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行業新聞
解析電磁感應式無線充電系統的三大核心技術
2015-11-27 10:27:20

    相較于其它電子科技發展,感應式充電的技術發展顯的緩慢,幾個關鍵技術問題直到近年才有解決方案,且解決方案還在不斷的演進中。無線充電可通過許多方式去完成,以目前的技術中“電磁感應式”為已經量產且經過安全與市場驗證的產品,在生產成本上電磁感應式技術的產品低于其它技術,有市場預測在接下來數年內,在消費類電子產品領域中該類產品將呈倍數成長。在本文中將探討目前在電磁感應式無線充電系統中三大核心技術:諧振控制、高效能功率傳輸以及數據傳輸,以及它們面臨的難題與現有的解決方法。

諧振控制

    現今量產的IC制程已經進步到納米層級,但量產電容、電感組件的規格卻很難作到誤差在百分之一以下,而在電磁感應式電力系統中的系利用兩個線圈感應,而線圈即為電感,在線圈上需要搭配電容作為諧振匹配,這樣的構造即同LC振蕩裝置,較為不同的是在這系統中的目的是為了要在線圈上傳輸功率,為了提高效率需要在電容、電感選用低阻抗零件使質量因子Q提高,在這樣的設計下其諧振曲線的斜率變的非常的大,在量產中系統設計頻率與電容、電感搭配變的非常困難,因為先前提到電容、電感存在相當的誤差,在量產中這樣的誤差若是沒有在系統中加入諧振控制修正誤差因素,則成品良率難以控制。在電容、電感誤差下會搭配出偏移原設計諧振點組合,導致發射功率與設計預定值有所偏差。參考圖(一)所示,在電磁感應電力系統中發設端的線圈上訊號振幅大小即為輸出功率的大小,在這個示意圖中表示一組線圈與電容組合的諧振曲線;在曲線上橫軸為操作的頻率,在不同的工作頻率下于線圈上有不同大小的振幅輸出,而最大振幅的諧振電將出現在頻率F=1/(2π√(LC))之上,在設計上并不會將系統設定在最高功率輸出的諧振點上,而是會工作在比諧振點高一些的頻率使輸出功率維持在適當值,在系統中我們通常稱這個頻率為中心工作頻率。在感應供電過程中可能會需要加大或降低輸出功率,這時只要調整工作頻率就可以完成。如圖(一)所示,在需要加功率時需要降低些頻率使其靠近諧振點,用以提高輸出功率,反之要降低輸出功率只要提高頻率即可完成,在此將這個方式定義為變頻式功率調整。

 

 

圖(一)變頻式功率調整

另外一個改變輸出功率的方式為改變發射端上的驅動電壓,參考圖(二)所示,在同一線圈與電容的諧振組合中,當于驅動發射線圈上的開關電壓大小即直接改變的輸出功率的大小,在此將這個方式定義為變壓式功率調整。

 

 

圖(二)變壓式功率調整

    先前有提到在量產中線圈與電容存在的誤差需要被修正,修正的目的在于每一組生產出來的產品需要有一致的功率輸出設定。參考圖(三)所示,這是典型量產中產品的諧振曲線,有諧振點偏高與偏高的產品;在變頻式的系統中,為了要始輸充功率都合乎預期設定,當諧振點偏高(電容或電感值偏小)的組合中即提高中心工作頻率使輸出功率與設計目標相同,反之諧振點偏低時就反向操作,如圖(三)中所示,變頻系統擁有寬裕的修正容許空間。

 

 

圖(三)變頻式諧振偏差修正

    另外一個修正諧振偏差的方式為變壓式,參考圖(四)所示利用改變驅動電壓的方式進行,當諧振點偏高(電容或電感值偏小)時就降低驅動電壓使功率輸出降低到所設計的預定值,反之諧振點偏低時就反向操作。可以看出利用變壓式的調整方式,修正容許空間相較于變頻式較為狹窄,主要為改變電壓的修正幅度沒有改變頻率方式的大,由于反應較緩所以也比較好控制調整幅度。

 

 

圖(四)變壓式諧振偏差修正

    在諧振系統中調整功率的方式另外還有改變線圈上的電感值或電容值的方法,但在實際量產上并不容易完成所以不被采用。在圖(五)是無線充電聯盟規格書中所提的兩種控制發射線圈輸出功率的方法,第一種是變頻調整式,另一種則是變壓調整式。

