导入高效能控制演算法 MI无线充电提升传输功率

无线充电产品已在市面上流通一段时间，其大多是低于5瓦的手持产品之充电应用，而这样的产品并没有将磁感应(MI)无线充电的好处发挥到最大。无线充电的好处并非只有在手持装置充电前后省去插拔电源接头，在很多应用上电源插头(即导体接点)会有其他的问题产生，例如高湿度造成接点腐蚀、易然气体环境于接点通电火花造成危险、在振动或运动物体无法精确连接场合等，都是无线充电应用可发挥好处的应用。  
提高传送功率　无线充电市场更辽阔

目前5瓦的充电能量应用范围有限，许多应用其消耗电力较高，所以充电能量不足，会使装置无法蓄满电力，并且需要更长的充电时间。有鉴于此，提高无线充电功率是此一技术下一步发展的重要方向，且较无线充电要朝更长的传输距离来得更为实用。  

无线充电的主要特性就是没有传送电力的导体接点，透过电磁能量穿过非导体将电力传送到另一端。目前很多研究都试图透过磁共振技术将传送距离提高，并且能一对多个装置充电，但仍有技术瓶颈须克服。例如电磁能量从发射源送出后，若没有限制其在一个有限空间内，则会造成很大的电磁干扰问题。到目前为止，尚未看到有可以解决磁共振相关问题的技术公开，在业界也看到原本研究磁共振技术的厂商开始与电磁感应技术的阵营结盟，显见磁共振技术确实尚未成熟。  

毫无疑问，现阶段电磁感应还是主流技术，而在这个技术下传送距离有限的瓶颈也无法突破，但电磁感应并没有失去无线充电最初的立意，即去除掉导体接点，在实际应用中可解决各种环境下充电不便的困扰。此外，近距离的感应电力传送也带来额外的好处，就是电磁能量会被限制在很小的区间内，因此提高能量并不会有电磁干扰的问题，所以电磁感应无线充电系统提高功率使应用层面更广为其必然方向。  

左右无线充电系统效率　控制演算法角色吃重

无线充电提高传送功率的技术问题为效率与安全，解决的方法为软体演算所主导的控制方法。大多初投入无线充电的开发工程人员会一直拘泥于硬体电路探讨，硬体电路为系统的基本架构，且要提高效率也是需要高性能元件互相搭配，但真正困难的是控制整个系统运作的软体演算法。软体肩负功率输出控制优化提升效率，且也须要监控系统状态，以确保无线充电系统能安全运作。  

事实上，软体也是无线充电主控IC厂商投入最多资源的部分。首先开发人员须了解软体控制要怎么影响无线充电系统的效率；无线充电供电端本身为一个可改变输出功率大小的平台，受电装置接收能量后，可转换充电或直接供电用，由于发送器(Tx)与接收器(Rx)没有实体连接，且相对位置并无固定，所以Tx输出功率大小到Rx所接收的功率大小并无法预期，所以须要透过控制系统使Rx接收到的功率为一稳定值。  

至于实作的方式，为Rx在Tx发送的能量载波上直接透过负载调制反馈，并将Rx上的功率资讯回传至Tx，让Tx收到该资讯后，进行功率大小调整使Rx接收能量为一稳定值。由于这个方式是在Tx能量载波上进行资料传送，其无线充电系统目前实用频率约为125kHz上下，在这样的载波频率下资料传送速率难以提升，让Tx上的功率输出调整赶不上Rx上的负载变化，使Rx输出不稳定，此问题常见解法为Tx保持较高的输出功率，Rx收到能量后，由于功率偏高，其整流后的电压也就较为偏高。为了稳定输出，在Rx整流器后端都会配置降压稳压器，使最后输出电压为稳定值。  

透过上述部分，工程师就可了解在Rx上整流器后与降压器前的电压控制很重要，此点电压过高在降压器上会形成很大的压差，并造成效率差与元件发热，反之此点电压过低会在当负载加大时，电压急下降造成输出不足的状况，此部分就是控制软体影响效率重要的关键。  

简单来说，软体就是要调整设定Tx端的功率，使Rx端收到的功率为稳定值，在Rx端中降压器前端的电压可控制在效率最佳状态，此一运作非常复杂。  

首先Tx端须正确解读出来自Rx端的资料讯号，困难在无线充电系统中能量载波的电源杂讯相当大，当Rx端输出为变动负载或加大功率状况下，其杂讯也随之变大，此部分的杂讯难以用硬体电路滤除，当讯号已于杂讯混杂的状况下，就须要透过软体演算取出应有的资料讯号，这是控制的第一步，也是许多无线充电系统要发展提高功率的难题。要从5瓦提升到10瓦经过数年都没有进展，主要就是无法解决加大功率后的资料传输问题。  

