2021-12-03

無線可能 – 淺談無線充電技術

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美籍科學家尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla)於西元1921年使發明特斯拉線圈 (Tesla Coil)把電磁感應實體化，不過當時的技術還不成熟，所以安全問題仍為隱憂。隨著時代的變遷、科技的進步，電磁感應技術已經常見在日常生活中。下圖一是特斯拉最著名的一張照片。

technical-images 圖一、特斯拉坐在他的線圈旁 Nikola Tesla, with his equipment

無線充電也是電磁感應的一種衍生應用，無線充電的原理是變化磁通量中的導體，產生電動勢。這個電動勢稱為感應電動勢，若將導體閉合成一封閉的迴路，該電動勢會驅使電子流動，形成感應電流。

technical-images 圖二、無線電池充電系統的主要組成部分

目前無線充電最廣泛的應用是在手機上，擺脫線材的束縛，讓消費者在使用上更加方便，自從某知名手機品牌加入無線充電之後更是帶動市場，讓更多品牌加入這項功能，現在無線充電已經成為手機上的基本功能之一。

 

目前市面上無線充電主流技術有兩種：

 

  • Mi (磁感應)：通過發射端與接收端兩個線圈之間的磁場耦合進行能量的傳輸。
  • MR (磁共振)：接收端線圈電路與發射端線圈電路達到諧振進行能量的傳輸。

全球原本有三大無線充電聯盟，WPC(Wireless Power Consortium) ，A4WP (Alliance for Wireless Power)與PMA (Power Matters Alliance)。2015年時A4WP與PMA合併成AirFuel(AirFuel Alliance)，因此變成WPC與AirFuel爭奪天下的局面。兩大無線充電聯盟技術(MI & MR)以及與待充電物距離以及效率也有不同差異，讀者能從圖三上看出WPC 與 AirFuel 之間技術上的差異。

technical-images 圖三、兩大無線充電聯盟差異表

電生磁，磁生熱

無線充電的過程中就像是一個微波爐，線圈與線圈的接觸面會產生熱，如果一不小心，將會帶來危險，輕則損毀充電的裝置，重則引發可能會引發火災。 因此在無線充電的動作時，有著一連串的控制監控流程，其目的就是減少危險產生。

WPC Wireless Power Qi control flow (Qi控制流程)

 

Power transmitter (TX)是如何偵測到Power Receiver(RX)，如何建立起協定(Contract)，進而供電(Power transfer)，在整個充電的過程中又會做什麼事呢？下圖四是TX與RX充電過程中的Qi控制流程圖：

technical-images 圖四、Qi控制流程圖

Selection Phase：

這階段TX會發送訊號偵測是否有物體放置在線圈之上。物體有兩種，一種是RX，一種是異物。TX透過Ping來偵測線圈上的物體是否為RX。

Ping Phase：

可分為以下兩種

  • Analog Ping：

TX要降低偵測物體放置時的功耗，因此TX會一段時間傳送一個耗電較小的Analog Ping來偵測線圈上的電壓或電流，判斷是否有物體放置在TX線圈上。

 

  • Digital Ping：

當偵測到物體時便會傳送Digital Ping，這是個較大的電壓振幅訊號，RX線圈在接收到訊號後，這個訊號提供足以讓RX IC啟動的電力且回覆信號強度的封包給TX，TX在接收到RX的封包後，才會繼續提供電力給RX。如果RX沒有回覆，TX就會停止提供電力，判斷此時的物體為異物。

Identification & Configuration Phase：

RX回覆信號強度給TX後，便進入Identification & Configuration，RX會再發送Identification & Configuration封包給TX，讓TX得知RX的資訊。

Identification Packet (圖五)：

封包內的訊息有RX的WPC spec版本，支援的Power level 是BPP(Baseline Power Profile，≤5W)或是EPP(Extended Power Profile，5W~15W)，製造商的WPC編號，產品製造商可以設定獨有的識別ID編號。

technical-images 圖五、Identification Packet

Configuration Packet (圖六)：

 

封包內的訊息有RX所屬的Power等級與所需要的最大電力功率，電力傳送時所監控的平均參數。

technical-images 圖六、Configuration Packet

Power transfer Phase：

TX會根據RX傳送來的Identification & Configuration來建立Power transfer contract。如果RX需要的Power小於等於5W，TX與RX就會直接進到Power transfer，TX就會開始供電給RX，而RX可以直接輸出。這個階段，RX不停地偵測目前的狀態，並回報下面這些訊息給TX，TX就可以回應。

 

