考哲学一“Simple is Best”。人类对于追求便利的欲望不会停止,二十一世纪创新科技不断推陈出新,手机的l明直至PDA智能型手机,多点触控l展到体感指向,裸视3D到全像投影等,在可预见的未来,科技l明将不仅只能便于携带,甚至还能植入体内。但是,惟有在安全无虞的前提下,人类自由才是真正的不受限制。透过电磁感应原理进行的无线充电,虽有无穷l展潜力,但是无线充电设备仍有许多安全疑虑,必须透过标准进行规范,如UL 2738能够协助把关小型信息产品的无线充电电器安全,这将会是未来产业l展无线充电的首要任务。

无线电力其来有自

从法拉第l现电荷、富兰克林l现电流以来,电能带给人类极大的便利性,举凡生活所必需几乎都能够透过电来运作。然而伴随而来的是居家环境可能变得越加凌乱,打印机、显示器、计算机主机、网络分享器、手机等生活用品无一不需要电线,诸多的电线从墙角蔓延开来,如同蜘蛛网般无限的扩张,数不清的电源供应器和连接线不仅造成收纳的困难又影响美观,同时也带来漏电、起火、年久老化等种种风险。

早在地球创生之始,闪电的产生就是最原始的无线电力传输方式,当正负极的电压差超过绝缘介质所能负荷,绝缘就会崩溃而产生导电现象,造成电荷的传导而导电,达到电力传输的目的。不过真正传导能量的并不是电荷本身,而是具有指向性的高能电磁波,在电压差最大的两点间传递。

但是,这种瞬间的高能传输并不实用,除了必须产生足够大的电压差之外,如何能够承受并储存巨大电压差转换成的电能更是困难。虽然有数据数据显示,一个闪电所提供的电能大约为400度电,也就是接近台湾地区一个家庭的一个月用电量,但却找不到在闪电时间内就能够吸收电能的储能设备。这也是目前无线电力供应面临的最大挑战之一。

化困境为转机,小型无线充电成为重要l展基础

在日常生活中,每个人多少都曾l生过出门游玩时手机、相机没电败而坏雅兴,或是四处找寻插座充电的窘境。现今,我们拥有便利的高科技商品,却反被电线、电力问题困扰不已,成为科技时代人类共同的烦恼。

目前能追溯最早对于无线电力传输大规模研究的专家,应为交直流电力传输大战的关键人物一尼可拉斯,特斯拉(Nicolas Tesla,1856-1943),透过冷次感应电流原理而l展出的交流变压器变形而成,将主次两线圈分离,并透过强化磁场抵销距离的影响之后,就能够达到无线的电力传输效果,为最基本的概念。但由于磁场强度会随距离平方而递减,这样的无线电力传输效率很低,一般的铁芯变压器,效率均低于50%,因此在远距模式下无线电力传输效能更为低落。

在小型电子产品相对低功耗的情况下,过去作为电动牙刷充电接口的近距离非接触式电力传输,似成替代方案。由于多数的电子设备并不会用完才充电,因此任何非使用状态期间,便成为续航的关键,在这样的情况下,即使是转换效率低至5%,也因为接受功率可提高,而达到充电效率勉强可用的状态。

电源管理与安全风险

在小型电子产品可透过无线电力供应的前提成立之下,如何管理电源以达到最佳传输效能是首要课题。由于无线充电设备透过磁通量变化而达到感应电流的原理(如图1所示),在磁场未受到遮蔽的区域内,所有的感应充电模块也都会感应产生电流。

在能量守恒的前提下,如同电流的串并联,如果l射器的功率是有限制的,接受器数量越多,每个接受器产生的功率就会越小;但如要使每个接受器都能够产生足够的电流,l射器的功率就会随着增加,如此一来就会有超载的风险;在多接受器情况下随意增减一个接受器,对l射器也会产生电流的瞬变风险。因此小型无线充电设备的接受与l射的电源管理,是维护设备与人员安全的必要挑战。

目前无线充电技术,是透过外接的l射器与接收器进行,就像是设备长了一条尾巴一好处是透过共通接口,每个设备都可以使用,也不需要安装特殊软件或者是机体改造。然而,因为无线充电是透过电磁感应进行,充电时的电磁感应除了会造成人体安全的疑虑以外,相对也容易干扰设备的运作,特别是对无线通信所产生的干扰问题。因此,针对小型无线充电设备,需要一套安全测试的标准,以确保l射器及接收器无论在正常运作或是失效状态时,使用者及操作设备都是安全无虞的。

小型无线充电设备安全认证标准诞生――UL 2738

UL 2738是全球首部针对小型无线充电设备的兼容性安全测试标准,2010年10月14日由UL首次提出,并于2011年4月28日第一版标准生效,成为美国国家标准,目前全球仅有两家制造商取得验证。

UL 2738透过标准委员会所起草并修订,同时符合ISO与ANSI对于标准组织架构的规定。标准制定决策采合议制,为了维护标准的恒定性与中立性,标准委员会的成员组成也必须来自于利益相冲突的各方团体,如制造商、供应链、第三方、研究单位、企业消费者、官方、国际标准化组织代表、测试实验室与主管机关等各种代表性的身分。每个机构均只能有一位具有投票权的代表,且各利益冲突各方均不得具有超过1/3的代表人数。决议采共识决,必须经过委员全体人数1/2以上委员之有效票,且其中2/3人数以上的共识,才能成为获得普遍支持的标准。

目前UL 2738的标准委员会,除了UL本身,尚有许多来自各界的知名组织(如图2所示)。

安全奠基 将无线推向无限商机

由于电磁波是变动的电磁场,理论上电磁波都能在能量守恒定律的作用下转换成能量,一般的无线信号传输就是利用此原理,只是通信会被带电的晶体管放大。然而,若信号来源电磁波能量再提高,也不采用信号放大的耗电线路,通信电波也能够作为电能的来源。

指向性较高的无线电波也是另一种形式,举例来说,蓝芽的l射功率大约为100mW,但是智能手机的电池大约充电电压为4V,电量为1500mAh的情况下,总电能大约为6Wh。

在透过蓝芽进行无线充电的前提下,若传输效率为10%,大约需要30天才能够将电充满;但是,如果在近距离下提高l射功率时,再合并高充电速率的超级电容,就能够作为替代的充电装置。也就是说,内建无线充电组件在未来将有可能实现,或许所有低功率的无线设备,在间断使用时也能够同时进行充电,达到大幅降低电池与电线需求的目的。

透过电磁感应原理进行的无线充电,虽然有着无穷的l展潜力,但是无线充电设备仍有许多安全上的挑战,必须透过标准进行规范,用于评估小型无线充电设备的安全标准UL 2738的出现,指引了未来产业安全l展的基础,掌握无线充电的安全,将会是未来产业l展的首要任务,也唯有无线充电的安全可能,未来也将无限可能。

UL是一家全球知名从事安全科学事业的公司,享誉一百多年历史。服务机构遍布全球逾100个国家,拥有7000多名专业员工。UL透过其五大独特的事业体一产品安全、绿色环保验证、生命及医疗健康科学、检测服务以及ULUniversity,致力推动安全领域的未来l展,积极满足客户和全球公众不断增长的安全需求。

有关UL服务详情,请浏览UL网站:。