行動裝置的便利性是其受到消費者歡迎的主要原因，然而充電需求就是影響使用者經驗的關鍵之一，因此提升充電便利性也成為廠商發展的重點，在此一趨勢下，高功率無線充電逐漸成為剛性需求，而充電安全性更是高功率方案能否普及的核心，從快充與安全的兩端來觀察，做到其中一個都沒有太大困難，但能「安全的快充」才算達陣，本文就將從安全威脅深入剖析。
恆溫充電為無線充電最高原則
無線充電發展多年，技術已相對成熟，儘管WPC的Qi標準充電瓦數一直停留在15W，但事實上以手機為例，做到更高瓦數的充電並不困難，Littelfuse資深應用工程師游恭豪(圖1)指出，高功率、高效率、高安全性是無線快充的三位一體，不是專注達成一個就好，由於行動裝置是消費者貼身使用的產品，安全問題重要性更高，也不容被犧牲。
游恭豪進一步強調，無線充電安全性的核心在「熱」，電子產品過熱小從晶片大到系統，都會受到影響，溫度過高會影響晶片、系統效能，甚至讓使用者產生不適，情況嚴重會出現灼/燒傷。因此，一般系統的設計原則是：恆溫充電。只要系統在充電時超過一定溫度上限，就會主動降低功率，利用溫度控制充電速度。
2021年2月甫推出的小米11，支援有線充電55W，無線充電50W與無線反向充電10W，全球安全科學機構UL提到，目前市場上已有手機支援50W的無線充電，並號稱大約只要50幾分鐘就可以將4600mAh的電池充滿，這樣的充電效率其實與一般手機使用有線充電相當。未來無線充電技術也將朝中高功率發展，在功率提升的情況下，就必須注意包括晶片微小及線圈間的過熱問題、對於裝置內的電池在充電過程所產生的熱能處置、金屬異物的介入可能引起危害、在靜態中的消耗以及在充電過程中的效率、或是使用者的錯誤使用該如何保護等。
FOD為系統設計帶來重大挑戰
5G與物聯網(IoT)產業蓬勃發展，新興電子產品有更多以電池供電，因此無線充電的應用也愈加廣泛，台灣瑞薩電子物聯網暨基礎設施事業部技術部資深經理周憲毅認為，無線充電安全性最大挑戰就是金屬物異物檢測(Foreign Object Detection, FOD)，如果在充電座跟充電設備(如手機)間有金屬異物介入，造成線圈渦電流效應讓金屬物持續發燙功耗增加而有燒毀充電座的安全性隱憂，此問題在高功率設計上只會更嚴重。
所以設計開發上就須考量到異物檢測功能的判斷，周憲毅提醒，設計異物檢測保護雖可強化安全性，但是充電面積效能就會受到影響，高功率設計需要盡量加大線圈圈數與面積，也為廠商帶來新的挑戰，瑞薩的做法便是透過硬體電壓電流檢測以及軟體動態即時偵測功率損耗演算法，可以即時判斷是否隨時有金屬物的介入，如有異物介入即可以確認高功率消耗進而停止充電以保護裝置的安全性。
無線充電在設計階段，必須先預設可能的使用狀況，UL強調，像是在無線充電的過程從輸入端變壓器的選擇、協議的溝通、充電功率的判讀、金屬異物介入、偵測電池在充電過程的變化。這些過程中除了要仰賴零件的製程技術外，充電系統內的軟體演算也極為重要，它能強化保護機制，減少危險的發生率。安全性除了透過取得WPC的Qi認證外，在產品設計上，也建議符合新世代影音類產品及資訊科技設備的標準IEC/UL 62368-1以及電源供應設備安全標準UL 1310/UL 1012，強化對無線充電設計的安全性評估。
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，量測金屬異物模擬物件的最高溫度，防止一般大眾將硬幣、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，有可能會產生被其高溫燙傷的危害。
兼顧安全性的快充才能被接受
近年無線充電發展有些雷聲大、雨點小的現象，除了氮化鎵(GaN)充電元件發展迅速，透過有線充電已可達65W，未來甚至要朝90或120W邁進，對消費者的使用體驗確實有感，反觀無線充電還停留在15W以下，實際充電瓦數都在7.5W甚至更低。因此，無線充電發展15W以上的充電應用就顯得相當重要，游恭豪認為，Apple近期將其無線充電結合MagSafe，透過磁力對準可以讓充電更有效率，同時也降低發熱問題。
Apple MagSafe充電器，一貼就能進行無線充電，磁石對位能貼合Tx與Rx，但是需要犧牲線圈的空間擺放磁石，目前行動裝置無線充電技術主流Qi是使用磁感應技術，這類技術Tx與Rx線圈對準才能創造高充電效率，游恭豪指出，使用磁力對準無非是在效率與安全前提下作出的妥協，Apple MagSafe將有效充電功率提升到Qi上限的15W，也建立產業生態系並推動標準相容性認證，未來應該會持續提升充電功率。
另外，無線充電產品日漸普及，許多賣場如IKEA或星巴克，也開始提供無線充電服務。UL強調，要讓整個無線充電的環境更加便利，除了政府的政策獎勵外，安全性仍是關鍵，設計適合使用於公共環境的無線充電模組，並符合測試認證，才能創造讓使用者安全與安心的體驗。以安全為出發點的UL，有一系列針對無線充電產品的評估解決方案，如透過WPC的要求取得Qi認證、以小型無線充電設備的安全標準UL 2738等，利用完整測試認證流程防止潛在的危害發生。
無線充電便利/安全通通要
而透過保護元件更是將無線充電功能加上最後一道保險，游恭豪說，在智慧手機的充電系統理，傳輸端分成電源供應器(Power Adapter)、充電線與充電板(圖2)，在電源供應器中需要防雷、過電流、過溫保護，在充電線中需要過溫與靜電保護，而充電板則需要過溫、過流與靜電保護。過去幾年，15W以下的無線充電技術成熟，所以這些保護元件逐漸在降低成本的理由下被省略，現在發展高功率充電，保護元件的採用率又隨之提高。
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。
在智慧手機的無線充電功能已經逐漸往中階萬元手機邁進之際，有些高階機種更導入了雙向無線充電功能。車內的無線充電功能也越來越受消費者歡迎，未來無線充電將不再只是高階車種的專利，對消費者而言，如果能在可靠性和安全性上獲得更進一步的確保，將有助於市場的開拓，提升消費者對產品與品牌的信賴度，因此未來幾年無線充電將在充電功率、效率、安全性三者兼顧的方向上持續前進。