  • Control Error Packet：

RX回報Control Error的數值給TX，TX就根據這個值來改變TX線圈的電流調整TX輸出的能量，直到Control Error的值為"0"。

  • Received Power Packet：

TX需要得知Power Loss，來判斷是否有異物出現。圖七是能量傳輸時的Power Loss是如何計算得來，PPT是TX的輸出功率，PPR是RX接收到功率，兩個數值相減，就是PLoss損失功率。RX要不停去回報PPR，TX才能去更新PLoss功率。如果發現PLoss超過位準，此時傳輸的電力將會中斷，判斷此時可能再線圈之間有異物導致損耗過大。圖八是5W、10W、15W判斷Power Loss的位置。

technical-images 圖七、Configuration Packet
images 圖八、 Power loss的判斷位準
  • Charge Status Packet：

RX裝置如果有搭載電池，可用這個封包來回報電池充電的狀態。如電池的充電電量狀態

  • End Power Transfer Packet：

RX發送End Power Transfer封包給TX，要求結束Power transfer。此外也可以註明RX要求結束的原因，如過電流、過溫、充電完成。

  • Renegotiate Packet：

RX發送Renegotiate封包給TX，來調整Power transfer contract。當TX同意後，就會進到Renegotiate階段

Negotiation Phase：

在Power transfer contract後，如果RX的需求是大於5W的，就需要進行Negotiation。進到Negotiation後，RX送出Request來更新Power transfer contract，如將從5W提升到10W或是15W。

Power transfer這個階段，RX也會傳送下面這些訊息，讓TX、RX可以得知彼此的資訊。

  • Specific Request Packet：

RX可以使用特定的需求封包來與TX協商對電力重送改變。如果TX對這個封包無回應，代表TX不支援這個需求

  • FOD Status Packet：

RX發送這個命令，請TX確認是否有偵測到異物。

  • WPID Packet：

RX可以發送WPID(Wireless Power Identifier)給TX，這是產品所設定獨有的辨識碼，讓TX可以分辨出這是彼此專屬對應的RX，

  • Proprietary Packet：

廠商可以自行定義，當RX得到TX的ID，並且能辨別到TX。RX就可以用這個封包來傳送特定的命令或資訊，此外TX也要建立這個封包的資訊，才能辨別這個封包。

如某知名廠牌的手機在部分的TX上可以充電到7.5W，如沒收到RX這個封包則進行5W充電

  • Calibration Phase :

Negotiation結束後，就會進入到Calibration。這階段是用來增進當超過5W時的Power Loss計算能力，讓FOD偵測更準確。每個產品的TX或RX電路機構設計都不相同，使得TX傳送能量的能力RX接收能量的能力也不同，導致Power Loss的結果也會不相同。

為了讓Power Loss的標準統一，需要去校正PPT、PPR的功率值。校正的方式是分別在輕載(Light Load)與重載(Connected Load)來得到PPT與PPR，再用線性內插法(Linear interpolation)來得到校正常數a,b。在進到Power transfer mode後，PPT、PPR的值再用a,b值來校正，再去計算PLoss。TX才能判斷是否是FO，這部分在WPC Spec內有詳細的說明與計算公式介紹

technical-images 圖九、進入EPP後的Calibration流程

如上圖九是無線充電進入EPP後的Calibration流程，隨者無線充電的產品應用普及，BPP(5W)已經開始無法滿足需求，EPP(15W)或是更大瓦數的產品會越來越多，為了降低產品和人身風險在最新發布的Qi V1.3版本開始增加身份驗證功能。

由茂綸 (Macnica Galaxy Inc.)所代理的瑞薩電子 (Renesas Electronics Corporation)提供全面完整的無線充電方案。

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由茂綸 (Macnica Galaxy Inc.)所代理的瑞薩電子 (Renesas Electronics Corporation)提供全面完整的無線充電方案。

Renesas Electronics Corporation

TX：

  • P9235A-RB：支援WPC BPP標準5W
  • P9243-GB ：支援WPC EPP標準15W，可應用在Apple, Samsung手機的快充功能
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RX

  • P9222-R：支援WPC BPP標準5W。適用於較小電池容量的裝置，如滑鼠，TWS耳機。
  • P9221-R：支援WPC EPP標準5W適用於較大電池容量的裝置，如手機，平板。
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參考文獻

  1. Nikola Tesla, with his equipment EDIT.jpg, Wiki, https://zh.wikipedia.org/wiki/File:Nikola_Tesla,_with_his_equipment_EDIT.jpg

  2. Introduction to Wireless Battery Charging, Renesas, https://www.renesas.com/tw/en/products/power-management/wireless-power/introduction-to-wireless-battery-charging

  3. Renesas, https://www.renesas.com/tw/en

  4. WIKI, 特斯拉, https://zh-yue.wikipedia.org/wiki/%E7%89%B9%E6%96%AF%E6%8B%89

  5. WPC, wireless power, https://www.wirelesspowerconsortium.com/

  6. WPC Qi Spec, wireless power, https://www.wirelesspowerconsortium.com/knowledge-base/specifications/

  7. AirFule, https://airfuel.org/