突破中功率供電設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)　無線充電系統(tǒng)通訊機(jī)制成關(guān)鍵

無線充電系統(tǒng)朝中大功率發(fā)展已是業(yè)界共同目標(biāo)，而其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于供電端與受電端間的通訊機(jī)制是否完善，亦即供電端主控晶片要能對(duì)每一個(gè)從受電端反射回的訊號(hào)進(jìn)行記錄分析，同時(shí)藉由軟體演算法過濾雜訊脈沖并正確解碼，方能實(shí)現(xiàn)。

無線充電是近年來熱門的發(fā)展技術(shù)，雖其市場(chǎng)成長(zhǎng)沒有預(yù)期快速，但前景依然看好?？v觀目前市場(chǎng)上的無線充電發(fā)展，幾乎圍繞在智慧型手持裝置上，這類應(yīng)用的電池與充電回路設(shè)計(jì)基于安全考量，并不會(huì)使用較大的電流充電，而采用固定電壓5伏特（V）、最大電流1安培（A）輸入的充電方式，供電功率為5瓦（W），此即標(biāo)準(zhǔn)通用序列匯流排（USB）連接器之供電規(guī)格。

無線充電領(lǐng)域，在低功率的部分，三大無線充電標(biāo)準(zhǔn)陣營(yíng)將5瓦歸類為低功率系統(tǒng)，至于中、高功率就沒有明確的定義，可以確定的是只要高于5瓦都可以稱為中、高功率無線充電系統(tǒng)。目前發(fā)展無線充電系統(tǒng)除了電子產(chǎn)品外，還有大型電動(dòng)車等領(lǐng)域，若以5瓦為低功率而10瓦就稱為高功率的話，那充電功率動(dòng)輒數(shù)千瓦的能量就難以定義了，因此本文將5瓦到百瓦間的等級(jí)暫稱為中功率，而數(shù)千瓦的應(yīng)用暫稱為高功率。

過去幾年來無線充電的市售產(chǎn)品多集中在5瓦以下之設(shè)計(jì)，其背后的主因有幾個(gè)，其一為目標(biāo)裝置原始設(shè)計(jì)充電回路為最高5瓦的設(shè)計(jì)，自然在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成無線充電過程中也不會(huì)采用超過5瓦的設(shè)計(jì)；其二為目前無線充電主流制定標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)范最高只有5瓦系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)之零組件都為最高5瓦所設(shè)計(jì)。由于前述兩個(gè)原因?qū)е聼o線充電的應(yīng)用局限在單一產(chǎn)品類別，而要讓中功率的無線充電系統(tǒng)商用化，需先有可生產(chǎn)商用的技術(shù)后，再透過創(chuàng)意應(yīng)用在現(xiàn)有產(chǎn)品中。

生活中的電子產(chǎn)品，只要是須要進(jìn)行連接充電的，都有機(jī)會(huì)導(dǎo)入無線充電使其更便利。不過，許多產(chǎn)品原始設(shè)計(jì)可能就用高于5瓦的充電功率進(jìn)行充電，若是用低功率的無線充電技術(shù)直接套用在該產(chǎn)品中，會(huì)使所需充電時(shí)間變長(zhǎng)，反而徒增不便，所以中功率之無線充電系統(tǒng)有其市場(chǎng)需求。在技術(shù)層面上，無線充電功率提高衍生的問題相當(dāng)復(fù)雜，并非將現(xiàn)有常見的5瓦系統(tǒng)直接加大電路規(guī)格就可達(dá)到應(yīng)有功能。

通訊機(jī)制決定無線充電系統(tǒng)安全/轉(zhuǎn)換性能

無線充電系統(tǒng)從表面上看為兩個(gè)感應(yīng)線圈，一個(gè)當(dāng)發(fā)射能量的供電端（Tx）、另一做為接收能量的受電端（Rx）。這個(gè)系統(tǒng)有兩大機(jī)制須要協(xié)調(diào)控制才能穩(wěn)定運(yùn)作，分別為通訊識(shí)別與功率調(diào)節(jié)，本文將探討通訊識(shí)別技術(shù)。

