无线电力的控制通讯与金属异物检测技术

无线充电虽然方便，但是不当使用仍是具有危险性的，因为其采用电磁感应式透过线圈谐振特性将电力传输到另一端，为求安全与性能在供电端与受电端之间的控制通讯就不得马虎。此外由于无线充电器上面可能不小心放了其他金属，不仅干扰充电效率，且可能造成高温而发生危险，因此金属异物检测也是必备需求。如何提升无线充电的安全性，就让富达通的专家来告诉你…

无线充电原理、匹配拓朴与效率提升

富达通(Fu Da Tong)科技无线充电事业部研发经理詹其哲先生，以「无线电力中控制通讯与金属异物检测」为主题，来介绍无线充电是如何控制双方之间的通讯方法，以及他在金属异物检测上的改进与研究成果。

他表示无线充电产品必须要有安全保护的功能，才能在市面上销售。由于无线充电系统的供电端(Tx)与受电端(Rx)是分开的，能量是从Tx端传到Rx端，但Rx端的控制信号要如何反馈回Tx端，正是无线充电技术的关键所在。以电磁感应式的Tx端驱动拓朴来看，有半桥和全桥驱动等作法，并可透过改变频率来调整输出功率。

至于受电端谐振匹配拓朴，则有电磁感应接收、共振(并联谐振)接收、共振(串联谐振)接收等方式，可透过藕合匹配来提高能量传送效率，例如在接收线圈回路上加入串联电容与并联电容，让在高低负载时都能获得更佳的传送效率。而这些改善作法在QI的规格书也有说明。

提高充电效率  必须优先解决通讯控制问题

接下来探讨各种无线充电的信号反馈作法。透过目前市面上采Qi规范的实作方法，来说明可行的方案。一是加大并联电容，就可使Rx端上的谐振点靠近Tx端的工作频率。当原本并联电容的匹配是远高于工作频率时，因为变紧密会把Tx端上于供电期间线圈的振幅往下拉，但使该效应在负载加重后变的不明显；在Qi规格中的实作方式，在Rx之线圈两端加入Comm 1、2做为调制信号用的电容连接到控制芯片，于调制中将该电容下拉接地产生信号反射动作。

以Qi规格中的数据信号中可看出，在空载下从Rx反射到Tx线圈电性变化波形图中可以看出空载时有2V变化量，在Qi规格中只要到0.2V以上就可以做判别因此在空载下Tx端就能容易从Rx端读回数据。目前市面上的Qi充电器为了力求cost down，往往不实作Tx线圈电流的检测，只做电压的检测，透过比较固定负载、变动负载、快速变动负载等状况的Qi供电模式下数据框传送变化波形图，来说明快速动态负载会影响数据传送。

由于提高感应式电力系统功率需先解决通讯控制问题，亦即现有Qi中通讯技术无法在近谐振点处工作，且加大功率需要操作在接近谐振点且伴随较高振荡电压才会有足够推力，在此介绍一款设计透过MOSFET来实作一款Rx整流电路，并展示所设计的Rx与Tx无线模块(24V in，24V out)，包含DrMOS驱动器与信号解析电路、半桥同步整流兼信号调制与DC-DC降压电路、高性能280股热融式自粘线圈等布线图。经实测最大传输功率达166.6W，接收端达151.07W输出(90.67%传送效率)。

接着詹其哲列出Tx、Rx端电路方块图，与各种示波形图，来讲解产品的运作原理，由于线圈信号很小，透过其电路来解析其高低起伏并放大信号，再以检波电路加直流固定准位，将数据串取回来。他也指出整套完整电路图与应用之程序流程图，都在台湾专利局下载到专利说明书中有详细数据。

无线充电好方便  异物挡住酿危险

至于在金属异物检测部份，挑战在于由于位于供电线圈与受电线圈之间，是否夹杂其他金属异物是难以判定的；若没有好的异物检测与断电机制，充电时该金属异物会造成供电线圈产生大电流对线圈与异物快速加热，该加热能量可使放置在线圈表面上金属在1~2分钟内被加热到200度以上而酿成灾害。因此在Qi规范有加入金属检测(FOD)的机制，以防止危险发生。

Qi的寄生金属检测的原理，就是透过Tx端发射多少能量与Rx端有多少能量被接收计算该差值是否在设定范围内进行判别，实作中由Rx端反馈功率封包给Tx说明收到多少能量，透过相减即可得知有多少能量损失，并以这个损失值大小来判定是否有金属异物。但此检测技术的最大问题，在于能量损失值要如何定义。

以5W电路(设计效率75%~50%)的损耗在1.25W内浮动、100W电路(设计功率90%~85%)就会有5W的损耗浮动为例，不能检测到小于5W才判定有金属异物，因为无法确认该损耗为金属异物或系统运作时正常浮动范围。以回纹针做实验，以供电端线圈电压达到150Vp-p进行供电，虽回纹针体积小且损耗功率小(只吸取约2W)，但供电5分钟后温度仍提升到超过200°C造成危险，因此这种Tx与Rx能量相减的方式其实行不通！而线圈外围设计上大都是塑胶壳体包围，即便加入温度感应器也是也无法量测夹在塑胶壳体间高温状况。

另一个方法是FOD改采用透过Tx线圈电感量变化，来判别是否有金属异物的话，他以Tx线圈谐振曲线，来说明金属异物会造成电感量变小，而磁性材料(不吸收电磁能量)则造成电感量变大，因此理论上可以设定在某个操作频率与电压下的上下限，来判定是否有金属异物。但由于Tx线圈上电感量会受Rx线圈配置磁性材料影响，使其产生抵销作用而无法在实作上运用。

如何以更先进技术找出两个线圈间之微小金属异物的方式，詹其哲提出这5年来对FOD的研究成果，就是用两组驱动IC，来检测于短时间暂停驱动下观察Tx线圈电压信号衰减速度，进而判别是否有细小金属异物的入侵；实作上在处于通讯控制空档阶段，再进行金属异物检测即可。只要运用上述技术，即可提升无线充电产品的使用安全性。