搭配數位控制器增加無線充電安全
- DIGITIMES企劃
-
無線充電技術搭配行動裝置使用起來雖便捷，但其實行動裝置的電池容量動輒2,000？3,000mAh，充電過程轉換成無線傳輸後，若傳輸途徑有金屬物就會造成感應導致高熱，不只是正常充電過程的行動裝置電池溫度問題，傳輸能源途徑也必須確保無金屬物阻隔才能達到一定程度的安全要求…
隨著無線充電應用越來越普遍，現在已有智慧型手機直接標榜採用無線充電技術，產品出貨即提供無線充電座而不再提供傳統座充、旅充等，雖說無線充電技術讓我們在替這些行動裝置充電變得更方便，但實際上無線充電技術使用不當仍會導致部分危險，為了避免問題擴大，必須先從充電機制進行充電安全檢測與控制。
無線充電技術 更適合行動裝置導入
對無線充電技術終端產品的設計要求來看，工程師必須盡可能提高無線充電效能，增加能源的傳遞效率，另一方面，也必須透過監控無線充電的輸出變化、感測充電途徑是否有金屬異物介入影響無線能量傳遞，因為無線充電為將電能轉換成電波送出，再由Rx接收電波轉換成充電能量，若乘載電力的電波被金屬異物吸收，電能就會轉換成熱能釋出，進而造成高熱熔毀周邊的電子電路。
在設計應用上，即便是要針對安全性改善設計方案，也必須有效減少物料數量，避免過多料件與額外設計，造成料件與設計成本的提高，而如何提升充電效率、同時又能滿足改善無線充電安全，導入金屬異物偵測功能，還必須在低成本的要求下完成這些設計，增加產品的使用效益。一般來說，要做到金屬異物感測並不是太困難的事，可以利用外部小型訊號元件進行分析與感測，或搭配偵測控制器分析與監控充電路徑實時狀態，但實際上額外的線路雖可提升充電安全，但卻也增加了產品的設計複雜度，額外的感測器料件成本也會反映在終端售價，造成產品的市場競爭力下滑。
遵從技術標準安全規範 打造更安全的無線充電產品
在設計一開始，較務實的做法是參考技術方案提供的設計指引，例如，以無線充電聯盟(Wireless Power Consortium，WPC)推出的Qi標準無線充電技術方案，就會提供多項安全性設計指引與要求，製造商必須遵循規範完成相關產品設計，並將產品交付檢測取得Qi認證才能號稱是支援Qi無線充電技術的配件或產品，而透過觀察安全設計指引或是檢測標準，多少都能掌握安全設計的必要檢核點與補強設計方案。
以Qi無線充電技術為例，無線充電的過程是由電力發送器Tx與接受器Rx之間形成的近場電磁感應，產生的能量交換過程，而其中若有金屬異物介入，即會因為金屬吸收了高度能量而產生高熱，造成使用危害，金屬物的偵測與排除是多數無線充電器設計必須重視的安全課題。實際上無線充電過程的能量傳輸概念，就有點像變壓器的線圈，當交流電通過主線圈產生磁場時，部分磁場會和刺線圈產生耦合作用，令次線圈進而產生電流流動，整個過程即由主線圈將電能傳送到次線圈了，相同的，無線傳輸電能的概念也是如此。
金屬異物感測 改善無線充電安全關鍵
而在實用的小電力無線傳輸系統中，發送器Tx利用耦合線圈產生磁場，藉此傳輸電能至接收線圈Rx方面，基本上整個無線充電系統是在封閉迴路中進行運作，接收端為透過調變線圈的共同磁場同時傳送資訊給Tx，藉以依據接收電力狀態通知Tx端調整最佳化的輸出狀態，提高能源轉換效率。而Rx接收到經過解調的通訊資訊後，根據資料快速修正傳送能量狀態調整輸出數據，整個系統就是如此緊密溝通、確認輸出後高效率完成無線充電過程。無線充電座的Tx控制晶片需要能接收解析Rx的充電要求，並能針對要求控制Tx線圈變更其傳輸能量與方式，控制與電源管理功能則利用晶片整合技術封裝了，藉以減少終端設計的料件數量與成本。
在金屬異物偵測方面，其實金屬異物一直是無線充電的一個隱患！因為無線充電進行過程中所傳輸的電磁場，從實驗檢知只要有500mW以上的能量傳遞到迴紋針、錢幣、戒指等金屬材料上，金屬物的溫升就可能增加到80℃以上，必須在無線充電技術方案中加入偵測寄生耦合現象機制，讓充電過程中只要感測發現能量出現異常，就必須即時中斷無線電力傳輸，達到產品的安全設計要求。
無線充電主控晶片 建構Rx/Tx通暢資訊溝通管道
基本上無線電源系統會利用Tx與Rx間的通訊協定交換數據，監控Tx端的輸出狀態與Rx端的接收狀態，當Rx端出現高過系統設定的接收標準時，Tx即會中斷傳輸避免造成損壞，一般設置的安全值會低於200？300mW，也會讓整個無線充電系統安全性提升。而早期行動裝置使用的設備電源可在10V上下，但近來5V漸漸成為充電標準，一方面應是USB介面標準化導致的結果，但對於無線充電應用來說也是相當便捷的電壓設定，因為面對不同電子產品，無線充電Tx座只要支援5V輸出，大多就能迎合九成以上的使用相容需求。
另外，在一般有線充電裝置所支援的動態電源管理(Dynamic Power Management；DPM)，即當充電線纜來源的電能輸出降低時，行動裝置本身的充電電流也可以進行對應調降，此種功能在無線充電的Tx與Rx模組設計上，也必須加上對應設計才行，因為DPM可以調整行動裝置的充電所需電能量，如果無DPM的應用限制，無線充電過程可能受到干擾，尤其是當Tx要自市電插座或是USB供電介面汲取超過額定值的電能量時，就有可能因此造成電力出現中斷，導致使用者充電應用不便。
利用DPM安全機制 改善充電設備使用體驗
對DPM動態電源使用來說，可以說有多種應用選擇，一方面可以由無線充電器的Tx進行輸入無線充電系統的電力檢測，若發現輸入電壓變動過大、低於標準值時，隨即開啟電源傳送限制，其次是利用DPM的電源線至方式，直接限制電力來源不得超過定制的一定額度電壓/電流，但此種設計會相對保守，也會出現較多應用限制。
隨著科技不斷進步，行動裝置充電方式的選擇已愈來愈多，而使用者經驗正是推動科技發展關鍵因素。使用者透過高效能數位控制器，即可讓無線充電技術在更安全、便利的環境下為裝置進行充電，且此一技術也勢必將逐漸融入使用者日常生活中。
隨著科技進步，未來只會有越來越多裝置支援無線充電，無線充電在Tx與Rx的開發方面，也會有突破性的發展，像是目前主流是以一對一的無線充電應用為主，已有業者開發可一對多的Tx設計，利用性能更強的無線充電控制晶片，同時與一組以上的Rx設備進行充電資訊傳輸、無線電能傳輸等，而且還可同時兼顧金屬異物感知與自動安全設計，透過更方便的無線充電支援，創造更便捷的資訊商品使用環境。