此外，Tx收到资料后要如何调整功率大小则是下一个问题，无线充电供电端输出功率控制大小有非常复杂变动因子；其中，输出功率变化是建立在Tx线圈与电容谐振上，变动因素有驱动电压、Rx端靠近后其受电线圈上的磁性材料会影响到Tx线圈电感量，造成谐振曲线偏移、Tx与Rx相对位置会影响功率调整后的变化量等多个变动因子，在上述状况下，Tx却只能靠来自Rx低速率资料进行调整，在最重要的判别来源资料更新速度有限的状况下，Tx上的软体就须要对线圈输出特性具有学习分析功能的演算法，收到Rx资料后，可在最少的调整次数下达到稳定目标值，复杂点在于影响Tx控制功率的因子较多，要设计出反馈回路与调整演算法须投入较多资源开发。  




金属异物侦测建功　无线充电应用安全无虞
无线充电系统除效率外，另一个重要的设计考量就是安全。以产品来看，安全应为最优先的考量，而安全问题须用控制效率的技术解决，所以在文中先讨论透过资料Rx到Tx资料传送的方法进行安全控制。无线充电最大的安全问题就是金属异物；由于Tx端本身就是一个电磁能量发射装置，在电磁感应或磁共振式都是如此，电磁能量最大的问题在于投射在金属物体上会对其加热，加热的效率非常好，只需要10瓦的能量即可将硬币在一分钟内加热到沸点上。  

无线充电系统设计基础就是目标识别，待机Tx端是不输出能量的关闭状态，对应的Rx感应并提出电源需求后，Tx才会开始传送电力直到Rx离开或提出中止充电需求即关闭。在此将金属异物分成三类形式来讨论；第一类为在Tx端待机的状况下，在其供电部放金属物，此状况因为金属物并不会反馈资料码到Tx启动电力，以目前的技术可轻易完成此一功能；第二类为Rx的感应线圈周围有金属物，或是先放金属物在Tx上后再将Rx压上进行感应，此状况的实际可能为Rx外壳含有金属物质，Tx运行的状况为有收到资料码可以启动电力，但会有能量被金属吸收加热；第三类为在Tx与Rx感应建立连结后，在其之间插入金属异物，且在不破坏Tx与Rx间通讯下吸收电磁能量产生发热，此为非正常使用状况。  

不论是有意或无意的在无线充电感应部放置金属物体，系统都应有安全机制对应，防护方式大致分成两个方向；一个在感应电力启动前，主动安全机制侦测有金属存在就不启动电力输出，这个方式可以保护前述第一与第二类的状况；另一个被动安全机制是在启动电力后，侦测Tx到Rx功耗状况与温度进行保护，被动方式在启动电力后，已经对可能存在的金属加热一段时间，并有安全疑虑，但这也是在前述第三类金属异物能做的最后防线，被动安全机制较为复杂，原因为干扰判别因数很多，无线充电系统搭配效率不良或线圈对应偏离都容易误判为有金属异物之状况，因此目前还没有很可靠的方式完成此功能。  

强化充电效率　感应线圈技术仍待精进

无线充电要提高效率除控制方法之外，硬体电路也相当重要。目前市售电源元件像金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)等性能已相当优异，现今功率加大的瓶颈落在线圈与其搭配的防磁片。所谓无线充电Tx就像一个驱动电磁能量到Rx端，再经整流滤波稳压到后端输出，从电源输入端看电流路径，第一个碰到的阻碍是MOSFET元件，刚提到目前先进的元件其阻抗都可以做到低于10毫欧姆(mΩ)以下，电流经过谐振电容到线圈后完成驱动端的电流循环，其中电容只要选对材质，其在交流下阻抗会极低，且几乎看不到损耗。  

不过，线圈的问题较为麻烦，现在无线充电线圈上除了本身有阻抗之外，还有交流电流在导线上形成涡电流与防磁片交互作用，其等效阻抗远大于其他元件，所以用热分析仪去观察就会看到线圈导线是整个系统温度最高的部分(图1)，因此效率若要再提高，需要在线圈技术方面进一步精进，这方面产业界正持续努力。  


图1    从无线电力系统运作期间的热影像，可看线圈的温度最高，Rx端整流与稳压元件也会发热，Tx电路则几乎没有发热。
综上所述，目前电磁感应式无线电力系统在有安全控制机制下，已经有晶片商可在Tx与Rx实作100瓦的接收端输出功率(图2)，而且效率可达85%以上，藉此可知的是系统电路技术已相当成熟。100瓦可应用的层面已相当广泛，所以后续功率应该没有再往上发展的急迫性。另一个应用是载具无线充电，例如电动汽车等其功率需求数千瓦与数十公分的感应距离也不是本文中系统可以触及的范围，以实用性来说，目前有很多产品可以用电磁感应式充电来解决一些充电困扰，未来无线充电系统发展的方向，应该是朝向更好的效率表现与安全机制并行发展。  


图2    电磁感应式无线电力系统实作已可达100瓦，可满足大部分应用市场。
(本文作者为富达通无线充电事业部经理)