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充电技术不设「线」 百佳泰有线、无线充电效能实测与评鉴报告
2013 2013-08-29

随着可携式电子装置的高度进化与普及,举凡智能型手机、平板电脑以及数码相机等众多产品也不断推陈出新;可以预期的是,电源的高度使用与随之而来的充电需求将成为它们之间所汲汲营营试图优化的共通点。不论你是使用有线USB接口为基础的万用充电解决方案,抑或采用近期发展逐渐白热化的无线充电技术,能让你的装置快速充满电量,并降低功率的耗损将成为各家厂商在研发或采购相关充电技术时的重要考虑指标。

有鉴于此,百佳泰特别针对有线、无线充电技术的发展与产品,为大家进行兼具深度与广度的充电效能实测与评鉴分析;未来不论是有线或无线充电器、手机、车载多媒体娱乐系统等厂商或相关零组件开发商,皆可透过百佳泰寻求最完整的充电效能分析与兼容性测试解决方案。

本篇文章将分成三个部份,第一部分是针对有线充电技术的规范发展与市面上通用的充电器产品来进行竞争分析;第二部分则针对无线充电技术标准协所推出的充电器装置进行简介与实测;在最后一个部分,我们会对两种充电技术进行效能比拼与分析。电子装置的硬件发展战火已逐渐延烧至外围应用如充电器,能一举占领电源补给需求的关键技术版图,将为能源的使用和储存应用创造新的产业契机。

实测评鉴一:有线充电技术竞争分析

当USB不再只是数据的传输接口,而成为可供应智能型手机、平板电脑等行动装置的电源传输接口时,即符合我们之前为大家介绍过的充电器通用接口标准IEC 62684的要求,让电源供应器具有高效能、低损耗、低幅射及高安全性管理的技术规格(详情请参考IEC 62684手机充电器标准:一「体」成形、一「器」呵成)。为符合IEC 62684的技术规格,受测装置必须先通过USB-IF协会所制订的连接器测试规范以及相关规定,而USB-IF协会更将于2013年底前正式推出最新的电池充电标准1.2版本(Battery Charging V1.2,BC 1.2)的兼容性测试。简单来说,BC 1.2有三种充电模式:标准下行端口(Standard Downstream Port,SDP)、充电下行端口(Charging Downstream Port,CDP)以及专用充电端口(Dedicated Charging Port,DCP)。SDP属于标准慢充模式,仅能提供最高7.5瓦、500毫安(mA)的电流,因此充电速度较慢;DCP与CDP则为快速充电模式,能支持500mA或1,500 mA两种电流,可缩短行动装置或其他消费性电子产品的充电时间,并可直接透过交流电(AC)充电。日后欲取得USB-IF认证的装置,皆须通过BC 1.2版的CTS认证。换言之,未来不论智能型手机、平板装置、笔记本电脑以及数字家庭产品都可使用USB来进行充电。

另一方面,Apple虽然其产品的充电器接口也是透过USB来进行,但其专属的充电模式是不同于USB-IF协会所推出的BC标准;因此,我们特别藉由下表一来带领大家了解当今两大有线充电技术的优劣。

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有了这个前提之后,我们即根据市面上不同充电器包含USB电源供应器、行动电源、USB车充以及汽车音响装置来进行多款的手机充电实测与竞争分析。在所谓的有线充电技术里,我们首先必须厘清的一个观念是,充电器本身会根据其充电模式与效能的不同提供固定电流或是不同模式的电流充电,但此时实际充电量的多寡是取决于手机装置本身的协议。也就是说,假使充电器本身宣告能提供最高2A的电流,但手机本身只能进行1A或是0.5A的电流充电时,这时整个充电量就会是以手机所需的电流量为主,也就是只会充电1A或0.5A,因此装置本身的充电协议才是造成其充电量多寡的主因。

(一)竞争分析一:USB电源供应器

我们找了8款USB电源供应器来对6款行动装置(手机及平板)进行充电(表二),基本上因为不同装置有各自的充电协议,因此在对应不同台USB电源供应器所拉的电流会有所差异。其中比较值得关注的议题有二,首先我们可以发现用Samsung的电源供应器来充iPad 4时,可能因为iPad 4本身的充电协议的限制,导致它只能向Samsung的电源供应器拉到0.467A的电流,因为低于0.5A的最小充电值,所以我们发现iPad 4因此不进行充电。其次,从小米机2代(MI 2)的充电量来看,我们发现不论哪一台电源供应器,MI 2都是以最大的电流趋近1A来充电,如此的好处是充电的速度会很快;然而长久下来其实对手机本身的电池寿命是有所影响的,尤其是在电量移转与消耗的过程中,会不断在降低电池的寿命。

