电磁感应式无线充电核心技术(二):数据传输

前面我们讲解到了电磁感应式无线充电核心技术(一):谐振控制，下面我们将继续探讨电磁感应式无线充电核心技术的数据传输部分。

数据传输

在电磁感应式电力系统中最重要的技术问题就是必需要能识别放置于发射线圈上的物体，感应电力就与烹调用的电磁炉一样会发射强大的电磁波能量，若直接将此能量打在金属上则会发热造成危险;为解决此问题各厂商发展可识别目标之技术，经过几年的发展确认藉由受电端接收线圈反馈讯号由供电端发射线圈接收讯号为最好的解决方式，为完成在感应线圈上数据传输的功能为系统中最重要的核心技术。在传送电力之感应线圈上要稳定传送数据非常困难，主要载波是用在大功率的电力传输，其会受到在电源使用中的各种干扰状况，另外先前也提到这是一个变频式的控制系统，所以主载波工作频率也不会固定。因为困难所以先前厂商推出的技术有除了感应线圈供应电力外，另外在建立一个无线通信频道，例如红外线、蓝芽、RFID标签、WiFi…等，但外加这些模块已经违背的成本原则，这个产品为充电器，成本一定要控制的相当低才可被市场所接受，所以利用感应线圈本身作数据传输为业界必采用的方式。

　　利用感应电力之线圈进行数据传输会遇到两个问题，就是如何发送数据与如何接收数据，原理同RFID的数据传输方式，供电端线圈上发送主载波打到受电端线圈上，再由受电端电路上控制负载变化来进行反馈，在现行的感应电力设计中为单向传输，也就是电力能量(LC振荡主载波)由供电端发送到受电端，而受电端反馈资料码到供电端，而受电端收到供电端的能量只有强弱之分没有内含通讯成份，这个数据码传送的机制也只有受电端靠近后收到电力能量才能反馈，在供电端未提供能量的状况下并无法进行数据码传送，乍看来只是半套的通讯机制在感应电力系统中却非常实用，因为满足了系统所需要的功能：供电端辨识受电端后开启发送能量进行电力传输，受电端传回电力状况由供电端进行调整。

　　参考图(六)中qi规格书中受电端接收电力与数据反馈架构，其中可以看到有两种设计架构，分别是电阻式与电容式两种。电阻式调制反馈讯号的方式源自被动式RFID技术，利用接收线圈阻抗切换反馈讯号到发射线圈进行读取，运用在感应式电力上由美国ACCESS BUSINESS GROUP (Fulton) 所申请之美国专利公开号20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM (***公开号201018042 无线充电系统)内容中有提到系利用切换开关位于接收端整流器后方的负载电阻，即图(六)中的Rcm使线圈上的阻抗特性变化反馈到供电线圈上，经由供电线圈上的侦测电路进行解析变化，再有供电端上的处理器内软件进行译码动作。参考图(七)在专利说明书中，Fig.7中表示供电线圈上的讯号状况，当Rcm上的开关导通时，拉低受电线圈上的阻抗反馈到供电线圈上使其振幅变大，在编码的方式采用UART通讯方式中asynchronous serial format(异步串联格式)进行编码，即在固定的计时周期下该时间点是否有发生调制状态变化进行判读逻辑数据码，但这个编码方式可以发线将会有一段周期的时间持续在调制状态。参考图(八)为qi规格书中的数据传输格式，可以看到是由一个2KHz的计时频率进行数据调制与译码的数据传送频率，经由推算在一个调至状态下最长会有一个周期的时间在调制状态。UART通讯方式中调制状态的长短并没有影响到系统中的功能，但在感应式电力系统中调制状态会影响到供电的状态，原因是供电端的主载波本身是用来传送电力的，透过供电端与受电端线圈耦合的效果能传送强大的电流驱动力，而受电端的电阻负载需要承受驱动电流进行反馈，当功率加大后在Rcm上所承受的功率也会增加，且在调制期间原要通往受电端输出的电流也会被Rcm所分流，所以在调制期间受电端的输出能力会被损耗;另外调制的时间会因为传送频率提高而缩短，因为在感应式电源系统中主载波的工作频率受于组件与电磁干扰法规限制下只能在较低的频率下运作(约100~200KHz)，而数据是靠主载波上的调制状态传送，所以数据传送频率需要远低于主载波频率下才能顺利运作，在前述条件的冲突下可以发现当感应电力系统设计的功率提高后，电阻负载的数据调制方式为不可行，因为在调制电路上的电阻器会有相当长的周期在导通的状态造成功率消耗。

　　

 

　　图(六)qi规格书中受电端接收电力与数据反馈架构

　　

 

　　图(七)美国专利公开号20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM内容

　　

 

