無線電力的控制通訊與金屬異物檢測技術

無線充電雖然方便，但是不當使用仍是具有危險性的，因為其採用電磁感應式透過線圈諧振特性將電力傳輸到另一端，為求安全與性能在供電端與受電端之間的控制通訊就不得馬虎。此外由於無線充電器上面可能不小心放了其他金屬，不僅干擾充電效率，且可能造成高溫而發生危險，因此金屬異物檢測也是必備需求。如何提升無線充電的安全性，就讓富達通的專家來告訴你…

無線充電原理、匹配拓樸與效率提升

富達通(Fu Da Tong)科技無線充電事業部研發經理詹其哲先生，以「無線電力中控制通訊與金屬異物檢測」為主題，來介紹無線充電是如何控制雙方之間的通訊方法，以及他在金屬異物檢測上的改進與研究成果。

他表示無線充電產品必須要有安全保護的功能，才能在市面上銷售。由於無線充電系統的供電端(Tx)與受電端(Rx)是分開的，能量是從Tx端傳到Rx端，但Rx端的控制訊號要如何反饋回Tx端，正是無線充電技術的關鍵所在。以電磁感應式的Tx端驅動拓樸來看，有半橋和全橋驅動等作法，並可透過改變頻率來調整輸出功率。

至於受電端諧振匹配拓樸，則有電磁感應接收、共振(並聯諧振)接收、共振(串聯諧振)接收等方式，可透過藕合匹配來提高能量傳送效率，例如在接收線圈迴路上加入串聯電容與並聯電容，讓在高低負載時都能獲得更佳的傳送效率。而這些改善作法在QI的規格書也有說明。

提高充電效率  必須優先解決通訊控制問題

接下來探討各種無線充電的訊號反饋作法。透過目前市面上採Qi規範的實作方法，來說明可行的方案。一是加大並聯電容，就可使Rx端上的諧振點靠近Tx端的工作頻率。當原本並聯電容的匹配是遠高於工作頻率時，因為變緊密會把Tx端上於供電期間線圈的振幅往下拉，但使該效應在負載加重後變的不明顯；在Qi規格中的實作方式，在Rx之線圈兩端加入Comm 1、2做為調制訊號用的電容連接到控制晶片，於調制中將該電容下拉接地產生訊號反射動作。

以Qi規格中的資料訊號中可看出，在空載下從Rx反射到Tx線圈電性變化波形圖中可以看出空載時有2V變化量，在Qi規格中只要到0.2V以上就可以做判別因此在空載下Tx端就能容易從Rx端讀回資料。目前市面上的Qi充電器為了力求cost down，往往不實作Tx線圈電流的檢測，只做電壓的檢測，透過比較固定負載、變動負載、快速變動負載等狀況的Qi供電模式下資料框傳送變化波形圖，來說明快速動態負載會影響資料傳送。

由於提高感應式電力系統功率需先解決通訊控制問題，亦即現有Qi中通訊技術無法在近諧振點處工作，且加大功率需要操作在接近諧振點且伴隨較高振盪電壓才會有足夠推力，在此介紹一款設計透過MOSFET來實作一款Rx整流電路，並展示所設計的Rx與Tx無線模組(24V in，24V out)，包含DrMOS驅動器與訊號解析電路、半橋同步整流兼訊號調制與DC-DC降壓電路、高性能280股熱融式自粘線圈等佈線圖。經實測最大傳輸功率達166.6W，接收端達151.07W輸出(90.67%傳送效率)。

接著詹其哲列出Tx、Rx端電路方塊圖，與各種示波形圖，來講解產品的運作原理，由於線圈訊號很小，透過其電路來解析其高低起伏並放大訊號，再以檢波電路加直流固定準位，將資料串取回來。他也指出整套完整電路圖與應用之程式流程圖，都在台灣專利局下載到專利說明書中有詳細資料。

無線充電好方便  異物擋住釀危險

至於在金屬異物檢測部份，挑戰在於由於位於供電線圈與受電線圈之間，是否夾雜其他金屬異物是難以判定的；若沒有好的異物檢測與斷電機制，充電時該金屬異物會造成供電線圈產生大電流對線圈與異物快速加熱，該加熱能量可使放置在線圈表面上金屬在1~2分鐘內被加熱到200度以上而釀成災害。因此在Qi規範有加入金屬檢測(FOD)的機制，以防止危險發生。

Qi的寄生金屬檢測的原理，就是透過Tx端發射多少能量與Rx端有多少能量被接收計算該差值是否在設定範圍內進行判別，實作中由Rx端反饋功率封包給Tx說明收到多少能量，透過相減即可得知有多少能量損失，並以這個損失值大小來判定是否有金屬異物。但此檢測技術的最大問題，在於能量損失值要如何定義。

以5W電路(設計效率75%~50%)的損耗在1.25W內浮動、100W電路(設計功率90%~85%)就會有5W的損耗浮動為例，不能檢測到小於5W才判定有金屬異物，因為無法確認該損耗為金屬異物或系統運作時正常浮動範圍。以迴紋針做實驗，以供電端線圈電壓達到150Vp-p進行供電，雖迴紋針體積小且損耗功率小(只吸取約2W)，但供電5分鐘後溫度仍提升到超過200°C造成危險，因此這種Tx與Rx能量相減的方式其實行不通！而線圈外圍設計上大都是塑膠殼體包圍，即便加入溫度感應器也是也無法量測夾在塑膠殼體間高溫狀況。

另一個方法是FOD改採用透過Tx線圈電感量變化，來判別是否有金屬異物的話，他以Tx線圈諧振曲線，來說明金屬異物會造成電感量變小，而磁性材料(不吸收電磁能量)則造成電感量變大，因此理論上可以設定在某個操作頻率與電壓下的上下限，來判定是否有金屬異物。但由於Tx線圈上電感量會受Rx線圈配置磁性材料影響，使其產生抵銷作用而無法在實作上運用。

如何以更先進技術找出兩個線圈間之微小金屬異物的方式，詹其哲提出這5年來對FOD的研究成果，就是用兩組驅動IC，來檢測於短時間暫停驅動下觀察Tx線圈電壓訊號衰減速度，進而判別是否有細小金屬異物的入侵；實作上在處於通訊控制空檔階段，再進行金屬異物檢測即可。只要運用上述技術，即可提升無線充電產品的使用安全性。