諧振控制

現(xiàn)今量產(chǎn)的IC制程已經(jīng)進(jìn)步到納米層級(jí)，但量產(chǎn)電容、電感組件的規(guī)格卻很難作到誤差在百分之一以下，而在電磁感應(yīng)式電力系統(tǒng)中的系利用兩個(gè)線圈感應(yīng)，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(gòu)造即同LC振蕩裝置，較為不同的是在這系統(tǒng)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(zhì)量因子Q提高，在這樣的設(shè)計(jì)下其諧振曲線的斜率變的非常的大，在量產(chǎn)中系統(tǒng)設(shè)計(jì)頻率與電容、電感搭配變的非常困難，因?yàn)橄惹疤岬诫娙?、電感存在相?dāng)?shù)恼`差，在量產(chǎn)中這樣的誤差若是沒有在系統(tǒng)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(huì)搭配出偏移原設(shè)計(jì)諧振點(diǎn)組合，導(dǎo)致發(fā)射功率與設(shè)計(jì)預(yù)定值有所偏差。

參考圖（一）所示，在電磁感應(yīng)電力系統(tǒng)中發(fā)設(shè)端的線圈上訊號(hào)振幅大小即為輸出功率的大小，在這個(gè)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(xiàn)在頻率F=1/(2π√(LC))之上，在設(shè)計(jì)上并不會(huì)將系統(tǒng)設(shè)定在最高功率輸出的諧振點(diǎn)上，而是會(huì)工作在比諧振點(diǎn)高一些的頻率使輸出功率維持在適當(dāng)值，在系統(tǒng)中我們通常稱這個(gè)頻率為中心工作頻率。在感應(yīng)供電過(guò)程中可能會(huì)需要加大或降低輸出功率，這時(shí)只要調(diào)整工作頻率就可以完成。

如圖（一） 所示，在需要加功率時(shí)需要降低些頻率使其靠近諧振點(diǎn)，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(gè)方式定義為變頻式功率調(diào)整。


另外一個(gè)改變輸出功率的方式為改變發(fā)射端上的驅(qū)動(dòng)電壓，參考圖（二）所示，在同一線圈與電容的諧振組合中，當(dāng)于驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈上的開關(guān)電壓大小即直接改變的輸出功率的大小，在此將這個(gè)方式定義為變壓式功率調(diào)整。


先前有提到在量產(chǎn)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(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品需要有一致的功率輸出設(shè)定。參考圖（三）所示，這是典型量產(chǎn)中產(chǎn)品的諧振曲線，有諧振點(diǎn)偏高與偏高的產(chǎn)品；在變頻式的系統(tǒng)中，為了要始輸充功率都合乎預(yù)期設(shè)定，當(dāng)諧振點(diǎn)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(shè)計(jì)目標(biāo)相同，反之諧振點(diǎn)偏低時(shí)就反向操作，如圖（三）中所示，變頻系統(tǒng)擁有寬裕的修正容許空間。

[page]
另外一個(gè)修正諧振偏差的方式為變壓式，參考圖（四）所示利用改變驅(qū)動(dòng)電壓的方式進(jìn)行，當(dāng)諧振點(diǎn)偏高（電容或電感值偏?。r(shí)就降低驅(qū)動(dòng)電壓使功率輸出降低到所設(shè)計(jì)的預(yù)定值，反之諧振點(diǎn)偏低時(shí)就反向操作?？梢钥闯隼米儔菏降恼{(diào)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(yīng)較緩所以也比較好控制調(diào)整幅度。


在諧振系統(tǒng)中調(diào)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(shí)際量產(chǎn)上并不容易完成所以不被采用。在圖（五）是無(wú)線充電聯(lián)盟規(guī)格書中所提的兩種控制發(fā)射線圈輸出功率的方法，第一種是變頻調(diào)整式，另一種則是變壓調(diào)整式。



表1：分析這兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)



