無線充電 (WPT) 安規與 GMA 認證解析：FOD 異物發熱、EMF 曝露與各國頻譜法規

Sonya Chan
8分钟前
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在消費性電子的演進中，無線電力傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）已從「炫技」功能轉變為標配。從手機的 Qi 標準到最新的 Qi2（磁吸），甚至未來的 Ki（廚房家電無線供電），功率正從 15W 邁向 2200W。

然而，對於安規與法規（Regulatory）工程師而言，WPT 是目前全球市場准入（GMA, Global Market Access）中最令人頭痛的品項。它是一個橫跨多重領域的怪獸：它既是電源（安規），又是發射器（無線電），更是強磁場源（人體曝露）。

本文將深入剖析 WPT 硬體設計中除了電路效率外，最致命的安全隱患——異物加熱（Foreign Object Heating）的物理機制，探討異物偵測（FOD）技術的極限，並解構在 GMA 認證中，各國對於 WPT 產品分類定義的混亂與對策。

物理失效機制：當充電板變成電磁爐

WPT 的工作原理基於電磁感應（Inductive Coupling）或磁共振（Magnetic Resonance）。發射端（Tx）線圈產生交變磁場，接收端（Rx）線圈感應出電動勢。但如果在這個磁場中，不小心放入了一枚硬幣、一串鑰匙或一個迴紋針，會發生什麼？

渦電流與焦耳熱 (Eddy Currents & Joule Heating)

這是一個經典的物理現象，與廚房裡的電磁爐（Induction Cooktop）原理完全相同，只是功率較小，但對於微小的金屬物體來說已經足夠致命。

磁場切割： 發射線圈產生的交變磁場穿過金屬異物。
渦電流產生： 根據法拉第電磁感應定律，變化的磁場會在導體（金屬異物）內部感應出閉合的環形電流，稱為「渦電流」。
焦耳熱效應： 金屬具有電阻。當強大的渦電流流過金屬的內阻時，電能被轉化為熱能（焦耳熱）。

失效後果：

在沒有保護的情況下，一枚位於 15W 充電板上的硬幣，其溫度可以在幾分鐘內飆升至 100°C 以上。這足以熔化充電板的塑膠外殼（通常是 ABS 或 PC），燒傷使用者的皮膚，甚至引燃周圍的易燃物（如紙張或布料）。

因此，WPT 的硬體安全核心，不在於「傳電」，而在於「拒絕傳電」——即異物偵測（FOD, Foreign Object Detection）。

硬體防護邏輯：FOD 的偵測原理與盲區

為了防止上述災難，WPT 協議（如 Qi）強制要求必須具備 FOD 功能。這依賴於精密的硬體量測與演算法。

1. 功率損耗計算法 (Power Loss Accounting)

這是最主流的 FOD 方法，其邏輯類似於會計查帳。

發射端 (Tx)： 測量自己發出了多少功率（$P_{Tx}$）。
接收端 (Rx)： 測量自己收到了多少功率（$P_{Rx}$），並透過通訊協議將此數值回報給 Tx。
計算與判定： Tx 計算兩者的差值（$P_{loss} = P_{Tx} - P_{Rx}$）。正常情況下，這個差值應該等於已知的傳輸損耗（線圈發熱等）。如果差值異常大（例如超過 300mW - 500mW），系統就判定「有小偷（異物）在竊取能量」，並立即切斷電源。

GMA 認證注意點：

在進行 Qi 認證或安規測試時，實驗室會使用標準化的「異物樣品」（如特定尺寸的鋼片、鋁環）。硬體設計師必須校準 Tx 與 Rx 的電流感測電阻（Shunt Resistor）精度。如果感測誤差過大，會導致 FOD 誤判（充不到電）或漏判（燒毀硬幣）。

2. 品質因子偏移法 (Q-Factor Shift)