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(二)竞争分析二:Power Bank行动电源

我们找了5款行动电源来对6款行动装置(手机及平板)进行充电(表三)。MI 2的充电量依旧维持在行动电源能提供多少电量,MI 2就拉多少电量,有时所拉的电量还超过平板电脑iPad 2的充电量,在手机电池容量本来就不多的情况下,如此大电流的持续充电,对手机电池与行动电源自身的电池有极大的伤害。

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(三)竞争分析三:USB车载充电器

我们找了4款USB车载充电器来对6款行动装置(手机及平板)进行充电(表四),依旧观察到MI 2的手机依旧照自己的充电模式,几乎都拉大电流来充电,电流量几乎要和平板iPad 4拉的电流一样大,尤其平板电脑本身相较于手机,本来就会拉比较大的电流来进行充电,但MI 2竟然可以拉到与平板电脑一样,甚至更高的电流。

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(四)竞争分析四:车载音响装置

我们找了4款车载音响装置来对6款行动装置(手机及平板)进行充电(表五)。基本上汽车音响装置如Sony和JVC都是遵循USB的SDP标准慢充模式来提供0.5A的充电量。唯有Samisen因为没有遵循USB的SDP模式,因而造成各多数手机无法进行充电。其次,我们可以发现Sony与JVC的车载音响装置也无法对iPad 4进行充电,这是由于平板电脑iPad 4对于充电量的需求较高,但两家的车载音响装置却无法提供超过0.5A的电流,因此产生无法充电的情况。

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根据上述四个测试结果可以证明,即使市面上有许多的行动电源或电源供应器,但能做到最有效的充电模式又不伤害到自身的电池寿命,实际上充电量的多寡是取决于手机装置本身的协议。因此,如何在手机的充电协议上作进一步的技术优化就显得非常重要,才能让手机在对各式各样的充电器进行充电时能有最高的互操作性,并因此获得稳定有效的电流。

 

实测评鉴二:无线充电技术简介与实测

关于无线充电技术的发展与相关标准协会,请参考「无线充电技术(Wireless Charging)摆脱麻烦充电器实现无限可能」文章介绍。在本次的测试报告中,我们首先将焦点锁定在WPC协会所发展的技术与其认证过的产品,其基本原理是在发送端(TX)和接收端(RX)都装置一个线圈,当TX连接电源时会形成「电流会产生磁能、磁能会制造电流」的电磁感应,而RX线圈感应到这个电磁信号,透过磁场的变化便可产生电力为电池充电。然而,我们都知道电源在功率转换的过程中一定会有能源耗损的情况产生,尤其是在无线充电TX转RX的过程(如下表六),不论是从Te1到Te2,再从Te2传递给Re1,这不同阶段的传递过程都会造成功率的耗损,也就是电流的传导不可能是百分之百的功率。另外,TX与RX两端的距离、相对尺寸、线圈设计、线圈角度以及线圈形状也都会对无线充电产生影响。例如欲将无线充电达到最高效率,碍于能量的传递与耗损限制,应该尽可能减少TX与RX之间的距离;TX与RX两端的线圈也要采取同样尺寸的设计以达到最佳的电量传输功率。

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然而,根据WPC的定义,70%的功率转换是一个最高且最优化的标准。在此份评鉴报告中,我们的目的就是要来观察目前市面上贩卖并以通过WPC Qi认证的产品,是否真时达到70%这个标准。有了这个前提之后,我们再为大家简单介绍WPC所推出的几种TX技术原理(表七)。

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本次无线充电测试,我们总共选取了3款市面上以贩卖的产品(表八)来对具有无线充电功能的手机进行充电,分别针对100mA到1000mA的不同负载的范围(以100mA为单位)来测试其功率,是否有达Qi的认证明载无线充电的功率转换需达70%。

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根据表九测试结果,我们发现两项关键议题:

(一)虽然WPC宣称认证产品都必须达到70%的能源转换充电效率,但根据实测结果显示几乎都未达70%的标准。

  • Panasonic的功率最高只达50.92%;Maxwell也只到达58.13%,我们可以发现两家装置都未达70%的要求;然而,他们皆属于Qi的认证产品。
  • Nokia DT-900的充电效率不稳定,供电断断续续以致于无法完成测试,它只能对Nokia牌子的手机进行充电,其他牌子大多数皆失败。

