电磁感应式无线充电核心技术(一):谐振控制

　　在本文中将探讨目前在电磁感应式无线充电系统中三大核心技术：谐振控制、高效能功率传输以及数据传输，以及它们面临的难题与现有的解决方法。

　　谐振控制

　　现今量产的IC制程已经进步到纳米层级，但量产电容、电感组件的规格却很难作到误差在百分之一以下，而在电磁感应式电力系统中的系利用两个线圈感应，而线圈即为电感，在线圈上需要搭配电容作为谐振匹配，这样的构造即同LC振荡装置，较为不同的是在这系统中的目的是为了要在线圈上传输功率，为了提高效率需要在电容、电感选用低阻抗零件使质量因子Q提高，在这样的设计下其谐振曲线的斜率变的非常的大，在量产中系统设计频率与电容、电感搭配变的非常困难，因为先前提到电容、电感存在相当的误差，在量产中这样的误差若是没有在系统中加入谐振控制修正误差因素，则成品良率难以控制。在电容、电感误差下会搭配出偏移原设计谐振点组合，导致发射功率与设计预定值有所偏差。参考图(一)所示，在电磁感应电力系统中发设端的线圈上讯号振幅大小即为输出功率的大小，在这个示意图中表示一组线圈与电容组合的谐振曲线;在曲线上横轴为操作的频率，在不同的工作频率下于线圈上有不同大小的振幅输出，而最大振幅的谐振电将出现在频率F=1/(2π√(LC))之上，在设计上并不会将系统设定在最高功率输出的谐振点上，而是会工作在比谐振点高一些的频率使输出功率维持在适当值，在系统中我们通常称这个频率为中心工作频率。在感应供电过程中可能会需要加大或降低输出功率，这时只要调整工作频率就可以完成。如图(一) 所示，在需要加功率时需要降低些频率使其靠近谐振点，用以提高输出功率，反之要降低输出功率只要提高频率即可完成，在此将这个方式定义为变频式功率调整。

　　

 

　　图(一)变频式功率调整

　　另外一个改变输出功率的方式为改变发射端上的驱动电压，参考图(二)所示，在同一线圈与电容的谐振组合中，当于驱动发射线圈上的开关电压大小即直接改变的输出功率的大小，在此将这个方式定义为变压式功率调整。

　　

 

　　图(二)变压式功率调整

　　先前有提到在量产中线圈与电容存在的误差需要被修正，修正的目的在于每一组生产出来的产品需要有一致的功率输出设定。参考图(三)所示，这是典型量产中产品的谐振曲线，有谐振点偏高与偏高的产品;在变频式的系统中，为了要始输充功率都合乎预期设定，当谐振点偏高(电容或电感值偏小)的组合中即提高中心工作频率使输出功率与设计目标相同，反之谐振点偏低时就反向操作，如图(三)中所示，变频系统拥有宽裕的修正容许空间。

　　

 

　　图(三)变频式谐振偏差修正

　　另外一个修正谐振偏差的方式为变压式，参考图(四)所示利用改变驱动电压的方式进行，当谐振点偏高(电容或电感值偏小)时就降低驱动电压使功率输出降低到所设计的预定值，反之谐振点偏低时就反向操作。可以看出利用变压式的调整方式，修正容许空间相较于变频式较为狭窄，主要为改变电压的修正幅度没有改变频率方式的大，由于反应较缓所以也比较好控制调整幅度。

　　

 

　　图(四)变压式谐振偏差修正

　　在谐振系统中调整功率的方式另外还有改变线圈上的电感值或电容值的方法，但在实际量产上并不容易完成所以不被采用。在图(五)是无线充电联盟规格书中所提的两种控制发射线圈输出功率的方法，第一种是变频调整式，另一种则是变压调整式。

　　

 

　　图(五)qi规格书中供电端发射线圈驱动架构图

　　固定驱动电压改变工作频率的功率调整方式

　　

 

　　图(五)qi规格书中供电端发射线圈驱动架构图

　　表1：分析这两种方式的优缺点

　　

 

　　由上表可看出，变频式的在性能上有优势，但在设计上有难度;在主控IC上的输出频率主要是由微处理器架构的PWM输出来完成，电磁感应式的操作频率约在100K ~200K Hz之间，需要输出上下缘各50%的方波来进行驱动可以得到较好的效能，而在高Q值的谐振线圈上频率调整范围需要到1K Hz以下;简单的来说设计的输出需要在100K ~200K Hz之前以每段1K Hz以下的调整间隔进行变频，在这样的设定需求下低阶的微处理器无法完成这样的功能，另外变频控制下谐振反应敏锐，些微的频率改变会使功率大幅跳动，如何利用软件去控制此现象为谐振控制的技术核心。