電磁感應式無線充電系統三大核心技術的解析

相較于其它電子科技發展，感應式充電的技術發展顯的緩慢，幾個關鍵技術問題直到近年才有解決方案，且解決方案還在不斷的演進中。無線充電可通過許多方式去完成，以目前的技術中“電磁感應式”為已經量產且經過安全與市場驗證的產品，在生產成本上電磁感應式技術的產品低于其它技術，有市場預測在接下來數年內，在消費類電子產品領域中該類產品將呈倍數成長。在本文中將探討目前在電磁感應式無線充電系統中三大核心技術：諧振控制、高效能功率傳輸以及數據傳輸，以及它們面臨的難題與現有的解決方法。

諧振控制

現今量產的IC制程已經進步到納米層級，但量產電容、電感組件的規格卻很難作到誤差在百分之一以下，而在電磁感應式電力系統中的系利用兩個線圈感應，而線圈即為電感，在線圈上需要搭配電容作為諧振匹配，這樣的構造即同LC振蕩裝置，較為不同的是在這系統中的目的是為了要在線圈上傳輸功率，為了提高效率需要在電容、電感選用低阻抗零件使質量因子Q提高，在這樣的設計下其諧振曲線的斜率變的非常的大，在量產中系統設計頻率與電容、電感搭配變的非常困難，因為先前提到電容、電感存在相當的誤差，在量產中這樣的誤差若是沒有在系統中加入諧振控制修正誤差因素，則成品良率難以控制。在電容、電感誤差下會搭配出偏移原設計諧振點組合，導致發射功率與設計預定值有所偏差。參考圖（一）所示，在電磁感應電力系統中發設端的線圈上訊號振幅大小即為輸出功率的大小，在這個示意圖中表示一組線圈與電容組合的諧振曲線；在曲線上橫軸為操作的頻率，在不同的工作頻率下于線圈上有不同大小的振幅輸出，而最大振幅的諧振電將出現在頻率F=1/（2π√（LC））之上，在設計上并不會將系統設定在最高功率輸出的諧振點上，而是會工作在比諧振點高一些的頻率使輸出功率維持在適當值，在系統中我們通常稱這個頻率為中心工作頻率。在感應供電過程中可能會需要加大或降低輸出功率，這時只要調整工作頻率就可以完成。如圖（一） 所示，在需要加功率時需要降低些頻率使其靠近諧振點，用以提高輸出功率，反之要降低輸出功率只要提高頻率即可完成，在此將這個方式定義為變頻式功率調整。

圖（一）變頻式功率調整

另外一個改變輸出功率的方式為改變發射端上的驅動電壓，參考圖（二）所示，在同一線圈與電容的諧振組合中，當于驅動發射線圈上的開關電壓大小即直接改變的輸出功率的大小，在此將這個方式定義為變壓式功率調整。

圖（二）變壓式功率調整

先前有提到在量產中線圈與電容存在的誤差需要被修正，修正的目的在于每一組生產出來的產品需要有一致的功率輸出設定。參考圖（三）所示，這是典型量產中產品的諧振曲線，有諧振點偏高與偏高的產品；在變頻式的系統中，為了要始輸充功率都合乎預期設定，當諧振點偏高（電容或電感值偏?。┑慕M合中即提高中心工作頻率使輸出功率與設計目標相同，反之諧振點偏低時就反向操作，如圖（三）中所示，變頻系統擁有寬裕的修正容許空間。

圖（三）變頻式諧振偏差修正

另外一個修正諧振偏差的方式為變壓式，參考圖（四）所示利用改變驅動電壓的方式進行，當諧振點偏高（電容或電感值偏?。r就降低驅動電壓使功率輸出降低到所設計的預定值，反之諧振點偏低時就反向操作?？梢钥闯隼米儔菏降恼{整方式，修正容許空間相較于變頻式較為狹窄，主要為改變電壓的修正幅度沒有改變頻率方式的大，由于反應較緩所以也比較好控制調整幅度。

圖（四）變壓式諧振偏差修正

在諧振系統中調整功率的方式另外還有改變線圈上的電感值或電容值的方法，但在實際量產上并不容易完成所以不被采用。在圖（五）是無線充電聯盟規格書中所提的兩種控制發射線圈輸出功率的方法，第一種是變頻調整式，另一種則是變壓調整式。

圖（五）qi規格書中供電端發射線圈驅動架構圖

表1：分析這兩種方式的優缺點

由上表可看出，變頻式的在性能上有優勢，但在設計上有難度；在主控IC上的輸出頻率主要是由處理器。html target=_blank>微處理器架構的PWM輸出來完成，電磁感應式的操作頻率約在100K ~200K Hz之間，需要輸出上下緣各50%的方波來進行驅動可以得到較好的效能，而在高Q值的諧振線圈上頻率調整范圍需要到1K Hz以下；簡單的來說設計的輸出需要在100K ~200K Hz之前以每段1K Hz以下的調整間隔進行變頻，在這樣的設定需求下低階的處理器。html target=_blank>微處理器無法完成這樣的功能，另外變頻控制下諧振反應敏銳，些微的頻率改變會使功率大幅跳動，如何利用軟件去控制此現象為諧振控制的技術核心。