由上表可看出，變頻式的在性能上有優(yōu)勢(shì)，但在設(shè)計(jì)上有難度；在主控IC上的輸出頻率主要是由微處理器架構(gòu)的PWM輸出來(lái)完成，電磁感應(yīng)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(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)可以得到較好的效能，而在高Q值的諧振線圈上頻率調(diào)整范圍需要到1K Hz以下；簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)的輸出需要在100K ~200K Hz之前以每段1K Hz以下的調(diào)整間隔進(jìn)行變頻，在這樣的設(shè)定需求下低階的微處理器無(wú)法完成這樣的功能，另外變頻控制下諧振反應(yīng)敏銳，些微的頻率改變會(huì)使功率大幅跳動(dòng)，如何利用軟件去控制此現(xiàn)象為諧振控制的技術(shù)核心。

數(shù)據(jù)傳輸

在電磁感應(yīng)式電力系統(tǒng)中最重要的技術(shù)問(wèn)題就是必需要能識(shí)別放置于發(fā)射線圈上的物體，感應(yīng)電力就與烹調(diào)用的電磁爐一樣會(huì)發(fā)射強(qiáng)大的電磁波能量，若直接將此能量打在金屬上則會(huì)發(fā)熱造成危險(xiǎn)；為解決此問(wèn)題各廠商發(fā)展可識(shí)別目標(biāo)之技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展確認(rèn)藉由受電端接收線圈反饋訊號(hào)由供電端發(fā)射線圈接收訊號(hào)為最好的解決方式，為完成在感應(yīng)線圈上數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ転橄到y(tǒng)中最重要的核心技術(shù)。

在傳送電力之感應(yīng)線圈上要穩(wěn)定傳送數(shù)據(jù)非常困難，主要載波是用在大功率的電力傳輸，其會(huì)受到在電源使用中的各種干擾狀況，另外先前也提到這是一個(gè)變頻式的控制系統(tǒng)，所以主載波工作頻率也不會(huì)固定。因?yàn)槔щy所以先前廠商推出的技術(shù)有除了感應(yīng)線圈供應(yīng)電力外，另外在建立一個(gè)無(wú)線通信頻道，例如紅外線、藍(lán)芽、RFID標(biāo)簽、WiFi…等，但外加這些模塊已經(jīng)違背的成本原則，這個(gè)產(chǎn)品為充電器，成本一定要控制的相當(dāng)?shù)筒趴杀皇袌?chǎng)所接受，所以利用感應(yīng)線圈本身作數(shù)據(jù)傳輸為業(yè)界必采用的方式。

利用感應(yīng)電力之線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸會(huì)遇到兩個(gè)問(wèn)題，就是如何發(fā)送數(shù)據(jù)與如何接收數(shù)據(jù)，原理同RFID的數(shù)據(jù)傳輸方式，供電端線圈上發(fā)送主載波打到受電端線圈上，再由受電端電路上控制負(fù)載變化來(lái)進(jìn)行反饋，在現(xiàn)行的感應(yīng)電力設(shè)計(jì)中為單向傳輸，也就是電力能量（LC振蕩主載波）由供電端發(fā)送到受電端，而受電端反饋資料碼到供電端，而受電端收到供電端的能量只有強(qiáng)弱之分沒有內(nèi)含通訊成份，這個(gè)數(shù)據(jù)碼傳送的機(jī)制也只有受電端靠近后收到電力能量才能反饋，在供電端未提供能量的狀況下并無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)碼傳送，乍看來(lái)只是半套的通訊機(jī)制在感應(yīng)電力系統(tǒng)中卻非常實(shí)用，因?yàn)闈M足了系統(tǒng)所需要的功能：供電端辨識(shí)受電端后開啟發(fā)送能量進(jìn)行電力傳輸，受電端傳回電力狀況由供電端進(jìn)行調(diào)整。
[page]
參考圖（六）中qi規(guī)格書中受電端接收電力與數(shù)據(jù)反饋架構(gòu)，其中可以看到有兩種設(shè)計(jì)架構(gòu)，分別是電阻式與電容式兩種。電阻式調(diào)制反饋訊號(hào)的方式源自被動(dòng)式RFID技術(shù)，利用接收線圈阻抗切換反饋訊號(hào)到發(fā)射線圈進(jìn)行讀取，運(yùn)用在感應(yīng)式電力上由美國(guó)ACCESS BUSINESS GROUP (Fulton) 所申請(qǐng)之美國(guó)專利公開號(hào)20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM 內(nèi)容中有提到系利用切換開關(guān)位于接收端整流器后方的負(fù)載電阻，即圖（六）中的Rcm使線圈上的阻抗特性變化反饋到供電線圈上，經(jīng)由供電線圈上的偵測(cè)電路進(jìn)行解析變化，再有供電端上的處理器內(nèi)軟件進(jìn)行譯碼動(dòng)作。

