電磁感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)三大核心技術(shù)的解析

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(wèn)題就是必需要能識(shí)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(huì)發(fā)射強(qiáng)大的電磁波能量，若直接將此能量打在金屬上則會(huì)發(fā)熱造成危險(xiǎn)；為解決此問(wèn)題各廠商發(fā)展可識(shí)別目標(biāo)之技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展確認(rèn)藉由受電端接收線圈反饋訊號(hào)由供電端發(fā)射線圈接收訊號(hào)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?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/系統(tǒng)">系統(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(huì)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(gè)變頻式的控制系統(tǒng)，所以主載波工作頻率也不會(huì)固定。因?yàn)槔щy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(gè)無(wú)線通信頻道，例如紅外線、藍(lán)芽、RFID標(biāo)簽、WiFi…等，但外加這些模塊已經(jīng)違背的成本原則，這個(gè)產(chǎn)品為充電器，成本一定要控制的相當(dāng)?shù)筒趴杀皇袌?chǎng)所接受，所以利用感應(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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸會(huì)遇到兩個(gè)問(wèn)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(fù)載變化來(lái)進(jìn)行反饋，在現(xiàn)行的感應(yīng)電力設(shè)計(jì)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(qiáng)弱之分沒(méi)有內(nèi)含通訊成份，這個(gè)數(shù)據(jù)碼傳送的機(jī)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(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)碼傳送，乍看來(lái)只是半套的通訊機(jī)制在感應(yīng)電力系統(tǒng)中卻非常實(shí)用，因?yàn)闈M足了系統(tǒng)所需要的功能：供電端辨識(shí)受電端后開(kāi)啟發(fā)送能量進(jìn)行電力傳輸，受電端傳回電力狀況由供電端進(jìn)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(jì)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(hào)的方式源自被動(dòng)式RFID技術(shù)，利用接收線圈阻抗切換反饋訊號(hào)到發(fā)射線圈進(jìn)行讀取，運(yùn)用在感應(yīng)式電力上由美國(guó)ACCESS BUSINESS GROUP （Fulton） 所申請(qǐng)之美國(guó)專利公開(kāi)號(hào)20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM （臺(tái)灣公開(kāi)號(hào)201018042 無(wú)線充電系統(tǒng)）內(nèi)容中有提到系利用切換開(kāi)關(guān)位于接收端整流器后方的負(fù)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(cè)電路進(jìn)行解析變化，再有供電端上的處理器內(nèi)軟件進(jìn)行譯碼動(dòng)作。參考圖（七）在專利說(shuō)明書中，F(xiàn)ig.7中表示供電線圈上的訊號(hào)狀況，當(dāng)Rcm上的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，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(jìn)行編碼，即在固定的計(jì)時(shí)周期下該時(shí)間點(diǎn)是否有發(fā)生調(diào)制狀態(tài)變化進(jìn)行判讀邏輯數(shù)據(jù)碼，但這個(gè)編碼方式可以發(fā)線將會(huì)有一段周期的時(shí)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(gè)2KHz的計(jì)時(shí)頻率進(jìn)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(gè)調(diào)至狀態(tài)下最長(zhǎng)會(huì)有一個(gè)周期的時(shí)間在調(diào)制狀態(tài)。UART通訊方式中調(diào)制狀態(tài)的長(zhǎng)短并沒(méi)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(huì)影響到供電的狀態(tài)，原因是供電端的主載波本身是用來(lái)傳送電力的，透過(guò)供電端與受電端線圈耦合的效果能傳送強(qiáng)大的電流驅(qū)動(dòng)力，而受電端的電阻負(fù)載需要承受驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行反饋，當(dāng)功率加大后在Rcm上所承受的功率也會(huì)增加，且在調(diào)制期間原要通往受電端輸出的電流也會(huì)被Rcm所分流，所以在調(diào)制期間受電端的輸出能力會(huì)被損耗；另外調(diào)制的時(shí)間會(huì)因?yàn)閭魉皖l率提高而縮短，因?yàn)樵诟袘?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(yùn)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(yuǎn)低于主載波頻率下才能順利運(yùn)作，在前述條件的沖突下可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)感應(yīng)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功率提高后，電阻負(fù)載的數(shù)據(jù)調(diào)制方式為不可行，因?yàn)樵谡{(diào)制電路上的電阻器會(huì)有相當(dāng)長(zhǎng)的周期在導(dǎo)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(guó)專利公開(kāi)號(hào)20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM內(nèi)容

圖（八）qi規(guī)格書中數(shù)據(jù)傳送格式

前段所提當(dāng)功率加大后因?yàn)槭茈姸松系挠嵦?hào)調(diào)制用負(fù)載電阻需要吸收較大的電流會(huì)產(chǎn)生功率損耗問(wèn)題所以較為不可行，且為了反饋訊號(hào)容易被辯識(shí)需要有較大的反饋量使線圈上有較大的調(diào)制深度，這個(gè)設(shè)計(jì)下需將使接收端上的負(fù)載電阻設(shè)定較低的阻抗用來(lái)吸收更多的能量產(chǎn)生反饋，在這個(gè)循環(huán)下要提升感應(yīng)式電源供應(yīng)器之可用功率將遇到瓶頸。所以有廠商提出另一個(gè)電容式訊號(hào)調(diào)制方法。由香港ConvenientPower HK Ltd申請(qǐng)之美國(guó)專利公開(kāi)號(hào)20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER （用于無(wú)線電力中的數(shù)據(jù)調(diào)制與解調(diào)方法），參考圖（九）說(shuō)明其內(nèi)容所提的在先前設(shè)計(jì)在受電端產(chǎn)生調(diào)制反饋能量的負(fù)載電阻改成電容，其因?yàn)椴捎秒娙菡{(diào)制時(shí)會(huì)在供電端發(fā)射線圈上產(chǎn)生電流與電壓相位差變化，所以可以利用分析此變化來(lái)進(jìn)行譯碼；這樣的設(shè)計(jì)可以不需要產(chǎn)生很大的調(diào)制深度即可達(dá)到反饋數(shù)據(jù)的目的，所以即使在較長(zhǎng)的調(diào)制期間并不會(huì)消耗過(guò)多的能量。這個(gè)技術(shù)中需要在供電端上取出三個(gè)值進(jìn)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(qū)動(dòng)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(gè)電感，量測(cè)電感兩端的電壓值來(lái)測(cè)定電流，而這三個(gè)數(shù)值的變化量都很微小，所以從供電線圈取回訊號(hào)后需要透過(guò)多重的放大電路進(jìn)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(hào)調(diào)制的方法所造成供電線圈上所發(fā)生的訊號(hào)變化。

圖（九）美國(guó)專利公開(kāi)號(hào)20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER內(nèi)容

圖（十）ti規(guī)格書說(shuō)明電組式訊號(hào)調(diào)制電路

圖（十一）ti規(guī)格書說(shuō)明電容式訊號(hào)調(diào)制電路