(二)WPC 1.1宣称在5W的功率下,充电装置应该可进行最大1A的充电量,但我们可从上表发现,Maxwell充电拉到900mA时就无法在往上提升而中断。

总结来说,尽管无线充电技术近来越来越热门,但根据我们的观察仍然可以归纳出几项潜在风险是需要被一一克服。

1. 充电距离短

— 无线充电的TX和RX装置相隔不能太远,在1~2公分的距离内才能有较佳的充电效果;一旦距离过长,能量的衰减将逐渐增加。

2. 较低的充电效能与能量转换功率

— 相较于直接的有线充电,无线充电的的损耗较大,传输效率不高,极易造成电能的浪费。因此无线充电技术还需要提高其整体充电效能才能提升使用者转而采用的意愿。另外,充电的功率也还未达有线充电的程度。

3. 安全性

— 线圈在电流充电的情况下会不断产生热能,导致充电的平台与装置会有过热情形发生。

— 在充电平台与装置间,应具有适当的异物侦测功能才能排除其他物质的干扰。

— 传输电流容易受到其他讯号干扰如手机来电或来自其他电器的讯号,进而影响充电功率。

4. 兼容性

— 不同装置与充电器的兼容性与互操作性问题,即使有过Qi认证的装置也还是存在无法充电的情形,对整体安全性来说仍有一大疑虑。

 

实测评鉴三:有线、无线充电技术效能比拼与分析

在这个阶段,我们将为两种充电技术进行充电时间以及耗电量的比拼。

(一)充电时间

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透过只剩2%的手机电量到充满为止所产生的测试结果(表十),有线与无线充电在充电时间上并没有太大差异,几乎都在3小时左右即可充满电量,平均充电量也都维持在600 mA左右的范围。有线充电技术的充电量稍微高一点,但是温度仅有34度,低于无线充电的40.9度与38.7度,但无线充电的温度也还在可接受的范围内。

(二)功率消耗

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既然有线或无线充电几乎在3小时就可以充满手机电池,也就是充电时间相同,那么我们就换个方向来测试他们的功率消耗情形;在同样的时间内,功率是否会有所差异。根据表十一的AC Power Meter可发现,无线充电的功率平均为55.08%;有线充电的功率为65.39%,在功率上是有明显的差异。在无线充电方面,3小时共享了17.931瓦的电量,因此平均一小时消耗了5.977瓦;而有线充电3小时共享了11.558瓦,平均一小时3.8527瓦。因此我们可以推论在同样时间的情况下,无线充电是比有线充电还要耗电。

以目前双方的发展趋势来看,随着USB-IF计划在USB 3.0市场渐渐普及的同时,加速BC规范的修订与推展,这使得USB 3.0不但能高速传输影像与数据封包外,更可以达成快速充电的多任务目标,进而巩固USB 3.0在充电器与行动装置市场的领航地位。然而,虽然有线充电技术看似比较稳定以及高效,但在未来的发展趋势逐渐走向无线充电技术的情况下,无可避免的相关技术或是标准规范都会不断的演进与更新,以目前无线充电技术只有5瓦的功率,最佳的情况下也才提供1A的充电量来说(普遍都未达70%),目前还很难跟有线充电技术作比较。但随着用户的需求增加与充电模式的简单易化发展下,无线充电技术最大的特色在于统一的规格与资源等两项优点,摆脱紊乱的充电器材、线材,即能透过无线充电技术来对各式各样的手机进行充电,为厂商省去硬件成本外,也减少资源的浪费。

值得注意的是,无线充电技术更不只关注在消费性电子产品,未来不论是数字家庭或汽车工业也极可能纳入此关键技术应用,整体产业规模不容小觑之外,所有的产品设计与开发验证就更需专业且完整的验证解决方案。百佳泰除了有一系列的USB认证外,也针对无线充电技术拥有完整性的验证能力;换言之,不论是有线、无线充电技术,我们将全面提供相关厂商充电技术的问题侦错与相关技术支持。本文章在此谨以专业实验室角度,归纳几项我们发现的重点项目与大家分享,创造一个技术分享的楔子,期待导引出更多充电器、手机、车载多媒体娱乐系统等厂商或相关零组件开发商在研发设计产品时,一个质量保障的参考与技术咨询。

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