電磁感應(yīng)式無線充電系統(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(biāo)之技術(shù)，經(jīng)過幾年的發(fā)展確認(rèn)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?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(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，這個產(chǎn)品為充電器，成本一定要控制的相當(dāng)?shù)筒趴杀皇袌鏊邮埽岳酶袘?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(fù)載變化來進(jìn)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(jìn)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(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(jìn)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(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(dāng)Rcm上的開關(guān)導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(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(fù)載需要承受驅(qū)動電流進(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(yuǎn)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(dāng)感應(yīng)電力系統(tǒng)設(shè)計的功率提高后，電阻負(fù)載的數(shù)據(jù)調(diào)制方式為不可行，因為在調(diào)制電路上的電阻器會有相當(dāng)長的周期在導(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

前段所提當(dāng)功率加大后因為受電端上的訊號調(diào)制用負(fù)載電阻需要吸收較大的電流會產(chǎn)生功率損耗問題所以較為不可行，且為了反饋訊號容易被辯識需要有較大的反饋量使線圈上有較大的調(diào)制深度，這個設(shè)計下需將使接收端上的負(fù)載電阻設(shè)定較低的阻抗用來吸收更多的能量產(chǎn)生反饋，在這個循環(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電容式訊號調(diào)制方法。由香港ConvenientPower HK Ltd申請之美國專利公開號20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER （用于無線電力中的數(shù)據(jù)調(diào)制與解調(diào)方法），參考圖（九）說明其內(nèi)容所提的在先前設(shè)計在受電端產(chǎn)生調(diào)制反饋能量的負(fù)載電阻改成電容，其因為采用電容調(diào)制時會在供電端發(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進(jìn)行譯碼；這樣的設(shè)計可以不需要產(chǎn)生很大的調(diào)制深度即可達(dá)到反饋數(shù)據(jù)的目的，所以即使在較長的調(diào)制期間并不會消耗過多的能量。這個技術(shù)中需要在供電端上取出三個值進(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電感，量測電感兩端的電壓值來測定電流，而這三個數(shù)值的變化量都很微小，所以從供電線圈取回訊號后需要透過多重的放大電路進(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調(diào)制的方法所造成供電線圈上所發(fā)生的訊號變化。

圖（九）美國專利公開號20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER內(nèi)容

圖（十）ti規(guī)格書說明電組式訊號調(diào)制電路

圖（十一）ti規(guī)格書說明電容式訊號調(diào)制電路