參考圖（七）在專利說(shuō)明書中，F(xiàn)ig.7中表示供電線圈上的訊號(hào)狀況，當(dāng)Rcm上的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，拉低受電線圈上的阻抗反饋到供電線圈上使其振幅變大，在編碼的方式采用UART通訊方式中asynchronous serial format(異步串聯(lián)格式)進(jìn)行編碼，即在固定的計(jì)時(shí)周期下該時(shí)間點(diǎn)是否有發(fā)生調(diào)制狀態(tài)變化進(jìn)行判讀邏輯數(shù)據(jù)碼，但這個(gè)編碼方式可以發(fā)線將會(huì)有一段周期的時(shí)間持續(xù)在調(diào)制狀態(tài)。

參考圖（八）為qi規(guī)格書中的數(shù)據(jù)傳輸格式，可以看到是由一個(gè)2KHz的計(jì)時(shí)頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制與譯碼的數(shù)據(jù)傳送頻率，經(jīng)由推算在一個(gè)調(diào)至狀態(tài)下最長(zhǎng)會(huì)有一個(gè)周期的時(shí)間在調(diào)制狀態(tài)。UART通訊方式中調(diào)制狀態(tài)的長(zhǎng)短并沒有影響到系統(tǒng)中的功能，但在感應(yīng)式電力系統(tǒng)中調(diào)制狀態(tài)會(huì)影響到供電的狀態(tài)，原因是供電端的主載波本身是用來(lái)傳送電力的，透過(guò)供電端與受電端線圈耦合的效果能傳送強(qiáng)大的電流驅(qū)動(dòng)力，而受電端的電阻負(fù)載需要承受驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行反饋，當(dāng)功率加大后在Rcm上所承受的功率也會(huì)增加，且在調(diào)制期間原要通往受電端輸出的電流也會(huì)被Rcm所分流，所以在調(diào)制期間受電端的輸出能力會(huì)被損耗；另外調(diào)制的時(shí)間會(huì)因?yàn)閭魉皖l率提高而縮短，因?yàn)樵诟袘?yīng)式電源系統(tǒng)中主載波的工作頻率受于組件與電磁干擾法規(guī)限制下只能在較低的頻率下運(yùn)作(約100~200KHz)，而數(shù)據(jù)是靠主載波上的調(diào)制狀態(tài)傳送，所以數(shù)據(jù)傳送頻率需要遠(yuǎn)低于主載波頻率下才能順利運(yùn)作，在前述條件的沖突下可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)感應(yīng)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功率提高后，電阻負(fù)載的數(shù)據(jù)調(diào)制方式為不可行，因?yàn)樵谡{(diào)制電路上的電阻器會(huì)有相當(dāng)長(zhǎng)的周期在導(dǎo)通的狀態(tài)造成功率消耗。




前段所提當(dāng)功率加大后因?yàn)槭茈姸松系挠嵦?hào)調(diào)制用負(fù)載電阻需要吸收較大的電流會(huì)產(chǎn)生功率損耗問(wèn)題所以較為不可行，且為了反饋訊號(hào)容易被辯識(shí)需要有較大的反饋量使線圈上有較大的調(diào)制深度，這個(gè)設(shè)計(jì)下需將使接收端上的負(fù)載電阻設(shè)定較低的阻抗用來(lái)吸收更多的能量產(chǎn)生反饋，在這個(gè)循環(huán)下要提升感應(yīng)式電源供應(yīng)器之可用功率將遇到瓶頸。所以有廠商提出另一個(gè)電容式訊號(hào)調(diào)制方法。由香港ConvenientPower HK Ltd申請(qǐng)之美國(guó)專利公開號(hào)20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER （用于無(wú)線電力中的數(shù)據(jù)調(diào)制與解調(diào)方法），參考圖（九）說(shuō)明其內(nèi)容所提的在先前設(shè)計(jì)在受電端產(chǎn)生調(diào)制反饋能量的負(fù)載電阻改成電容，其因?yàn)椴捎秒娙菡{(diào)制時(shí)會(huì)在供電端發(fā)射線圈上產(chǎn)生電流與電壓相位差變化，所以可以利用分析此變化來(lái)進(jìn)行譯碼；這樣的設(shè)計(jì)可以不需要產(chǎn)生很大的調(diào)制深度即可達(dá)到反饋數(shù)據(jù)的目的，所以即使在較長(zhǎng)的調(diào)制期間并不會(huì)消耗過(guò)多的能量。