 

 

圖(五)qi規格書中供電端發射線圈驅動架構圖

*圖片來源wpc網站WirelessPOWERSpecificationPart1.pdf*固定驅動電壓改變工作頻率的功率調整方式

 

 

圖(五)qi規格書中供電端發射線圈驅動架構圖

*圖片來源wpc網站WirelessPowerSpecificationPart1.pdf*改變驅動電壓固定工作頻率的功率調整方式

 

 

表1:分析這兩種方式的優缺點

    由上表可看出,變頻式的在性能上有優勢,但在設計上有難度;在主控IC上的輸出頻率主要是由微處理器架構的PWM輸出來完成,電磁感應式的操作頻率約在100K ~200K Hz之間,需要輸出上下緣各50%的方波來進行驅動可以得到較好的效能,而在高Q值的諧振線圈上頻率調整范圍需要到1K Hz以下;簡單的來說設計的輸出需要在100K ~200K Hz之前以每段1K Hz以下的調整間隔進行變頻,在這樣的設定需求下低階的微處理器無法完成這樣的功能,另外變頻控制下諧振反應敏銳,些微的頻率改變會使功率大幅跳動,如何利用軟件去控制此現象為諧振控制的技術核心。

數據傳輸

    在電磁感應式電力系統中最重要的技術問題就是必需要能識別放置于發射線圈上的物體,感應電力就與烹調用的電磁爐一樣會發射強大的電磁波能量,若直接將此能量打在金屬上則會發熱造成危險;為解決此問題各廠商發展可識別目標之技術,經過幾年的發展確認藉由受電端接收線圈反饋訊號由供電端發射線圈接收訊號為最好的解決方式,為完成在感應線圈上數據傳輸的功能為系統中最重要的核心技術。在傳送電力之感應線圈上要穩定傳送數據非常困難,主要載波是用在大功率的電力傳輸,其會受到在電源使用中的各種干擾狀況,另外先前也提到這是一個變頻式的控制系統,所以主載波工作頻率也不會固定。因為困難所以先前廠商推出的技術有除了感應線圈供應電力外,另外在建立一個無線通信頻道,例如紅外線、藍芽、RFID標簽、WiFi…等,但外加這些模塊已經違背的成本原則,這個產品為充電器,成本一定要控制的相當低才可被市場所接受,所以利用感應線圈本身作數據傳輸為業界必采用的方式。

    感應電力之線圈進行數據傳輸會遇到兩個問題,就是如何發送數據與如何接收數據,原理同RFID的數據傳輸方式,供電端線圈上發送主載波打到受電端線圈上,再由受電端電路上控制負載變化來進行反饋,在現行的感應電力設計中為單向傳輸,也就是電力能量(LC振蕩主載波)由供電端發送到受電端,而受電端反饋資料碼到供電端,而受電端收到供電端的能量只有強弱之分沒有內含通訊成份,這個數據碼傳送的機制也只有受電端靠近后收到電力能量才能反饋,在供電端未提供能量的狀況下并無法進行數據碼傳送,乍看來只是半套的通訊機制在感應電力系統中卻非常實用,因為滿足了系統所需要的功能:供電端辨識受電端后開啟發送能量進行電力傳輸,受電端傳回電力狀況由供電端進行調整。