在電源系統(tǒng)中基本架構(gòu)為輸入電源、處理、轉(zhuǎn)換、輸出電源四個(gè)部分，其中處理主要是對(duì)于輸出電性變化進(jìn)行運(yùn)算后，透過轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成整個(gè)電源電路功能。由這樣的閉回路架構(gòu)可以看出輸入轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)與輸出的電性有密切關(guān)聯(lián)，傳統(tǒng)電源系統(tǒng)在實(shí)體上為單一或有實(shí)體電路連接之裝置，整個(gè)系統(tǒng)可以透過電路連接傳遞反饋訊號(hào)進(jìn)行運(yùn)作；而無線電力系統(tǒng)在實(shí)體上為兩個(gè)獨(dú)立的裝置，其供電端與受電端沒有實(shí)體電路連接，跟過去電源系統(tǒng)有相當(dāng)大的差異（圖1）。

圖1 電源系統(tǒng)到無線電源系統(tǒng)功能方塊配置

為了完成電源系統(tǒng)之功能，無線電力系統(tǒng)兩端裝置必須要能傳遞用以控制的反饋訊號(hào)，而這個(gè)機(jī)制須透過無線通訊方式進(jìn)行，因此要在供電端與受電端個(gè)別加入通訊機(jī)制。前述在電源系統(tǒng)中控制主要對(duì)輸出端電性進(jìn)行偵測(cè)分析，所以反饋訊號(hào)是來自輸出端，在無線電源系統(tǒng)中將功能方塊拆開成供電與受電兩端，其中受電端增加的功能方塊為將反饋訊號(hào)編碼透過無線通訊傳送到供電端，供電端則多了通訊接收解碼功能，將反饋訊號(hào)進(jìn)行處理。

到這邊可以得到一個(gè)觀念，無線電力系統(tǒng)要能安全實(shí)現(xiàn)電力傳送功能，一定得藉由通訊機(jī)制來完成，沒有通訊就無法依輸出的供電狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)；另外無線充電系統(tǒng)的供電端與受電端并非固定連接，受電端會(huì)離開供電端獨(dú)立使用，在功能上當(dāng)供電端在受電端離開就應(yīng)該要停止輸出能量，若沒有通訊機(jī)制則供電端會(huì)無法確認(rèn)是否要持續(xù)輸出能量。

無線充電通訊識(shí)別技術(shù)備受考驗(yàn)

在目前電子電路中，無線通訊是發(fā)展相當(dāng)成熟的技術(shù)，要完成兩端間的無線通訊，有非常多現(xiàn)成的方案可以使用，但在無線充電系統(tǒng)中卻無法使用這些現(xiàn)有的無線通訊方案。

為何無線充電系統(tǒng)不能使用現(xiàn)有無線區(qū)域網(wǎng)路（Wi-Fi）、藍(lán)牙（Bluetooth）等無線通訊方案呢？除了成本考量外，主要的原因?yàn)闊o線充電是供電端與受電端的感應(yīng)線圈，是在極近的距離下傳送能量，供電端與受電端進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)進(jìn)行相當(dāng)密實(shí)的能量互動(dòng)（圖2），而現(xiàn)有的無線通訊方案卻允許系統(tǒng)在很長(zhǎng)的距離下傳送資料，這反而會(huì)造成系統(tǒng)問題。

圖2 無線電源系統(tǒng)能量發(fā)送與通訊控制為緊密的互動(dòng)

舉例說明，若采用長(zhǎng)距離通訊機(jī)制，當(dāng)數(shù)個(gè)無線充電器身處同個(gè)場(chǎng)域，供電端可以接收到鄰近所有受電端的資料，會(huì)讓供電端無法識(shí)別所對(duì)應(yīng)的受電端進(jìn)而調(diào)節(jié)能量輸出，所以無線充電須要特別開發(fā)近距離通訊方式。