　　图(八)qi规格书中数据传送格式

　　前段所提当功率加大后因为受电端上的讯号调制用负载电阻需要吸收较大的电流会产生功率损耗问题所以较为不可行，且为了反馈讯号容易被辩识需要有较大的反馈量使线圈上有较大的调制深度，这个设计下需将使接收端上的负载电阻设定较低的阻抗用来吸收更多的能量产生反馈，在这个循环下要提升感应式电源供应器之可用功率将遇到瓶颈。所以有厂商提出另一个电容式讯号调制方法。由香港ConvenientPower HK Ltd申请之美国专利公开号20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER (用于无线电力中的数据调制与解调方法)，参考图(九)说明其内容所提的在先前设计在受电端产生调制反馈能量的负载电阻改成电容，其因为采用电容调制时会在供电端发射线圈上产生电流与电压相位差变化，所以可以利用分析此变化来进行译码;这样的设计可以不需要产生很大的调制深度即可达到反馈数据的目的，所以即使在较长的调制期间并不会消耗过多的能量。这个技术中需要在供电端上取出三个值进行分析： 1.为供电线圈上的交流电压值 2.为供电线圈上的交流电流值 3.为驱动供电线圈的电源电流 ，其中电流值需要将供电线圈到接地端串连一个电感，量测电感两端的电压值来测定电流，而这三个数值的变化量都很微小，所以从供电线圈取回讯号后需要透过多重的放大电路进行解析，这部份也造成电路成本的提高，参考图(十)、(十一)中可以看到这两种讯号调制的方法所造成供电线圈上所发生的讯号变化。

　　

 

　　图(九)美国专利公开号20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER内容

　　

 

　　图(十)ti规格书说明电组式讯号调制电路

　　

 

　　图(十一)ti规格书说明电容式讯号调制电路

　　前段所提到的技术中，在WPC qi 规格中所定义为调制期间讯号与非调制期间讯号在供电线圈上产生的高低差需要大于电流差15m A、电压差 200m V ，相较于送电期间在供电线圈上的主载波电压约在50V~100V之间，这个电压变化量相当小，也就是透过放大电路将微小的变化量当作反馈讯号处理。在实际应用时会发现，造成供电线圈上振幅与电流变化的原因不只是来自受电端的反馈讯号，另外在受电端输出的负载上产生变化时也会产生供电线圈上的电压与电流变化，而先前技术所运的的是缩小反馈深度使调制讯号造成的功率损耗降低，在实际应用上受电装置大多不是稳定的负载，市面的手持装置在充电时会有快速的电流汲取变动，而这样的变动下会使供电线圈上的电压与电流产生跳动，经过电路放大讯号后会变成数据码中的噪声，而这样的噪声会使讯号传送失效。参考图(十二)qi系统中的数据传送波型组图，这是取ti供电端bq500110EVM-688 Evaluation Module与受电端bq51013EVM-725 Evaluation Module量测到的波型，而这个套件是符合qi兼容性规范的产品，量测电RX反馈发送为 bq51013EVM-725上讯号调制电容上的波型，当在调制期间会将电容接地使吸收能量使讯号变小，此时产生了反馈到供电线圈上，使TX发射线圈产生高低起伏。而COMM1与COMM2分别为透过OPA放大电路所解析出的电压与电流变化结果，转成数字讯号交由微处理器判读。传送数据的方式就是周期性的连续产生调制反馈，组合成数据框再经由微处理器判读数据内容，而传送的过程中若有遗失部份讯号就会使整个数据框失效。由波型图中可以看出这样的调制讯号会依负载的状况而变动，且在通讯中数据框需要一段长度才能送完，而在这个期间内发生的负载变动都会使数据传送失败，而在系统中供电端需要靠来自受电端的数据码确认装置存在才会持续送电，当数据传送机制失效时将会造成电力中断。

　　

 

　　图(十二)qi系统中的数据传送波型图1

　　

 

　　图(十二)qi系统中的数据传送波型图2

　　

 

　　图(十二)qi系统中的数据传送波型图3

　　

 

　　图(十二)qi系统中的数据传送波型图4

　　

 

　　图(十二)qi系统中的数据传送波型图5

　　

 

　　图(十二)qi系统中的数据传送波型图6

　　

 

　　图(十二)qi系统中的数据传送波型图7

　　

 

　　图(十二)qi系统中的数据传送波型图8

　　前述的资料传送方法中，电阻反馈式利用较强的反馈讯号可以使讯号容易被辨识但会损耗较多的功率;电容反馈式利用细微的反馈变化损耗较少的功率却容易受到噪声干扰。这两个方式在提高传送供率的应用有所困难，另外有厂商Fu Da Tong Technology Co., Ltd申请之美国专利公开号20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER (高功率感应式电源供应器中数据传输之方法)，参考图(十三)，其技术主要是将调制讯号的格式设计成非对称的数据传送，将调制反馈也就是消耗功率的时间缩短，利用较深的反馈讯号与噪声排除的软件控制方法可以在高功率系统中稳定的传送数据讯号，且在供电端的讯号解析部份不需要放大电路，可以降低生产成本。

　　

 

　　图(十三)美国专利公开号 20110278949 HIGH-POWER INDUCTION-TYPE POWER SUPPLY SYSTEM AND ITS DATA TRANSMISSION METHOD内容1

　　

 

　　图(十三)美国专利公开号 20110278949 HIGH-POWER INDUCTION-TYPE POWER SUPPLY SYSTEM AND ITS DATA TRANSMISSION METHOD内容2