解析電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)的三大核心技術(shù)

　　圖(五)qi規(guī)格書中供電端發(fā)射線圈驅(qū)動架構(gòu)圖

　　*圖片來源wpc網(wǎng)站W(wǎng)irelessPowerSpecificationPart1.pdf*改變驅(qū)動電壓固定工作頻率的功率調(diào)整方式

　　表1：分析這兩種方式的優(yōu)缺點

　　由上表可看出，變頻式的在性能上有優(yōu)勢，但在設(shè)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(gòu)的PWM輸出來完成，電磁感應(yīng)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(qū)動可以得到較好的效能，而在高Q值的諧振線圈上頻率調(diào)整范圍需要到1K Hz以下;簡單的來說設(shè)計的輸出需要在100K ~200K Hz之前以每段1K Hz以下的調(diào)整間隔進行變頻，在這樣的設(shè)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(yīng)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(xiàn)象為諧振控制的技術(shù)核心。

　　數(shù)據(jù)傳輸

　　在電磁感應(yīng)式電力系統(tǒng)中最重要的技術(shù)問題就是必需要能識別放置于發(fā)射線圈上的物體，感應(yīng)電力就與烹調(diào)用的電磁爐一樣會發(fā)射強大的電磁波能量，若直接將此能量打在金屬上則會發(fā)熱造成危險;為解決此問題各廠商發(fā)展可識別目標之技術(shù)，經(jīng)過幾年的發(fā)展確認藉由受電端接收線圈反饋訊號由供電端發(fā)射線圈接收訊號為最好的解決方式，為完成在感應(yīng)線圈上數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ転橄到y(tǒng)中最重要的核心技術(shù)。在傳送電力之感應(yīng)線圈上要穩(wěn)定傳送數(shù)據(jù)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(tǒng)，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(shù)有除了感應(yīng)線圈供應(yīng)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(jīng)違背的成本原則，這個產(chǎn)品為充電器，成本一定要控制的相當?shù)筒趴杀皇袌鏊邮?，所以利用感?yīng)線圈本身作數(shù)據(jù)傳輸為業(yè)界必采用的方式。

　　利用感應(yīng)電力之線圈進行數(shù)據(jù)傳輸會遇到兩個問題，就是如何發(fā)送數(shù)據(jù)與如何接收數(shù)據(jù)，原理同RFID的數(shù)據(jù)傳輸方式，供電端線圈上發(fā)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(xiàn)行的感應(yīng)電力設(shè)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(fā)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(nèi)含通訊成份，這個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)碼傳送，乍看來只是半套的通訊機制在感應(yīng)電力系統(tǒng)中卻非常實用，因為滿足了系統(tǒng)所需要的功能：供電端辨識受電端后開啟發(fā)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(diào)整。

　　參考圖(六)中qi規(guī)格書中受電端接收電力與數(shù)據(jù)反饋架構(gòu)，其中可以看到有兩種設(shè)計架構(gòu)，分別是電阻式與電容式兩種。電阻式調(diào)制反饋訊號的方式源自被動式RFID技術(shù)，利用接收線圈阻抗切換反饋訊號到發(fā)射線圈進行讀取，運用在感應(yīng)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(tǒng))內(nèi)容中有提到系利用切換開關(guān)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(jīng)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(nèi)軟件進行譯碼動作。參考圖(七)在專利說明書中，F(xiàn)ig.7中表示供電線圈上的訊號狀況，當Rcm上的開關(guān)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(lián)格式)進行編碼，即在固定的計時周期下該時間點是否有發(fā)生調(diào)制狀態(tài)變化進行判讀邏輯數(shù)據(jù)碼，但這個編碼方式可以發(fā)線將會有一段周期的時間持續(xù)在調(diào)制狀態(tài)。參考圖(八)為qi規(guī)格書中的數(shù)據(jù)傳輸格式，可以看到是由一個2KHz的計時頻率進行數(shù)據(jù)調(diào)制與譯碼的數(shù)據(jù)傳送頻率，經(jīng)由推算在一個調(diào)至狀態(tài)下最長會有一個周期的時間在調(diào)制狀態(tài)。UART通訊方式中調(diào)制狀態(tài)的長短并沒有影響到系統(tǒng)中的功能，但在感應(yīng)式電力系統(tǒng)中調(diào)制狀態(tài)會影響到供電的狀態(tài)，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(qū)動力，而受電端的電阻負載需要承受驅(qū)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(diào)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(diào)制期間受電端的輸出能力會被損耗;另外調(diào)制的時間會因為傳送頻率提高而縮短，因為在感應(yīng)式電源系統(tǒng)中主載波的工作頻率受于組件與電磁干擾法規(guī)限制下只能在較低的頻率下運作(約100~200KHz)，而數(shù)據(jù)是靠主載波上的調(diào)制狀態(tài)傳送，所以數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)當感應(yīng)電力系統(tǒng)設(shè)計的功率提高后，電阻負載的數(shù)據(jù)調(diào)制方式為不可行，因為在調(diào)制電路上的電阻器會有相當長的周期在導通的狀態(tài)造成功率消耗。

　　圖(六)qi規(guī)格書中受電端接收電力與數(shù)據(jù)反饋架構(gòu)

　　圖(七)美國專利公開號20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM內(nèi)容

　　圖(八)qi規(guī)格書中數(shù)據(jù)傳送格式