利用R&S示波器RTO/RTE測量Qi無線充電系統(tǒng)

隨著電子設(shè)備的移動(dòng)應(yīng)用越來越重要，更持久與方便的充電技術(shù)也備受廠家關(guān)注。許多公司企業(yè)已結(jié)成聯(lián)盟，進(jìn)軍無線充電的領(lǐng)域，發(fā)展相關(guān)的技術(shù)及制訂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前無線充電標(biāo)準(zhǔn)有三大陣營，包括 Wireless Power Consortium (WPC), Power Matter Alliance (PMA) 及 Alliance for Wireless Power (A4WP)，各有不同廠商在后支持，互相競逐一席之地。其中，目前比較廣泛使用的是無線充電聯(lián)盟 WPC的 Qi (“氣”) 標(biāo)準(zhǔn)。Qi 暫時(shí)主要以低功率型5 瓦以下的設(shè)備為主，包括智能手機(jī)、無線遙控器等等。將來規(guī)格將提升到支持中等功率型125瓦。該文章將把重點(diǎn)集中在Qi 的測量上。

2 技術(shù)概述

無線能量的傳輸技術(shù)，早在尼古拉斯•特斯拉(Nicholas Tesla) 的年代已獲得認(rèn)同并衍生出今日的無線電通信。不同的是，無線電技術(shù)著眼于信息的傳輸，而無線充電技術(shù)注重于能量的傳輸。通過交變電場與磁場的感應(yīng)、電磁輻射（激光、微波），能量是可以不通過物理媒介，傳輸?shù)搅硪欢?，而其最大的瓶頸是能量傳輸?shù)男省?/p>

圖1. 英特爾工程師展示無線電把燈泡亮起。

3 Qi “氣” 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)

Qi “氣” 采用非接觸式近距離的線圈的電磁感應(yīng)原理傳輸能量。把具有次級(jí)線圈（secondary coil）裝置的設(shè)備貼近充電器的初級(jí)線圈（primary coil），初級(jí)線圈產(chǎn)生交變的磁場將在次級(jí)線圈感應(yīng)出具有相同頻率的交流電壓。這也稱之為電磁感應(yīng)功率傳輸。在近距離，大部分磁通量將局限于圈線之間，線圈可以有效地在大約5瓦功率較低頻的100k~205k赫茲范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電能傳輸

圖2. 符合Qi （氣）規(guī)格的接受與發(fā)射設(shè)備可以通用。

為了確保電磁感應(yīng)在近距離進(jìn)行，必須把初級(jí)與次級(jí)線圈對(duì)齊。裝置可以是固定位置：以單一的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈對(duì)應(yīng)；或者是任意定位的設(shè)計(jì)：以多個(gè)陣列的初級(jí)線圈檢測次級(jí)線圈的位置。
當(dāng)兩個(gè)線圈貼近時(shí)，初級(jí)線圈將能檢測到次級(jí)線圈對(duì)磁場產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)，以監(jiān)測它的存在。隨后，透過簡單的協(xié)議溝通，互相確認(rèn)對(duì)方的身份，核對(duì)充電標(biāo)準(zhǔn)。確認(rèn)是可以支持的設(shè)備后，充電器將把全面控制的權(quán)力移交到次級(jí)線圈的設(shè)備上。

4 Qi系統(tǒng)概述

無線電力傳輸基于電磁感應(yīng)原理：
• 充電平臺(tái)： 提供無線功率（發(fā)射機(jī)）
• 移動(dòng)設(shè)備： 消耗無線功率（接收器）

圖3. Qi 系統(tǒng)圖解

4.1 Qi 系統(tǒng): 功率發(fā)射器

Qi 功率發(fā)射器有兩大功能：
• 功率轉(zhuǎn)換單元在初級(jí)線圈產(chǎn)生電磁場
• 通訊與控制單元根據(jù)接收器的需求調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換功率