這個(gè)技術(shù)中需要在供電端上取出三個(gè)值進(jìn)行分析： 1.為供電線圈上的交流電壓值 2.為供電線圈上的交流電流值 3.為驅(qū)動(dòng)供電線圈的電源電流 ，其中電流值需要將供電線圈到接地端串連一個(gè)電感，量測(cè)電感兩端的電壓值來(lái)測(cè)定電流，而這三個(gè)數(shù)值的變化量都很微小，所以從供電線圈取回訊號(hào)后需要透過(guò)多重的放大電路進(jìn)行解析，這部份也造成電路成本的提高，參考圖（十）、（十一）中可以看到這兩種訊號(hào)調(diào)制的方法所造成供電線圈上所發(fā)生的訊號(hào)變化。



[page]
前段所提到的技術(shù)中，在WPC qi 規(guī)格中所定義為調(diào)制期間訊號(hào)與非調(diào)制期間訊號(hào)在供電線圈上產(chǎn)生的高低差需要大于電流差15m A、電壓差 200m V ，相較于送電期間在供電線圈上的主載波電壓約在50V~100V之間，這個(gè)電壓變化量相當(dāng)小，也就是透過(guò)放大電路將微小的變化量當(dāng)作反饋訊號(hào)處理。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，造成供電線圈上振幅與電流變化的原因不只是來(lái)自受電端的反饋訊號(hào)，另外在受電端輸出的負(fù)載上產(chǎn)生變化時(shí)也會(huì)產(chǎn)生供電線圈上的電壓與電流變化，而先前技術(shù)所運(yùn)的的是縮小反饋深度使調(diào)制訊號(hào)造成的功率損耗降低，在實(shí)際應(yīng)用上受電裝置大多不是穩(wěn)定的負(fù)載，市面的手持裝置在充電時(shí)會(huì)有快速的電流汲取變動(dòng)，而這樣的變動(dòng)下會(huì)使供電線圈上的電壓與電流產(chǎn)生跳動(dòng)，經(jīng)過(guò)電路放大訊號(hào)后會(huì)變成數(shù)據(jù)碼中的噪聲，而這樣的噪聲會(huì)使訊號(hào)傳送失效。

參考圖（十二）qi系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳送波型組圖，這是取ti供電端bq500110EVM-688 Evaluation Module與受電端bq51013EVM-725 Evaluation Module量測(cè)到的波型，而這個(gè)套件是符合qi兼容性規(guī)范的產(chǎn)品，量測(cè)電RX反饋發(fā)送為 bq51013EVM-725上訊號(hào)調(diào)制電容上的波型，當(dāng)在調(diào)制期間會(huì)將電容接地使吸收能量使訊號(hào)變小，此時(shí)產(chǎn)生了反饋到供電線圈上，使TX發(fā)射線圈產(chǎn)生高低起伏。而COMM1與COMM2分別為透過(guò)OPA放大電路所解析出的電壓與電流變化結(jié)果，轉(zhuǎn)成數(shù)字訊號(hào)交由微處理器判讀。傳送數(shù)據(jù)的方式就是周期性的連續(xù)產(chǎn)生調(diào)制反饋，組合成數(shù)據(jù)框再經(jīng)由微處理器判讀數(shù)據(jù)內(nèi)容，而傳送的過(guò)程中若有遺失部份訊號(hào)就會(huì)使整個(gè)數(shù)據(jù)框失效。由波型圖中可以看出這樣的調(diào)制訊號(hào)會(huì)依負(fù)載的狀況而變動(dòng)，且在通訊中數(shù)據(jù)框需要一段長(zhǎng)度才能送完，而在這個(gè)期間內(nèi)發(fā)生的負(fù)載變動(dòng)都會(huì)使數(shù)據(jù)傳送失敗，而在系統(tǒng)中供電端需要靠來(lái)自受電端的數(shù)據(jù)碼確認(rèn)裝置存在才會(huì)持續(xù)送電，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送機(jī)制失效時(shí)將會(huì)造成電力中斷。