    參考圖(六)中qi規格書中受電端接收電力與數據反饋架構,其中可以看到有兩種設計架構,分別是電阻式與電容式兩種。電阻式調制反饋訊號的方式源自被動式RFID技術,利用接收線圈阻抗切換反饋訊號到發射線圈進行讀取,運用在感應式電力上由美國ACCESS BUSINESS GROUP(Fulton)所申請之美國專利公開號20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM(臺灣公開號201018042無線充電系統)內容中有提到系利用切換開關位于接收端整流器后方的負載電阻,即圖(六)中的Rcm使線圈上的阻抗特性變化反饋到供電線圈上,經由供電線圈上的偵測電路進行解析變化,再有供電端上的處理器內軟件進行譯碼動作。參考圖(七)在專利說明書中,Fig.7中表示供電線圈上的訊號狀況,當Rcm上的開關導通時,拉低受電線圈上的阻抗反饋到供電線圈上使其振幅變大,在編碼的方式采用UART通訊方式中asynchronous serial format(異步串聯格式)進行編碼,即在固定的計時周期下該時間點是否有發生調制狀態變化進行判讀邏輯數據碼,但這個編碼方式可以發線將會有一段周期的時間持續在調制狀態。參考圖(八)為qi規格書中的數據傳輸格式,可以看到是由一個2KHz的計時頻率進行數據調制與譯碼的數據傳送頻率,經由推算在一個調至狀態下最長會有一個周期的時間在調制狀態。UART通訊方式中調制狀態的長短并沒有影響到系統中的功能,但在感應式電力系統中調制狀態會影響到供電的狀態,原因是供電端的主載波本身是用來傳送電力的,透過供電端與受電端線圈耦合的效果能傳送強大的電流驅動力,而受電端的電阻負載需要承受驅動電流進行反饋,當功率加大后在Rcm上所承受的功率也會增加,且在調制期間原要通往受電端輸出的電流也會被Rcm所分流,所以在調制期間受電端的輸出能力會被損耗;另外調制的時間會因為傳送頻率提高而縮短,因為在感應式電源系統中主載波的工作頻率受于組件與電磁干擾法規限制下只能在較低的頻率下運作(約100~200KHz),而數據是靠主載波上的調制狀態傳送,所以數據傳送頻率需要遠低于主載波頻率下才能順利運作,在前述條件的沖突下可以發現當感應電力系統設計的功率提高后,電阻負載的數據調制方式為不可行,因為在調制電路上的電阻器會有相當長的周期在導通的狀態造成功率消耗。

 

 

圖(六)qi規格書中受電端接收電力與數據反饋架構

 

 

圖(七)美國專利公開號20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM內容

 

 

圖(八)qi規格書中數據傳送格式

    前段所提當功率加大后因為受電端上的訊號調制用負載電阻需要吸收較大的電流會產生功率損耗問題所以較為不可行,且為了反饋訊號容易被辯識需要有較大的反饋量使線圈上有較大的調制深度,這個設計下需將使接收端上的負載電阻設定較低的阻抗用來吸收更多的能量產生反饋,在這個循環下要提升感應式電源供應器之可用功率將遇到瓶頸。所以有廠商提出另一個電容式訊號調制方法。由香港ConvenientPower HK Ltd申請之美國專利公開號20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER(用于無線電力中的數據調制與解調方法),參考圖(九)說明其內容所提的在先前設計在受電端產生調制反饋能量的負載電阻改成電容,其因為采用電容調制時會在供電端發射線圈上產生電流與電壓相位差變化,所以可以利用分析此變化來進行譯碼;這樣的設計可以不需要產生很大的調制深度即可達到反饋數據的目的,所以即使在較長的調制期間并不會消耗過多的能量。這個技術中需要在供電端上取出三個值進行分析:1.為供電線圈上的交流電壓值2.為供電線圈上的交流電流值3.為驅動供電線圈的電源電流,其中電流值需要將供電線圈到接地端串連一個電感,量測電感兩端的電壓值來測定電流,而這三個數值的變化量都很微小,所以從供電線圈取回訊號后需要透過多重的放大電路進行解析,這部份也造成電路成本的提高,參考圖(十)、(十一)中可以看到這兩種訊號調制的方法所造成供電線圈上所發生的訊號變化。

 

 

圖(九)美國專利公開號20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER內容

 

 

圖(十)ti規格書說明電組式訊號調制電路

 

 