4.2 Qi 系統(tǒng): 功率接收器

Qi 功率接收可以：
• 功率接收單元在次級(jí)線圈上感應(yīng)交變磁場并轉(zhuǎn)換為電能
• 通訊與控制單元會(huì)調(diào)節(jié)功率的需求量

移動(dòng)設(shè)備子系統(tǒng)將感應(yīng)負(fù)載（電池）的容量和水平，反饋給通訊與控制單元，以調(diào)節(jié)或切斷功率接收單元的輸出。通過調(diào)整次級(jí)線圈的負(fù)載，功率接收單元可以把電池訊息反映給充電平臺(tái)。充電平臺(tái)讀取后，也會(huì)依照原先設(shè)定的供電協(xié)議，決定如何調(diào)節(jié)初級(jí)線圈的能量。

5 Qi 測量面對(duì)的問題

5.1 時(shí)域與頻域的相關(guān)性

Qi 本身就是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)。一個(gè)基本的Qi充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就包含了：射頻部分、PCB設(shè)計(jì)、協(xié)議層控制、電力傳輸與電磁干擾屏蔽。面對(duì)數(shù)個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與分析，當(dāng)需要不止一種儀器時(shí)，要進(jìn)行有意義的數(shù)據(jù)分析，需要花費(fèi)很多的時(shí)間和資金投入。

5.2 微弱信號(hào)的分析

Qi線圈之間的幅度調(diào)制相當(dāng)微弱。要更仔細(xì)地觀察調(diào)制細(xì)節(jié)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的分辨率必須要足以分析調(diào)制數(shù)據(jù)。要在高幅度的載波頻率信號(hào)找出微弱的幅度調(diào)制，工程師往往會(huì)把信號(hào)放大而導(dǎo)致ADC飽和的狀態(tài)。這時(shí)候儀器的過載恢復(fù)能力也變得相當(dāng)重要。

5.3 電路板上的射頻噪音

當(dāng)系統(tǒng)在偵測狀態(tài)時(shí)，Qi充電平臺(tái)會(huì)定時(shí)發(fā)送高功率模擬和數(shù)字射頻信號(hào)偵測接收設(shè)備。高功率的射頻信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，并影響電路板上的組件。

5.4 射頻信號(hào)的解調(diào)

Qi 系統(tǒng)通過負(fù)載的調(diào)制引起射頻信號(hào)的變化來進(jìn)行設(shè)備之間的通信。要解調(diào)信號(hào)，必須要把載波頻率給濾掉。這通常就須要高端頻譜儀進(jìn)行解調(diào)。

5.5 調(diào)制信號(hào)的觸發(fā)

傳統(tǒng)示波器具有的模擬觸發(fā)系統(tǒng)，信號(hào)需要達(dá)到觸發(fā)的最低電壓范圍才能啟動(dòng)觸發(fā)機(jī)制。然而，對(duì)微弱的幅度調(diào)制波形來說，這將是一個(gè)具挑戰(zhàn)性的夢(mèng)魘。

6 被測物與測量儀器

在此應(yīng)用說明文章里，德州儀器的BQ51013AEVM-765接收（充電）平臺(tái)與BQ500211EVM-054發(fā)射（移動(dòng)）設(shè)備的評(píng)估板作為測量對(duì)象。

圖4. 德州儀器的 Qi 系統(tǒng)評(píng)估板 BQ51013AEVM-765 （上）與 BQ500211EVM-054

RTO 和RTE系列示波器在測量信號(hào)時(shí)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)域和頻域分析，在不損耗解析度與靈敏度的情況下，進(jìn)行精確的數(shù)字觸發(fā)。加上具有SPI、I2C、CAN等的總線解碼與觸發(fā)，和邏輯通道的選項(xiàng)，RTO/RTE更能觀察Qi系統(tǒng)組件的互動(dòng)，使它成為一個(gè)分析與檢測的好伙伴。

在這篇文章里，我們將對(duì)RTO/RTE測量Qi系統(tǒng)的能力進(jìn)行評(píng)估，看看在那些測量項(xiàng)目上更能夠發(fā)揮RTO/RTE示波器的獨(dú)特性能。