在現(xiàn)有低功率5瓦系統(tǒng)中，無線電力通訊方法，主要是透過供電端驅(qū)動(dòng)線圈，發(fā)射能量載波到受電端進(jìn)行能量傳送，受電端透過調(diào)制電路改變受電線圈上的阻抗，以用來反射到供電端線圈，供電端再取回線圈上的訊號(hào)進(jìn)行解調(diào)訊號(hào)分析。這個(gè)方式原理簡(jiǎn)單，只透過同一組線圈進(jìn)行能量傳送與通訊，這簡(jiǎn)單的方法也是造成通訊實(shí)作技術(shù)困難的原因；無線充電中感應(yīng)線圈上存在的訊號(hào)相當(dāng)復(fù)雜，線圈本身呈現(xiàn)電感性搭配一個(gè)電容組成諧振電路，訊號(hào)的動(dòng)力源來自在供電端的驅(qū)動(dòng)元件切換電力開關(guān)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)后線圈與電容開始諧振，此時(shí)線圈上的訊號(hào)類弦波訊號(hào)產(chǎn)生，此弦波訊號(hào)受到外部所影響，會(huì)改變其訊號(hào)特性；如感應(yīng)到接收線圈的諧振回圈、受電端訊號(hào)調(diào)制電路改變阻抗、輸出電力負(fù)載端的變化。

另外線圈是要傳送電力推動(dòng)負(fù)載，所以除了感應(yīng)到電壓訊號(hào)表面之下，內(nèi)含之電流驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)大于一般的通訊系統(tǒng)，且用來傳送訊號(hào)的主載波是利用在線圈上振蕩的類弦波來實(shí)現(xiàn)也有不穩(wěn)定的因素，在通訊中主載波的大小與頻率都不固定，且頻率又低的狀況下，要在線圈上完成通訊系統(tǒng)非常困難，而且這個(gè)難度會(huì)隨著線圈上傳送的功率增加而變得更困難。

調(diào)制訊號(hào)微乎其微 中功率通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)不易

現(xiàn)有市面上無線充電產(chǎn)品大多遵循Qi標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其通訊方式在無線充電聯(lián)盟（WPC）網(wǎng)站上有詳細(xì)的規(guī)格可以了解。該方法為在受電端上透過調(diào)制電路連接電阻或電容到受電線圈上進(jìn)行阻抗調(diào)整，將訊號(hào)反射到發(fā)射線圈產(chǎn)生振幅高低差，此振幅高低差內(nèi)容包含電壓與電流的變化，再透過低通濾波器將此變化取出，傳送到供電端主控制器內(nèi)的軟體進(jìn)行解讀。

此技術(shù)存在一些問題，尤其是當(dāng)傳送功率提高后，從受電端反射到供電端線圈上的訊號(hào)高低差會(huì)變小，當(dāng)輸出功率與負(fù)載組合提高到某個(gè)狀況，其傳送的調(diào)制訊號(hào)會(huì)變?nèi)醯綆缀鯚o法從線圈上取出，這也是在低功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要加大功率遇到的最大瓶頸。

過去幾年來WPC一直號(hào)稱要推出大于5瓦功率的系統(tǒng)規(guī)格卻沒有下文，其中關(guān)鍵就在于怎么改善提高功率后的通訊連接問題，要解決后才有辦法完成相關(guān)規(guī)格制定，制定完規(guī)格后還需要大量的實(shí)作驗(yàn)證，且還有與舊系統(tǒng)的相容問題，所以看來在原有Qi標(biāo)準(zhǔn)下要提高功率是相當(dāng)困難的。市面上有一些基于Qi架構(gòu)而可以擴(kuò)充功率到7.5瓦的產(chǎn)品，其技術(shù)方式為在原有的Qi通訊方式之外，另外建構(gòu)一個(gè)高頻的無線通訊進(jìn)行連結(jié)，此為另一種解決受限于5瓦的通訊機(jī)制，不過看來此方法只能小幅度提高功率并沒有徹底解決問題。

突破中功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)卡 軟體技術(shù)成關(guān)鍵

當(dāng)無線電力系統(tǒng)傳送的功率提高之后，要透過受電端反射訊號(hào)到供電線圈上，并使其主載波有高低變化量將變得困難，所以在設(shè)計(jì)上需要新的判讀方式。以下說明在中功率無線電力系統(tǒng)中的通訊方法，圖3為供電端方塊，代號(hào)17與171為發(fā)生振蕩訊號(hào)的電容與線圈，將其訊號(hào)連接到13為一個(gè)低通濾波電路。

