電磁感應式無(wú)線(xiàn)充電系統三大核心技術(shù)的解析

相較于其它電子科技發(fā)展，感應式充電的技術(shù)發(fā)展顯的緩慢，幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題直到近年才有解決方案，且解決方案還在不斷的演進(jìn)中。無(wú)線(xiàn)充電可通過(guò)許多方式去完成，以目前的技術(shù)中“電磁感應式”為已經(jīng)量產(chǎn)且經(jīng)過(guò)安全與市場(chǎng)驗證的產(chǎn)品，在生產(chǎn)成本上電磁感應式技術(shù)的產(chǎn)品低于其它技術(shù)，有市場(chǎng)預測在接下來(lái)數年內，在消費類(lèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域中該類(lèi)產(chǎn)品將呈倍數成長(cháng)。在本文中將探討目前在電磁感應式無(wú)線(xiàn)充電系統中三大核心技術(shù)：諧振控制、高效能功率傳輸以及數據傳輸，以及它們面臨的難題與現有的解決方法。

諧振控制

現今量產(chǎn)的IC制程已經(jīng)進(jìn)步到納米層級，但量產(chǎn)電容、電感組件的規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中的系利用兩個(gè)線(xiàn)圈感應，而線(xiàn)圈即為電感，在線(xiàn)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中的目的是為了要在線(xiàn)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(xiàn)的斜率變的非常的大，在量產(chǎn)中系統設計頻率與電容、電感搭配變的非常困難，因為先前提到電容、電感存在相當的誤差，在量產(chǎn)中這樣的誤差若是沒(méi)有在系統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(huì )搭配出偏移原設計諧振點(diǎn)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中發(fā)設端的線(xiàn)圈上訊號振幅大小即為輸出功率的大小，在這個(gè)示意圖中表示一組線(xiàn)圈與電容組合的諧振曲線(xiàn)；在曲線(xiàn)上橫軸為操作的頻率，在不同的工作頻率下于線(xiàn)圈上有不同大小的振幅輸出，而最大振幅的諧振電將出現在頻率F=1/（2π√（LC））之上，在設計上并不會(huì )將系統設定在最高功率輸出的諧振點(diǎn)上，而是會(huì )工作在比諧振點(diǎn)高一些的頻率使輸出功率維持在適當值，在系統中我們通常稱(chēng)這個(gè)頻率為中心工作頻率。在感應供電過(guò)程中可能會(huì )需要加大或降低輸出功率，這時(shí)只要調整工作頻率就可以完成。如圖（一） 所示，在需要加功率時(shí)需要降低些頻率使其靠近諧振點(diǎn)，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(gè)方式定義為變頻式功率調整。

圖（一）變頻式功率調整

另外一個(gè)改變輸出功率的方式為改變發(fā)射端上的驅動(dòng)電壓，參考圖（二）所示，在同一線(xiàn)圈與電容的諧振組合中，當于驅動(dòng)發(fā)射線(xiàn)圈上的開(kāi)關(guān)電壓大小即直接改變的輸出功率的大小，在此將這個(gè)方式定義為變壓式功率調整。

圖（二）變壓式功率調整

先前有提到在量產(chǎn)中線(xiàn)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(lái)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(xiàn)，有諧振點(diǎn)偏高與偏高的產(chǎn)品；在變頻式的系統中，為了要始輸充功率都合乎預期設定，當諧振點(diǎn)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(diǎn)偏低時(shí)就反向操作，如圖（三）中所示，變頻系統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(gè)修正諧振偏差的方式為變壓式，參考圖（四）所示利用改變驅動(dòng)電壓的方式進(jìn)行，當諧振點(diǎn)偏高（電容或電感值偏?。r(shí)就降低驅動(dòng)電壓使功率輸出降低到所設計的預定值，反之諧振點(diǎn)偏低時(shí)就反向操作?？梢钥闯隼米儔菏降恼{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(méi)有改變頻率方式的大，由于反應較緩所以也比較好控制調整幅度。

圖（四）變壓式諧振偏差修正

在諧振系統中調整功率的方式另外還有改變線(xiàn)圈上的電感值或電容值的方法，但在實(shí)際量產(chǎn)上并不容易完成所以不被采用。在圖（五）是無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟規格書(shū)中所提的兩種控制發(fā)射線(xiàn)圈輸出功率的方法，第一種是變頻調整式，另一種則是變壓調整式。

圖（五）qi規格書(shū)中供電端發(fā)射線(xiàn)圈驅動(dòng)架構圖

表1：分析這兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)

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(lái)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(lái)進(jìn)行驅動(dòng)可以得到較好的效能，而在高Q值的諧振線(xiàn)圈上頻率調整范圍需要到1K Hz以下；簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)設計的輸出需要在100K ~200K Hz之前以每段1K Hz以下的調整間隔進(jìn)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(wú)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(huì )使功率大幅跳動(dòng)，如何利用軟件去控制此現象為諧振控制的技術(shù)核心。