圖(十一)ti規格書說明電容式訊號調制電路

    前段所提到的技術中,在WPC qi規格中所定義為調制期間訊號與非調制期間訊號在供電線圈上產生的高低差需要大于電流差15m A、電壓差200m V ,相較于送電期間在供電線圈上的主載波電壓約在50V~100V之間,這個電壓變化量相當小,也就是透過放大電路將微小的變化量當作反饋訊號處理。在實際應用時會發現,造成供電線圈上振幅與電流變化的原因不只是來自受電端的反饋訊號,另外在受電端輸出的負載上產生變化時也會產生供電線圈上的電壓與電流變化,而先前技術所運的的是縮小反饋深度使調制訊號造成的功率損耗降低,在實際應用上受電裝置大多不是穩定的負載,市面的手持裝置在充電時會有快速的電流汲取變動,而這樣的變動下會使供電線圈上的電壓與電流產生跳動,經過電路放大訊號后會變成數據碼中的噪聲,而這樣的噪聲會使訊號傳送失效。參考圖(十二)qi系統中的數據傳送波型組圖,這是取ti供電端bq500110EVM-688 Evaluation Module與受電端bq51013EVM-725 Evaluation Module量測到的波型,而這個套件是符合qi兼容性規范的產品,量測電RX反饋發送為bq51013EVM-725上訊號調制電容上的波型,當在調制期間會將電容接地使吸收能量使訊號變小,此時產生了反饋到供電線圈上,使TX發射線圈產生高低起伏。而COMM1與COMM2分別為透過OPA放大電路所解析出的電壓與電流變化結果,轉成數字訊號交由微處理器判讀。傳送數據的方式就是周期性的連續產生調制反饋,組合成數據框再經由微處理器判讀數據內容,而傳送的過程中若有遺失部份訊號就會使整個數據框失效。由波型圖中可以看出這樣的調制訊號會依負載的狀況而變動,且在通訊中數據框需要一段長度才能送完,而在這個期間內發生的負載變動都會使數據傳送失敗,而在系統中供電端需要靠來自受電端的數據碼確認裝置存在才會持續送電,當數據傳送機制失效時將會造成電力中斷。

 

 

圖(十二)qi系統中的數據傳送波型圖1

 

 

圖(十二)qi系統中的數據傳送波型圖2

 

 

圖(十二)qi系統中的數據傳送波型圖3

 

 

圖(十二)qi系統中的數據傳送波型圖4

    前述的資料傳送方法中,電阻反饋式利用較強的反饋訊號可以使訊號容易被辨識但會損耗較多的功率;電容反饋式利用細微的反饋變化損耗較少的功率卻容易受到噪聲干擾。這兩個方式在提高傳送供率的應用有所困難,另外有廠商Fu Da Tong Technology Co., Ltd申請之美國專利公開號20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER(高功率感應式電源供應器中數據傳輸之方法),參考圖(十三),其技術主要是將調制訊號的格式設計成非對稱的數據傳送,將調制反饋也就是消耗功率的時間縮短,利用較深的反饋訊號與噪聲排除的軟件控制方法可以在高功率系統中穩定的傳送數據訊號,且在供電端的訊號解析部份不需要放大電路,可以降低生產成本。

 

 

圖(十三)美國專利公開號20110278949 HIGH-POWER INDUCTION-TYPE POWER SUPPLY SYSTEM AND ITS DATA TRANSMISSION METHOD內容1

 

 

圖(十三)美國專利公開號20110278949 HIGH-POWER INDUCTION-TYPE POWER SUPPLY SYSTEM AND ITS DATA TRANSMISSION METHOD內容2

高效能功率傳輸

    要提高電磁感應式無線電力系統的電力傳送效率與功率,最簡單的方式就是選用高性能的電子組件,參考圖(十四)典型的電磁感應式無線電力系統架構。在系統中有四個主要傳送功率的損耗點(從供電端直流電源輸入開始看):1.供電端的驅動組件,主要是電流通過MOSFET的損耗、2.供電與受電線圈與諧振電容通過電流的損耗、3.受電端整流器交流到直流的轉換損耗、4.受電端穩壓器轉換損耗。由這四個損耗點可以看出供電端占了兩項、受電端占了三項,過去的實驗中發現在受電端的損耗是供電端的兩倍以上,因此在傳送電力過程中受電端溫度升高會比供電端明顯,這也是受電端電路設計上會比供電端來的困難的原因。剛所提及提高電力傳輸效能最容易的方法就是使用高性能的組件,但在量產品上是無法實行的,主要是充電器本身在市場的價位低所以在成本上有相當大的限制。除了前述的方法外,有一個好的解決方試,就是供電端只發送受電端所需要的功率,在受電端上收到過大的功率會提高整流器與穩壓器的轉換損失,而要完成這個功能就需要先將系統中的諧振控制與數據傳送功能完成。

 

 

圖(十四)典型電磁感應式無線電力系統架構

 

    一個高效能的感應式電力系統的運作,為受電端可以透過數據傳送通知供電端目前所需要的功率,而供電端在透過諧振控制調整功率輸出發送到受電端,而這個動作是需要快速的自動調整,所以在數據傳送上需要非常穩定才能實現。所以感應式電力系統最重要的核心技術為數據傳輸的部份,也是目前各廠商積極研究改良的技術,這方面的技術還有很多困難點需要突破,筆者認為在數年內還會有相當大的進展。

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