电磁感应式无线充电系统三大核心技术

1万 · 2014-6-22 11:28

相较于其它电子科技发展，感应式充电的技术发展显的缓慢，几个关键技术问题直到近年才有解决方案，且解决方案还在不断的演进中。无线充电可通过许多方式去完成，以目前的技术中“电磁感应式”为已经量产且经过安全与市场验证的产品，在生产成本上电磁感应式技术的产品低于其它技术，有市场预测在接下来数年内，在消费类电子产品领域中该类产品将呈倍数成长。在本文中将探讨目前在电磁感应式无线充电系统中三大核心技术：谐振控制、高效能功率传输以及数据传输，以及它们面临的难题与现有的解决方法。

1万 · 2014-6-22 11:29

现今量产的IC制程已经进步到纳米层级，但量产电容、电感组件的规格却很难作到误差在百分之一以下，而在电磁感应式电力系统中的系利用两个线圈感应，而线圈即为电感，在线圈上需要搭配电容作为谐振匹配，这样的构造即同LC振荡装置，较为不同的是在这系统中的目的是为了要在线圈上传输功率，为了提高效率需要在电容、电感选用低阻抗零件使质量因子Q提高，在这样的设计下其谐振曲线的斜率变的非常的大，在量产中系统设计频率与电容、电感搭配变的非常困难，因为先前提到电容、电感存在相当的误差，在量产中这样的误差若是没有在系统中加入谐振控制修正误差因素，则成品良率难以控制。在电容、电感误差下会搭配出偏移原设计谐振点组合，导致发射功率与设计预定值有所偏差。参考图（一）所示，在电磁感应电力系统中发设端的线圈上讯号振幅大小即为输出功率的大小，在这个示意图中表示一组线圈与电容组合的谐振曲线；在曲线上横轴为操作的频率，在不同的工作频率下于线圈上有不同大小的振幅输出，而最大振幅的谐振电将出现在频率F=1/(2π√(LC))之上，在设计上并不会将系统设定在最高功率输出的谐振点上，而是会工作在比谐振点高一些的频率使输出功率维持在适当值，在系统中我们通常称这个频率为中心工作频率。在感应供电过程中可能会需要加大或降低输出功率，这时只要调整工作频率就可以完成。如图（一）所示，在需要加功率时需要降低些频率使其靠近谐振点，用以提高输出功率，反之要降低输出功率只要提高频率即可完成，在此将这个方式定义为变频式功率调整。

1万 · 2014-6-22 11:29

另外一个改变输出功率的方式为改变发射端上的驱动电压，参考图（二）所示，在同一线圈与电容的谐振组合中，当于驱动发射线圈上的开关电压大小即直接改变的输出功率的大小，在此将这个方式定义为变压式功率调整。

1万 · 2014-6-22 11:30

先前有提到在量产中线圈与电容存在的误差需要被修正，修正的目的在于每一组生产出来的产品需要有一致的功率输出设定。参考图（三）所示，这是典型量产中产品的谐振曲线，有谐振点偏高与偏高的产品；在变频式的系统中，为了要始输充功率都合乎预期设定，当谐振点偏高（电容或电感值偏小）的组合中即提高中心工作频率使输出功率与设计目标相同，反之谐振点偏低时就反向操作，如图（三）中所示，变频系统拥有宽裕的修正容许空间。

1万 · 2014-6-22 11:30

另外一个修正谐振偏差的方式为变压式，参考图（四）所示利用改变驱动电压的方式进行，当谐振点偏高（电容或电感值偏小）时就降低驱动电压使功率输出降低到所设计的预定值，反之谐振点偏低时就反向操作。可以看出利用变压式的调整方式，修正容许空间相较于变频式较为狭窄，主要为改变电压的修正幅度没有改变频率方式的大，由于反应较缓所以也比较好控制调整幅度。

1万 · 2014-6-22 11:30

在谐振系统中调整功率的方式另外还有改变线圈上的电感值或电容值的方法，但在实际量产上并不容易完成所以不被采用。在图（五）是无线充电联盟规格书中所提的两种控制发射线圈输出功率的方法，第一种是变频调整式，另一种则是变压调整式。

