突破中功率供电设计挑战　无线充电系统通讯机制成关键

无线充电系统朝中大功率发展已是业界共同目标，而其设计关键在于供电端与受电端间的通讯机制是否完善，亦即供电端主控晶片要能对每一个从受电端反射回的讯号进行记录分析，同时藉由软体演算法过滤杂讯脉冲并正确解码，方能实现。

无线充电是近年来热门的发展技术，虽其市场成长没有预期快速，但前景依然看好。纵观目前市场上的无线充电发展，几乎围绕在智慧型手持装置上，这类应用的电池与充电回路设计基于安全考量，并不会使用较大的电流充电，而采用固定电压5伏特（V）、最大电流1安培（A）输入的充电方式，供电功率为5瓦（W），此即标准通用序列汇流排（USB）连接器之供电规格。

无线充电领域，在低功率的部分，三大无线充电标准阵营将5瓦归类为低功率系统，至于中、高功率就没有明确的定义，可以确定的是只要高于5瓦都可以称为中、高功率无线充电系统。目前发展无线充电系统除了电子产品外，还有大型电动车等领域，若以5瓦为低功率而10瓦就称为高功率的话，那充电功率动辄数千瓦的能量就难以定义了，因此本文将5瓦到百瓦间的等级暂称为中功率，而数千瓦的应用暂称为高功率。

过去几年来无线充电的市售产品多集中在5瓦以下之设计，其背后的主因有几个，其一为目标装置原始设计充电回路为最高5瓦的设计，自然在设计转换成无线充电过程中也不会采用超过5瓦的设计；其二为目前无线充电主流制定标准之规范最高只有5瓦系统，其对应之零组件都为最高5瓦所设计。由于前述两个原因导致无线充电的应用局限在单一产品类别，而要让中功率的无线充电系统商用化，需先有可生产商用的技术后，再透过创意应用在现有产品中。

生活中的电子产品，只要是须要进行连接充电的，都有机会导入无线充电使其更便利。不过，许多产品原始设计可能就用高于5瓦的充电功率进行充电，若是用低功率的无线充电技术直接套用在该产品中，会使所需充电时间变长，反而徒增不便，所以中功率之无线充电系统有其市场需求。在技术层面上，无线充电功率提高衍生的问题相当复杂，并非将现有常见的5瓦系统直接加大电路规格就可达到应有功能。

通讯机制决定无线充电系统安全/转换性能

无线充电系统从表面上看为两个感应线圈，一个当发射能量的供电端（Tx）、另一做为接收能量的受电端（Rx）。这个系统有两大机制须要协调控制才能稳定运作，分别为通讯识别与功率调节，本文将探讨通讯识别技术。

在电源系统中基本架构为输入电源、处理、转换、输出电源四个部分，其中处理主要是对于输出电性变化进行运算后，透过转换电路进行调节，完成整个电源电路功能。由这样的闭回路架构可以看出输入转换调节与输出的电性有密切关联，传统电源系统在实体上为单一或有实体电路连接之装置，整个系统可以透过电路连接传递反馈讯号进行运作；而无线电力系统在实体上为两个独立的装置，其供电端与受电端没有实体电路连接，跟过去电源系统有相当大的差异（图1）。

图1 电源系统到无线电源系统功能方块配置

为了完成电源系统之功能，无线电力系统两端装置必须要能传递用以控制的反馈讯号，而这个机制须透过无线通讯方式进行，因此要在供电端与受电端个别加入通讯机制。前述在电源系统中控制主要对输出端电性进行侦测分析，所以反馈讯号是来自输出端，在无线电源系统中将功能方块拆开成供电与受电两端，其中受电端增加的功能方块为将反馈讯号编码透过无线通讯传送到供电端，供电端则多了通讯接收解码功能，将反馈讯号进行处理。

到这边可以得到一个观念，无线电力系统要能安全实现电力传送功能，一定得藉由通讯机制来完成，没有通讯就无法依输出的供电状况进行调节；另外无线充电系统的供电端与受电端并非固定连接，受电端会离开供电端独立使用，在功能上当供电端在受电端离开就应该要停止输出能量，若没有通讯机制则供电端会无法确认是否要持续输出能量。

无线充电通讯识别技术备受考验

在目前电子电路中，无线通讯是发展相当成熟的技术，要完成两端间的无线通讯，有非常多现成的方案可以使用，但在无线充电系统中却无法使用这些现有的无线通讯方案。

为何无线充电系统不能使用现有无线区域网路（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）等无线通讯方案呢？除了成本考量外，主要的原因为无线充电是供电端与受电端的感应线圈，是在极近的距离下传送能量，供电端与受电端进行反馈调节时会进行相当密实的能量互动（图2），而现有的无线通讯方案却允许系统在很长的距离下传送资料，这反而会造成系统问题。

图2 无线电源系统能量发送与通讯控制为紧密的互动

举例说明，若采用长距离通讯机制，当数个无线充电器身处同个场域，供电端可以接收到邻近所有受电端的资料，会让供电端无法识别所对应的受电端进而调节能量输出，所以无线充电须要特别开发近距离通讯方式。

在现有低功率5瓦系统中，无线电力通讯方法，主要是透过供电端驱动线圈，发射能量载波到受电端进行能量传送，受电端透过调制电路改变受电线圈上的阻抗，以用来反射到供电端线圈，供电端再取回线圈上的讯号进行解调讯号分析。这个方式原理简单，只透过同一组线圈进行能量传送与通讯，这简单的方法也是造成通讯实作技术困难的原因；无线充电中感应线圈上存在的讯号相当复杂，线圈本身呈现电感性搭配一个电容组成谐振电路，讯号的动力源来自在供电端的驱动元件切换电力开关进行驱动，驱动后线圈与电容开始谐振，此时线圈上的讯号类弦波讯号产生，此弦波讯号受到外部所影响，会改变其讯号特性；如感应到接收线圈的谐振回圈、受电端讯号调制电路改变阻抗、输出电力负载端的变化。