圖3 用于中功率系統(tǒng)的供電端方塊

17與171間的振蕩訊號(hào)參考圖4的W83,通過131的箝位電路后變成W82的訊號(hào)，再通過后端濾波電路最后取出W81是低頻波型。而這邊在主載波上變化是來自受電端的反射所造成，圖5中23區(qū)塊為一半橋同步整流器的架構(gòu)，其下端整流金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）開關(guān)代號(hào)A2、B3會(huì)被代號(hào)B5、B6所控制，而產(chǎn)生無法整流的調(diào)制訊號(hào)期間，這段調(diào)制期間會(huì)反射到供電端線圈使其發(fā)生變化，此設(shè)計(jì)可以確保從受電端輸出空載到中功率操作區(qū)，都有能力將脈沖訊號(hào)反射回供電線圈。參考圖6、圖7將脈沖訊號(hào)收集成串，在傳送到供電端中主控制器內(nèi)的軟體進(jìn)行解碼之動(dòng)作。此技術(shù)最困難的部分在于軟體，在實(shí)作上線圈訊號(hào)存在很多雜訊脈沖，要如何正確解讀出資料碼是靠軟體內(nèi)的技術(shù)來完成。

圖4 從供電端線圈上載波變化取出脈沖訊號(hào)

圖5 用于中功率系統(tǒng)的受電端方塊

圖6 取出脈沖訊號(hào)形成資料串進(jìn)行解碼

　　圖7 利用觸發(fā)間距量測(cè)的解碼方法

前兩段中說明要從供電端線圈上取出較高頻率的諧振訊號(hào)后透過低通濾波器；取出較低頻率的變化量訊號(hào)后進(jìn)行解讀。在這樣的設(shè)計(jì)架構(gòu)下，低通濾波器的設(shè)計(jì)非常重要，通訊訊號(hào)的取出性能取決于濾波器之設(shè)計(jì)；另一個(gè)說法，這樣的設(shè)計(jì)下濾波器變成系統(tǒng)的弱點(diǎn)，濾波器的設(shè)定過度遲鈍會(huì)造成小訊號(hào)遺失，而設(shè)定過度銳利則會(huì)取到過多的雜訊。

所以新一代的設(shè)計(jì)，將拿掉濾波器，直接抽線圈中的交流訊號(hào)進(jìn)行分析，而且只有取出通過諧振電容與線圈間的電流訊號(hào)，此段電流訊號(hào)有線圈上感應(yīng)來自受電端調(diào)制反射直接反應(yīng)。拿掉濾波器后系統(tǒng)相容性完全靠軟體解決，過去不同的規(guī)格代表受電端調(diào)制反射可能為不同頻率的資料訊號(hào)，而濾波器須要配合該資料訊號(hào)之頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)而沒有彈性，也就是說要完成一個(gè)供電端可以相容不同通訊格式功能之設(shè)計(jì)，將會(huì)卡在濾波器這關(guān)。拿掉濾波器后，供電端主控IC須要處理每一個(gè)諧振弦波進(jìn)行記錄分析，若主載波的頻率是100kHz,就代表IC每一秒鐘要處理10萬次弦波訊號(hào)分析，在目前微處理器（MPU）技術(shù)先進(jìn)下，要達(dá)到這個(gè)處理速度并不困難，主要還是軟體的配合，須要有效率的進(jìn)行訊號(hào)分析與解碼（圖8）。

圖8 從諧振線圈與電容之間截取出電流訊號(hào)進(jìn)行解碼

在沒有控制的狀況下，要加大無線充電功率并不困難，但沒有控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)品是無法銷售的。數(shù)年前在展覽上就已看到可以隔一段距離傳送能量點(diǎn)燈泡的樣品，但過了幾年后還是沒有商品化，而背后最大的問題就在于控制系統(tǒng)。在無線充電中，控制系統(tǒng)須要建立在供電與受電兩端的通訊上才能運(yùn)行，所以中功率無線充電的設(shè)計(jì)開發(fā)，必須在通訊機(jī)制上下功夫方能達(dá)成。

（本文作者為富達(dá)通無線充電事業(yè)部經(jīng)理）