這是在充電開始前的預檢測（Pre-charge FOD）。

原理： 發射線圈與電容形成一個諧振電路（LC Tank）。金屬物體的靠近會改變線圈的電感量（Inductance）和等效串聯電阻（ESR），進而改變諧振電路的品質因子（Q值）和諧振頻率。
判定： Tx 在正式送電前，先發送微弱的探測脈衝（Digital Ping）。如果測得的 Q 值低於預設閾值，則拒絕啟動充電。

GMA 認證的法規迷宮：是收音機還是電源？

對於行銷全球的 WPT 產品，最大的挑戰不在於技術，而在於法規分類（Regulatory Classification）。不同國家對 WPT 的定義南轅北轍，這直接決定了你需要做哪些測試。

這是在 GMA 認證規劃中必須特別注意的三大陷阱：

陷阱一：頻譜佔用與「非無線電」設備 (ISM vs. Radio)

WPT 雖然使用無線電波（通常在 100kHz - 300kHz 或 6.78MHz），但其目的不是「通訊」，而是「傳能」。

歐盟 (RED 指令)： 歐盟將 WPT 明確定義為無線電設備。因此，即使它不傳輸資料，也必須符合 ETSI EN 303 417 標準。這是一個強制性的 RF 測試，對頻率穩定度、雜散輻射（Spurious Emission）有嚴格要求。
美國 (FCC)： 這裡非常複雜。
- Part 15 (Radio Frequency Device)： 如果 WPT 在充電過程中利用該頻率進行通訊（如 Qi 協議的負載調變），它被視為有意輻射體（Intentional Radiator）。
- Part 18 (ISM Equipment)： 如果 WPT 僅傳能，不利用該頻率通訊（通訊走藍牙等），它可能被歸類為工業、科、醫設備（ISM）。
- 注意： 選擇錯誤的分類會導致 ID 申請被駁回或測試項目完全錯誤。

陷阱二：中國 SRRC 的新規定 (Interim Provisions)

這是近期（2024-2025）GMA 認證的重中之重。中國工信部發布了《無線充電（電力傳輸）設備無線電管理暫行規定》。

頻率限制： 嚴格限制 WPT 只能工作在特定的頻段（如 100-148.5 kHz, 6765-6795 kHz 等）。任何超出此範圍的頻率（包括諧波）都可能導致型號核准（SRRC）失敗。
帶外發射： 對帶外輻射的限制極為嚴格，目的是防止干擾天文觀測和航空無線電。硬體工程師必須在線圈驅動級加強濾波設計。

陷阱三：人體磁場曝露 (EMF/RF Exposure)

這是所有 GMA 市場的強制項目，且標準不一。

物理指標： WPT 產生的是強磁場（H-field）。測試重點不在於 SAR（熱效應），而在於神經刺激（Nerve Stimulation）和內部電場感應。
測試距離的爭議：
- 移動設備通常測量 0mm 或 5mm（貼身）。
- 桌面設備可能測量 10cm 或 20cm。
- GMA 痛點： 加拿大（ISED RSS-102）和澳洲等國對 WPT 的 EMF 評估有特殊要求，有時比 FCC/CE 更嚴格。如果硬體設計時漏磁（Magnetic Leakage）太大（例如磁遮蔽材料 Permeability 不足），可能導致產品無法進入這些市場。

結論：系統級的安規思維

WPT 的安規認證不再是單純的「電源測試」。它是一場融合了熱學（FOD 加熱）、電磁學（EMF 曝露）與無線電頻譜管理（RF 規範）的綜合戰役。

對於硬體工程師而言，必須在設計初期就將各國對頻率的限制、金屬異物的敏感度校準以及磁場遮蔽的效率納入考量。在 GMA 市場中，一個在 FCC (美國) 合規的產品，很可能因為頻率偏移而在 SRRC (中國) 失敗，或因為磁場洩漏而在 EN 303 417 (歐盟) 碰壁。唯有具備全域的法規視野，才能讓無形的能量安全地跨越國界。