利用R&S示波器RTO/RTE測量Qi無線充電系統

隨著電子設備的移動應用越來越重要，更持久與方便的充電技術也備受廠家關注。許多公司企業已結成聯盟，進軍無線充電的領域，發展相關的技術及制訂技術標準。目前無線充電標準有三大陣營，包括 Wireless Power Consortium (WPC), Power Matter Alliance (PMA) 及 Alliance for Wireless Power (A4WP)，各有不同廠商在后支持，互相競逐一席之地。其中，目前比較廣泛使用的是無線充電聯盟 WPC的 Qi (“氣”) 標準。Qi 暫時主要以低功率型5 瓦以下的設備為主，包括智能手機、無線遙控器等等。將來規格將提升到支持中等功率型125瓦。該文章將把重點集中在Qi 的測量上。

2 技術概述

無線能量的傳輸技術，早在尼古拉斯•特斯拉(Nicholas Tesla) 的年代已獲得認同并衍生出今日的無線電通信。不同的是，無線電技術著眼于信息的傳輸，而無線充電技術注重于能量的傳輸。通過交變電場與磁場的感應、電磁輻射（激光、微波），能量是可以不通過物理媒介，傳輸到另一端，而其最大的瓶頸是能量傳輸的效率。

圖1. 英特爾工程師展示無線電把燈泡亮起。

3 Qi “氣” 標準基礎

Qi “氣” 采用非接觸式近距離的線圈的電磁感應原理傳輸能量。把具有次級線圈（secondary coil）裝置的設備貼近充電器的初級線圈（primary coil），初級線圈產生交變的磁場將在次級線圈感應出具有相同頻率的交流電壓。這也稱之為電磁感應功率傳輸。在近距離，大部分磁通量將局限于圈線之間，線圈可以有效地在大約5瓦功率較低頻的100k~205k赫茲范圍內實現電能傳輸

圖2. 符合Qi （氣）規格的接受與發射設備可以通用。

為了確保電磁感應在近距離進行，必須把初級與次級線圈對齊。裝置可以是固定位置：以單一的初級線圈和次級線圈對應；或者是任意定位的設計：以多個陣列的初級線圈檢測次級線圈的位置。
當兩個線圈貼近時，初級線圈將能檢測到次級線圈對磁場產生的負載效應，以監測它的存在。隨后，透過簡單的協議溝通，互相確認對方的身份，核對充電標準。確認是可以支持的設備后，充電器將把全面控制的權力移交到次級線圈的設備上。

4 Qi系統概述

無線電力傳輸基于電磁感應原理：
• 充電平臺： 提供無線功率（發射機）
• 移動設備： 消耗無線功率（接收器）

圖3. Qi 系統圖解

4.1 Qi 系統: 功率發射器

Qi 功率發射器有兩大功能：
• 功率轉換單元在初級線圈產生電磁場
• 通訊與控制單元根據接收器的需求調節轉換功率

4.2 Qi 系統: 功率接收器

Qi 功率接收可以：
• 功率接收單元在次級線圈上感應交變磁場并轉換為電能
• 通訊與控制單元會調節功率的需求量

移動設備子系統將感應負載（電池）的容量和水平，反饋給通訊與控制單元，以調節或切斷功率接收單元的輸出。通過調整次級線圈的負載，功率接收單元可以把電池訊息反映給充電平臺。充電平臺讀取后，也會依照原先設定的供電協議，決定如何調節初級線圈的能量。

5 Qi 測量面對的問題

5.1 時域與頻域的相關性

Qi 本身就是一個嵌入式系統。一個基本的Qi充電系統的設計就包含了：射頻部分、PCB設計、協議層控制、電力傳輸與電磁干擾屏蔽。面對數個領域的設計與分析，當需要不止一種儀器時，要進行有意義的數據分析，需要花費很多的時間和資金投入。

5.2 微弱信號的分析

Qi線圈之間的幅度調制相當微弱。要更仔細地觀察調制細節，模數轉換器（ADC）的分辨率必須要足以分析調制數據。要在高幅度的載波頻率信號找出微弱的幅度調制，工程師往往會把信號放大而導致ADC飽和的狀態。這時候儀器的過載恢復能力也變得相當重要。

5.3 電路板上的射頻噪音

當系統在偵測狀態時，Qi充電平臺會定時發送高功率模擬和數字射頻信號偵測接收設備。高功率的射頻信號也會產生強烈的電磁干擾，并影響電路板上的組件。

5.4 射頻信號的解調

Qi 系統通過負載的調制引起射頻信號的變化來進行設備之間的通信。要解調信號，必須要把載波頻率給濾掉。這通常就須要高端頻譜儀進行解調。

5.5 調制信號的觸發

傳統示波器具有的模擬觸發系統，信號需要達到觸發的最低電壓范圍才能啟動觸發機制。然而，對微弱的幅度調制波形來說，這將是一個具挑戰性的夢魘。

6 被測物與測量儀器

在此應用說明文章里，德州儀器的BQ51013AEVM-765接收（充電）平臺與BQ500211EVM-054發射（移動）設備的評估板作為測量對象。

圖4. 德州儀器的 Qi 系統評估板 BQ51013AEVM-765 （上）與 BQ500211EVM-054

RTO 和RTE系列示波器在測量信號時，可同時實現時域和頻域分析，在不損耗解析度與靈敏度的情況下，進行精確的數字觸發。加上具有SPI、I2C、CAN等的總線解碼與觸發，和邏輯通道的選項，RTO/RTE更能觀察Qi系統組件的互動，使它成為一個分析與檢測的好伙伴。

在這篇文章里，我們將對RTO/RTE測量Qi系統的能力進行評估，看看在那些測量項目上更能夠發揮RTO/RTE示波器的獨特性能。