電磁感應式無(wú)線(xiàn)充電系統三大核心技術(shù)的解析

數據傳輸

在電磁感應式電力系統中最重要的技術(shù)問(wèn)題就是必需要能識別放置于發(fā)射線(xiàn)圈上的物體，感應電力就與烹調用的電磁爐一樣會(huì )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(huì )發(fā)熱造成危險；為解決此問(wèn)題各廠(chǎng)商發(fā)展可識別目標之技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展確認藉由受電端接收線(xiàn)圈反饋訊號由供電端發(fā)射線(xiàn)圈接收訊號為最好的解決方式，為完成在感應線(xiàn)圈上數據傳輸的功能為系統中最重要的核心技術(shù)。在傳送電力之感應線(xiàn)圈上要穩定傳送數據非常困難，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，所以主載波工作頻率也不會(huì )固定。因為困難所以先前廠(chǎng)商推出的技術(shù)有除了感應線(xiàn)圈供應電力外，另外在建立一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信頻道，例如紅外線(xiàn)、藍芽、RFID標簽、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低才可被市場(chǎng)所接受，所以利用感應線(xiàn)圈本身作數據傳輸為業(yè)界必采用的方式。

利用感應電力之線(xiàn)圈進(jìn)行數據傳輸會(huì )遇到兩個(gè)問(wèn)題，就是如何發(fā)送數據與如何接收數據，原理同RFID的數據傳輸方式，供電端線(xiàn)圈上發(fā)送主載波打到受電端線(xiàn)圈上，再由受電端電路上控制負載變化來(lái)進(jìn)行反饋，在現行的感應電力設計中為單向傳輸，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(méi)有內含通訊成份，這個(gè)數據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(wú)法進(jìn)行數據碼傳送，乍看來(lái)只是半套的通訊機制在感應電力系統中卻非常實(shí)用，因為滿(mǎn)足了系統所需要的功能：供電端辨識受電端后開(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)行調整。

參考圖（六）中qi規格書(shū)中受電端接收電力與數據反饋架構，其中可以看到有兩種設計架構，分別是電阻式與電容式兩種。電阻式調制反饋訊號的方式源自被動(dòng)式RFID技術(shù)，利用接收線(xiàn)圈阻抗切換反饋訊號到發(fā)射線(xiàn)圈進(jìn)行讀取，運用在感應式電力上由美國ACCESS BUSINESS GROUP （Fulton） 所申請之美國專(zhuān)利公開(kāi)號20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM （臺灣公開(kāi)號201018042 無(wú)線(xiàn)充電系統）內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載電阻，即圖（六）中的Rcm使線(xiàn)圈上的阻抗特性變化反饋到供電線(xiàn)圈上，經(jīng)由供電線(xiàn)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軟件進(jìn)行譯碼動(dòng)作。參考圖（七）在專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)中，Fig.7中表示供電線(xiàn)圈上的訊號狀況，當Rcm上的開(kāi)關(guān)導通時(shí)，拉低受電線(xiàn)圈上的阻抗反饋到供電線(xiàn)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(shí)周期下該時(shí)間點(diǎn)是否有發(fā)生調制狀態(tài)變化進(jìn)行判讀邏輯數據碼，但這個(gè)編碼方式可以發(fā)線(xiàn)將會(huì )有一段周期的時(shí)間持續在調制狀態(tài)。參考圖（八）為qi規格書(shū)中的數據傳輸格式，可以看到是由一個(gè)2KHz的計時(shí)頻率進(jìn)行數據調制與譯碼的數據傳送頻率，經(jīng)由推算在一個(gè)調至狀態(tài)下最長(cháng)會(huì )有一個(gè)周期的時(shí)間在調制狀態(tài)。UART通訊方式中調制狀態(tài)的長(cháng)短并沒(méi)有影響到系統中的功能，但在感應式電力系統中調制狀態(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(xiàn)圈耦合的效果能傳送強大的電流驅動(dòng)力，而受電端的電阻負載需要承受驅動(dòng)電流進(jìn)行反饋，當功率加大后在Rcm上所承受的功率也會(huì )增加，且在調制期間原要通往受電端輸出的電流也會(huì )被Rcm所分流，所以在調制期間受電端的輸出能力會(huì )被損耗；另外調制的時(shí)間會(huì )因為傳送頻率提高而縮短，因為在感應式電源系統中主載波的工作頻率受于組件與電磁干擾法規限制下只能在較低的頻率下運作（約100~200KHz），而數據是靠主載波上的調制狀態(tài)傳送，所以數據傳送頻率需要遠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)現當感應電力系統設計的功率提高后，電阻負載的數據調制方式為不可行，因為在調制電路上的電阻器會(huì )有相當長(cháng)的周期在導通的狀態(tài)造成功率消耗。

圖（六）qi規格書(shū)中受電端接收電力與數據反饋架構

圖（七）美國專(zhuān)利公開(kāi)號20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM內容

圖（八）qi規格書(shū)中數據傳送格式

前段所提當功率加大后因為受電端上的訊號調制用負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，且為了反饋訊號容易被辯識需要有較大的反饋量使線(xiàn)圈上有較大的調制深度，這個(gè)設計下需將使接收端上的負載電阻設定較低的阻抗用來(lái)吸收更多的能量產(chǎn)生反饋，在這個(gè)循環(huán)下要提升感應式電源供應器之可用功率將遇到瓶頸。所以有廠(chǎng)商提出另一個(gè)電容式訊號調制方法。由香港ConvenientPower HK Ltd申請之美國專(zhuān)利公開(kāi)號20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER （用于無(wú)線(xiàn)電力中的數據調制與解調方法），參考圖（九）說(shuō)明其內容所提的在先前設計在受電端產(chǎn)生調制反饋能量的負載電阻改成電容，其因為采用電容調制時(shí)會(huì )在供電端發(fā)射線(xiàn)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；這樣的設計可以不需要產(chǎn)生很大的調制深度即可達到反饋數據的目的，所以即使在較長(cháng)的調制期間并不會(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(xiàn)圈上的交流電壓值 2.為供電線(xiàn)圈上的交流電流值 3.為驅動(dòng)供電線(xiàn)圈的電源電流 ，其中電流值需要將供電線(xiàn)圈到接地端串連一個(gè)電感，量測電感兩端的電壓值來(lái)測定電流，而這三個(gè)數值的變化量都很微小，所以從供電線(xiàn)圈取回訊號后需要透過(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調制的方法所造成供電線(xiàn)圈上所發(fā)生的訊號變化。

圖（九）美國專(zhuān)利公開(kāi)號20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER內容

圖（十）ti規格書(shū)說(shuō)明電組式訊號調制電路

圖（十一）ti規格書(shū)說(shuō)明電容式訊號調制電路