前述的資料傳送方法中，電阻反饋式利用較強(qiáng)的反饋訊號(hào)可以使訊號(hào)容易被辨識(shí)但會(huì)損耗較多的功率；電容反饋式利用細(xì)微的反饋?zhàn)兓瘬p耗較少的功率卻容易受到噪聲干擾。這兩個(gè)方式在提高傳送供率的應(yīng)用有所困難，另外有廠商Fu Da Tong Technology Co., Ltd申請(qǐng)之美國(guó)專利公開號(hào)20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER （高功率感應(yīng)式電源供應(yīng)器中數(shù)據(jù)傳輸之方法），參考圖（十三），其技術(shù)主要是將調(diào)制訊號(hào)的格式設(shè)計(jì)成非對(duì)稱的數(shù)據(jù)傳送，將調(diào)制反饋也就是消耗功率的時(shí)間縮短，利用較深的反饋訊號(hào)與噪聲排除的軟件控制方法可以在高功率系統(tǒng)中穩(wěn)定的傳送數(shù)據(jù)訊號(hào)，且在供電端的訊號(hào)解析部份不需要放大電路，可以降低生產(chǎn)成本。


高效能功率傳輸

要提高電磁感應(yīng)式無(wú)線電力系統(tǒng)的電力傳送效率與功率，最簡(jiǎn)單的方式就是選用高性能的電子組件，參考圖（十四）典型的電磁感應(yīng)式無(wú)線電力系統(tǒng)架構(gòu)。在系統(tǒng)中有四個(gè)主要傳送功率的損耗點(diǎn)（從供電端直流電源輸入開始看）：1.供電端的驅(qū)動(dòng)組件，主要是電流通過(guò)MOSFET的損耗、 2.供電與受電線圈與諧振電容通過(guò)電流的損耗、3.受電端整流器交流到直流的轉(zhuǎn)換損耗、4.受電端穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換損耗。由這四個(gè)損耗點(diǎn)可以看出供電端占了兩項(xiàng)、受電端占了三項(xiàng)，過(guò)去的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在受電端的損耗是供電端的兩倍以上，因此在傳送電力過(guò)程中受電端溫度升高會(huì)比供電端明顯，這也是受電端電路設(shè)計(jì)上會(huì)比供電端來(lái)的困難的原因。剛所提及提高電力傳輸效能最容易的方法就是使用高性能的組件，但在量產(chǎn)品上是無(wú)法實(shí)行的，主要是充電器本身在市場(chǎng)的價(jià)位低所以在成本上有相當(dāng)大的限制。除了前述的方法外，有一個(gè)好的解決方試，就是供電端只發(fā)送受電端所需要的功率，在受電端上收到過(guò)大的功率會(huì)提高整流器與穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換損失，而要完成這個(gè)功能就需要先將系統(tǒng)中的諧振控制與數(shù)據(jù)傳送功能完成。


一個(gè)高效能的感應(yīng)式電力系統(tǒng)的運(yùn)作，為受電端可以透過(guò)數(shù)據(jù)傳送通知供電端目前所需要的功率，而供電端在透過(guò)諧振控制調(diào)整功率輸出發(fā)送到受電端，而這個(gè)動(dòng)作是需要快速的自動(dòng)調(diào)整，所以在數(shù)據(jù)傳送上需要非常穩(wěn)定才能實(shí)現(xiàn)。所以

感應(yīng)式電力系統(tǒng)最重要的核心技術(shù)為數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟糠?，也是目前各廠商積極研究改良的技術(shù)，這方面的技術(shù)還有很多困難點(diǎn)需要突破，筆者認(rèn)為在數(shù)年內(nèi)還會(huì)有相當(dāng)大的進(jìn)展。