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解析电磁感应式的核心技术

来源:http://www.beifangdc.cn/news/65.html   发布时间:2017-11-22

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。
谐振控制
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。
解析电磁感应式无线充电系统的三大核心技术 
图(一)变频式功率调整
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。
解析电磁感应式无线充电系统的三大核心技术 
图(二)变压式功率调整
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。
解析电磁感应式无线充电系统的三大核心技术 
图(三)变频式谐振偏差修正
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。
解析电磁感应式无线充电系统的三大核心技术 
图(四)变压式谐振偏差修正
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。
解析电磁感应式无线充电系统的三大核心技术 
图(五)qi规格书中供电端发射线圈驱动架构图
固定驱动电压改变工作频率的功率调整方式
解析电磁感应式无线充电系统的三大核心技术 
图(五)qi规格书中供电端发射线圈驱动架构图
改变驱动电压固定工作频率的功率调整方式
解析电磁感应式无线充电系统的三大核心技术 
表1:分析这两种方式的优缺点
由上表可看出,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。
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。
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。
参考图(六)中qi规格书中受电端接收电力与数据反馈架构,其中可以看到有两种设计架构,分别是电阻式与电容式两种。电阻式调制反馈讯号的方式源自被动式RFID技术,利用接收线圈阻抗切换反馈讯号到发射线圈进行读取,运用在感应式电力上由美国ACCESS BUSINESS GROUP(Fulton)所申请之美国专利公开号20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM(台湾公开号201018042无线充电系统)内容中有提到系利用切换开关位于接收端整流器后方的负载电阻,即图(六)中的Rcm使线圈上的阻抗特性变化反馈到供电线圈上,经由供电线圈上的侦测电路进行解析变化,再有供电端上的处理器内软件进行译码动作。参考图(七)在专利说明书中,Fig.7中表示供电线圈上的讯号状况,当Rcm上的开关导通时,拉低受电线圈上的阻抗反馈到供电线圈上使其振幅变大,在编码的方式采用UART通讯方式中asynchronous serial format(异步串联格式)进行编码,即在固定的计时周期下该时间点是否有发生调制状态变化进行判读逻辑数据码,但这个编码方式可以发线将会有一段周期的时间持续在调制状态。参考图(八)为qi规格书中的数据传输格式,可以看到是由一个2KHz的计时频率进行数据调制与译码的数据传送频率,经由推算在一个调至状态下最长会有一个周期的时间在调制状态。UART通讯方式中调制状态的长短并没有影响到系统中的功能,但在感应式电力系统中调制状态会影响到供电的状态,原因是供电端的主载波本身是用来传送电力的,透过供电端与受电端线圈耦合的效果能传送强大的电流驱动力,而受电端的电阻负载需要承受驱动电流进行反馈,当功率加大后在Rcm上所承受的功率也会增加,且在调制期间原要通往受电端输出的电流也会被Rcm所分流,所以在调制期间受电端的输出能力会被损耗;另外调制的时间会因为传送频率提高而缩短,因为在感应式电源系统中主载波的工作频率受于组件与电磁干扰法规限制下只能在较低的频率下运作(约100~200KHz),而数据是靠主载波上的调制状态传送,所以数据传送频率需要远低于主载波频率下才能顺利运作,在前述条件的冲突下可以发现当感应电力系统设计的功率提高后,电阻负载的数据调制方式为不可行,因为在调制电路上的电阻器会有相当长的周期在导通的状态造成功率消耗。

前段所提当功率加大后因为受电端上的讯号调制用负载电阻需要吸收较大的电流会产生功率损耗问题所以较为不可行,且为了反馈讯号容易被辩识需要有较大的反馈量使线圈上有较大的调制深度,这个设计下需将使接收端上的负载电阻设定较低的阻抗用来吸收更多的能量产生反馈,在这个循环下要提升感应式电源供应器之可用功率将遇到瓶颈。所以有厂商提出另一个电容式讯号调制方法。由香港ConvenientPower HK Ltd申请之美国专利公开号20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER(用于无线电力中的数据调制与解调方法),参考图(九)说明其内容所提的在先前设计在受电端产生调制反馈能量的负载电阻改成电容,其因为采用电容调制时会在供电端发射线圈上产生电流与电压相位差变化,所以可以利用分析此变化来进行译码;这样的设计可以不需要产生很大的调制深度即可达到反馈数据的目的,所以即使在较长的调制期间并不会消耗过多的能量。这个技术中需要在供电端上取出三个值进行分析:1.为供电线圈上的交流电压值2.为供电线圈上的交流电流值3.为驱动供电线圈的电源电流,其中电流值需要将供电线圈到接地端串连一个电感,量测电感两端的电压值来测定电流,而这三个数值的变化量都很微小,所以从供电线圈取回讯号后需要透过多重的放大电路进行解析,这部份也造成电路成本的提高,参考图(十)、(十一)中可以看到这两种讯号调制的方法所造成供电线圈上所发生的讯号变化。

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