1万 · 2014-6-22 11:31

变频式的在性能上有优势，但在设计上有难度；在主控IC上的输出频率主要是由微处理器架构的PWM输出来完成，电磁感应式的操作频率约在100K ~200K Hz之间，需要输出上下缘各50%的方波来进行驱动可以得到较好的效能，而在高Q值的谐振线圈上频率调整范围需要到1K Hz以下；简单的来说设计的输出需要在100K ~200K Hz之前以每段1K Hz以下的调整间隔进行变频，在这样的设定需求下低阶的微处理器无法完成这样的功能，另外变频控制下谐振反应敏锐，些微的频率改变会使功率大幅跳动，如何利用软件去控制此现象为谐振控制的技术核心。

1万 · 2014-6-22 11:32

数据传输

在电磁感应式电力系统中最重要的技术问题就是必需要能识别放置于发射线圈上的物体，感应电力就与烹调用的电磁炉一样会发射强大的电磁波能量，若直接将此能量打在金属上则会发热造成危险；为解决此问题各厂商发展可识别目标之技术，经过几年的发展确认藉由受电端接收线圈反馈讯号由供电端发射线圈接收讯号为最好的解决方式，为完成在感应线圈上数据传输的功能为系统中最重要的核心技术。在传送电力之感应线圈上要稳定传送数据非常困难，主要载波是用在大功率的电力传输，其会受到在电源使用中的各种干扰状况，另外先前也提到这是一个变频式的控制系统，所以主载波工作频率也不会固定。因为困难所以先前厂商推出的技术有除了感应线圈供应电力外，另外在建立一个无线通信频道，例如红外线、蓝芽、RFID标签、WiFi…等，但外加这些模块已经违背的成本原则，这个产品为充电器，成本一定要控制的相当低才可被市场所接受，所以利用感应线圈本身作数据传输为业界必采用的方式。

1万 · 2014-6-22 11:33

哦，前一关键技术就是谐振控制的，，这个就是数据传输的

1万 · 2014-6-22 11:33

利用感应电力之线圈进行数据传输会遇到两个问题，就是如何发送数据与如何接收数据，原理同RFID的数据传输方式，供电端线圈上发送主载波打到受电端线圈上，再由受电端电路上控制负载变化来进行反馈，在现行的感应电力设计中为单向传输，也就是电力能量（LC振荡主载波）由供电端发送到受电端，而受电端反馈资料码到供电端，而受电端收到供电端的能量只有强弱之分没有内含通讯成份，这个数据码传送的机制也只有受电端靠近后收到电力能量才能反馈，在供电端未提供能量的状况下并无法进行数据码传送，乍看来只是半套的通讯机制在感应电力系统中却非常实用，因为满足了系统所需要的功能：供电端辨识受电端后开启发送能量进行电力传输，受电端传回电力状况由供电端进行调整。

1万 · 2014-6-22 11:34

高效能功率传输

要提高电磁感应式无线电力系统的电力传送效率与功率，最简单的方式就是选用高性能的电子组件，参考图（十四）典型的电磁感应式无线电力系统架构。在系统中有四个主要传送功率的损耗点（从供电端直流电源输入开始看）：1.供电端的驱动组件，主要是电流通过MOSFET的损耗、 2.供电与受电线圈与谐振电容通过电流的损耗、3.受电端整流器交流到直流的转换损耗、4.受电端稳压器转换损耗。由这四个损耗点可以看出供电端占了两项、受电端占了三项，过去的实验中发现在受电端的损耗是供电端的两倍以上，因此在传送电力过程中受电端温度升高会比供电端明显，这也是受电端电路设计上会比供电端来的困难的原因。刚所提及提高电力传输效能最容易的方法就是使用高性能的组件，但在量产品上是无法实行的，主要是充电器本身在市场的价位低所以在成本上有相当大的限制。除了前述的方法外，有一个好的解决方试，就是供电端只发送受电端所需要的功率，在受电端上收到过大的功率会提高整流器与稳压器的转换损失，而要完成这个功能就需要先将系统中的谐振控制与数据传送功能完成。