另外线圈是要传送电力推动负载，所以除了感应到电压讯号表面之下，内含之电流驱动力远大于一般的通讯系统，且用来传送讯号的主载波是利用在线圈上振荡的类弦波来实现也有不稳定的因素，在通讯中主载波的大小与频率都不固定，且频率又低的状况下，要在线圈上完成通讯系统非常困难，而且这个难度会随着线圈上传送的功率增加而变得更困难。

调制讯号微乎其微 中功率通讯系统设计不易

现有市面上无线充电产品大多遵循Qi标准进行设计，其通讯方式在无线充电联盟（WPC）网站上有详细的规格可以了解。该方法为在受电端上透过调制电路连接电阻或电容到受电线圈上进行阻抗调整，将讯号反射到发射线圈产生振幅高低差，此振幅高低差内容包含电压与电流的变化，再透过低通滤波器将此变化取出，传送到供电端主控制器内的软体进行解读。

此技术存在一些问题，尤其是当传送功率提高后，从受电端反射到供电端线圈上的讯号高低差会变小，当输出功率与负载组合提高到某个状况，其传送的调制讯号会变弱到几乎无法从线圈上取出，这也是在低功率系统设计中要加大功率遇到的最大瓶颈。

过去几年来WPC一直号称要推出大于5瓦功率的系统规格却没有下文，其中关键就在于怎么改善提高功率后的通讯连接问题，要解决后才有办法完成相关规格制定，制定完规格后还需要大量的实作验证，且还有与旧系统的相容问题，所以看来在原有Qi标准下要提高功率是相当困难的。市面上有一些基于Qi架构而可以扩充功率到7.5瓦的产品，其技术方式为在原有的Qi通讯方式之外，另外建构一个高频的无线通讯进行连结，此为另一种解决受限于5瓦的通讯机制，不过看来此方法只能小幅度提高功率并没有彻底解决问题。

突破中功率系统设计关卡 软体技术成关键

当无线电力系统传送的功率提高之后，要透过受电端反射讯号到供电线圈上，并使其主载波有高低变化量将变得困难，所以在设计上需要新的判读方式。以下说明在中功率无线电力系统中的通讯方法，图3为供电端方块，代号17与171为发生振荡讯号的电容与线圈，将其讯号连接到13为一个低通滤波电路。

图3 用于中功率系统的供电端方块

17与171间的振荡讯号参考图4的W83,通过131的箝位电路后变成W82的讯号，再通过后端滤波电路最后取出W81是低频波型。而这边在主载波上变化是来自受电端的反射所造成，图5中23区块为一半桥同步整流器的架构，其下端整流金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）开关代号A2、B3会被代号B5、B6所控制，而产生无法整流的调制讯号期间，这段调制期间会反射到供电端线圈使其发生变化，此设计可以确保从受电端输出空载到中功率操作区，都有能力将脉冲讯号反射回供电线圈。参考图6、图7将脉冲讯号收集成串，在传送到供电端中主控制器内的软体进行解码之动作。此技术最困难的部分在于软体，在实作上线圈讯号存在很多杂讯脉冲，要如何正确解读出资料码是靠软体内的技术来完成。

图4 从供电端线圈上载波变化取出脉冲讯号

图5 用于中功率系统的受电端方块

图6 取出脉冲讯号形成资料串进行解码

　　图7 利用触发间距量测的解码方法

前两段中说明要从供电端线圈上取出较高频率的谐振讯号后透过低通滤波器；取出较低频率的变化量讯号后进行解读。在这样的设计架构下，低通滤波器的设计非常重要，通讯讯号的取出性能取决于滤波器之设计；另一个说法，这样的设计下滤波器变成系统的弱点，滤波器的设定过度迟钝会造成小讯号遗失，而设定过度锐利则会取到过多的杂讯。

所以新一代的设计，将拿掉滤波器，直接抽线圈中的交流讯号进行分析，而且只有取出通过谐振电容与线圈间的电流讯号，此段电流讯号有线圈上感应来自受电端调制反射直接反应。拿掉滤波器后系统相容性完全靠软体解决，过去不同的规格代表受电端调制反射可能为不同频率的资料讯号，而滤波器须要配合该资料讯号之频率进行设计而没有弹性，也就是说要完成一个供电端可以相容不同通讯格式功能之设计，将会卡在滤波器这关。拿掉滤波器后，供电端主控IC须要处理每一个谐振弦波进行记录分析，若主载波的频率是100kHz,就代表IC每一秒钟要处理10万次弦波讯号分析，在目前微处理器（MPU）技术先进下，要达到这个处理速度并不困难，主要还是软体的配合，须要有效率的进行讯号分析与解码（图8）。

图8 从谐振线圈与电容之间截取出电流讯号进行解码

在没有控制的状况下，要加大无线充电功率并不困难，但没有控制系统的实验品是无法销售的。数年前在展览上就已看到可以隔一段距离传送能量点灯泡的样品，但过了几年后还是没有商品化，而背后最大的问题就在于控制系统。在无线充电中，控制系统须要建立在供电与受电两端的通讯上才能运行，所以中功率无线充电的设计开发，必须在通讯机制上下功夫方能达成。

（本文作者为富达通无线充电事业部经理）