電磁感應式無線充電系統(tǒng)三大核心技術的解析

相較于其它電子科技發(fā)展，感應式充電的技術發(fā)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(jīng)量產(chǎn)且經(jīng)過安全與市場驗證的產(chǎn)品，在生產(chǎn)成本上電磁感應式技術的產(chǎn)品低于其它技術，有市場預測在接下來數(shù)年內(nèi)，在消費類電子產(chǎn)品領域中該類產(chǎn)品將呈倍數(shù)成長。在本文中將探討目前在電磁感應式無線充電系統(tǒng)中三大核心技術：諧振控制、高效能功率傳輸以及數(shù)據(jù)傳輸，以及它們面臨的難題與現(xiàn)有的解決方法。

諧振控制

現(xiàn)今量產(chǎn)的IC制程已經(jīng)進步到納米層級，但量產(chǎn)電容、電感組件的規(guī)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(tǒng)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(tǒng)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(zhì)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(chǎn)中系統(tǒng)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?shù)恼`差，在量產(chǎn)中這樣的誤差若是沒有在系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)中發(fā)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(xiàn)在頻率F=1/（2π√（LC））之上，在設計上并不會將系統(tǒng)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(tǒng)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(diào)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(diào)整。

圖（一）變頻式功率調(diào)整

另外一個改變輸出功率的方式為改變發(fā)射端上的驅(qū)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(qū)動發(fā)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(diào)整。

圖（二）變壓式功率調(diào)整

先前有提到在量產(chǎn)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(chǎn)出來的產(chǎn)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(chǎn)中產(chǎn)品的諧振曲線，有諧振點偏高與偏高的產(chǎn)品；在變頻式的系統(tǒng)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?。┑慕M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(tǒng)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(qū)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(qū)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?？梢钥闯隼米儔菏降恼{(diào)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(diào)整幅度。

圖（四）變壓式諧振偏差修正

在諧振系統(tǒng)中調(diào)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(chǎn)上并不容易完成所以不被采用。在圖（五）是無線充電聯(lián)盟規(guī)格書中所提的兩種控制發(fā)射線圈輸出功率的方法，第一種是變頻調(diào)整式，另一種則是變壓調(diào)整式。

圖（五）qi規(guī)格書中供電端發(fā)射線圈驅(qū)動架構圖

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，但在設計上有難度；在主控IC上的輸出頻率主要是由處理器。html target=_blank>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(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，在這樣的設定需求下低階的處理器。html target=_blank>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(xiàn)象為諧振控制的技術核心。