導(dǎo)入高效能控制演算法　MI無線充電提升傳輸功率

　　無線充電電源傳輸功率正逐漸提升。隨著晶片控制演算法逐漸成熟，無線充電技術(shù)正大步邁向中功率應(yīng)用，未來支援中功率無線充電技術(shù)的終端產(chǎn)品充電速率可望快速攀升，且使用者的操作環(huán)境也將更為便利。

　　無線充電產(chǎn)品已在市面上流通一段時間，其大多是低于5瓦的手持產(chǎn)品之充電應(yīng)用，而這樣的產(chǎn)品并沒有將磁感應(yīng)（MI）無線充電的好處發(fā)揮到最大。無線充電的好處并非只有在手持裝置充電前后省去插拔電源接頭，在很多應(yīng)用上電源插頭（即導(dǎo)體接點）會有其他的問題產(chǎn)生，例如高濕度造成接點腐蝕、易然氣體環(huán)境于接點通電火花造成危險、在振動或運動物體無法精確連接場合等，都是無線充電應(yīng)用可發(fā)揮好處的應(yīng)用。

　　提高傳送功率　無線充電市場更遼闊

　　目前5瓦的充電能量應(yīng)用范圍有限，許多應(yīng)用其消耗電力較高，所以充電能量不足，會使裝置無法蓄滿電力，并且需要更長的充電時間。有鑒于此，提高無線充電功率是此一技術(shù)下一步發(fā)展的重要方向，且較無線充電要朝更長的傳輸距離來得更為實用。

　　無線充電的主要特性就是沒有傳送電力的導(dǎo)體接點，透過電磁能量穿過非導(dǎo)體將電力傳送到另一端。目前很多研究都試圖透過磁共振技術(shù)將傳送距離提高，并且能一對多個裝置充電，但仍有技術(shù)瓶頸須克服。例如電磁能量從發(fā)射源送出后，若沒有限制其在一個有限空間內(nèi)，則會造成很大的電磁干擾問題。到目前為止，尚未看到有可以解決磁共振相關(guān)問題的技術(shù)公開，在業(yè)界也看到原本研究磁共振技術(shù)的廠商開始與電磁感應(yīng)技術(shù)的陣營結(jié)盟，顯見磁共振技術(shù)確實尚未成熟。

　　毫無疑問，現(xiàn)階段電磁感應(yīng)還是主流技術(shù)，而在這個技術(shù)下傳送距離有限的瓶頸也無法突破，但電磁感應(yīng)并沒有失去無線充電最初的立意，即去除掉導(dǎo)體接點，在實際應(yīng)用中可解決各種環(huán)境下充電不便的困擾。此外，近距離的感應(yīng)電力傳送也帶來額外的好處，就是電磁能量會被限制在很小的區(qū)間內(nèi)，因此提高能量并不會有電磁干擾的問題，所以電磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)提高功率使應(yīng)用層面更廣為其必然方向。

　　左右無線充電系統(tǒng)效率　控制演算法角色吃重

　　無線充電提高傳送功率的技術(shù)問題為效率與安全，解決的方法為軟體演算所主導(dǎo)的控制方法。大多初投入無線充電的開發(fā)工程人員會一直拘泥于硬體電路探討，硬體電路為系統(tǒng)的基本架構(gòu)，且要提高效率也是需要高性能元件互相搭配，但真正困難的是控制整個系統(tǒng)運作的軟體演算法。軟體肩負功率輸出控制優(yōu)化提升效率，且也須要監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，以確保無線充電系統(tǒng)能安全運作。

　　事實上，軟體也是無線充電主控IC廠商投入最多資源的部分。首先開發(fā)人員須了解軟體控制要怎么影響無線充電系統(tǒng)的效率；無線充電供電端本身為一個可改變輸出功率大小的平臺，受電裝置接收能量后，可轉(zhuǎn)換充電或直接供電用，由于發(fā)送器（Tx）與接收器（Rx）沒有實體連接，且相對位置并無固定，所以Tx輸出功率大小到Rx所接收的功率大小并無法預(yù)期，所以須要透過控制系統(tǒng)使Rx接收到的功率為一穩(wěn)定值。

　　至于實作的方式，為Rx在Tx發(fā)送的能量載波上直接透過負載調(diào)制反饋，并將Rx上的功率資訊回傳至Tx，讓Tx收到該資訊后，進行功率大小調(diào)整使Rx接收能量為一穩(wěn)定值。由于這個方式是在Tx能量載波上進行資料傳送，其無線充電系統(tǒng)目前實用頻率約為125kHz上下，在這樣的載波頻率下資料傳送速率難以提升，讓Tx上的功率輸出調(diào)整趕不上Rx上的負載變化，使Rx輸出不穩(wěn)定，此問題常見解法為Tx保持較高的輸出功率，Rx收到能量后，由于功率偏高，其整流后的電壓也就較為偏高。為了穩(wěn)定輸出，在Rx整流器后端都會配置降壓穩(wěn)壓器，使最后輸出電壓為穩(wěn)定值。

　　透過上述部分，工程師就可了解在Rx上整流器后與降壓器前的電壓控制很重要，此點電壓過高在降壓器上會形成很大的壓差，并造成效率差與元件發(fā)熱，反之此點電壓過低會在當(dāng)負載加大時，電壓急下降造成輸出不足的狀況，此部分就是控制軟體影響效率重要的關(guān)鍵。

　　簡單來說，軟體就是要調(diào)整設(shè)定Tx端的功率，使Rx端收到的功率為穩(wěn)定值，在Rx端中降壓器前端的電壓可控制在效率最佳狀態(tài)，此一運作非常復(fù)雜。

　　首先Tx端須正確解讀出來自Rx端的資料訊號，困難在無線充電系統(tǒng)中能量載波的電源雜訊相當(dāng)大，當(dāng)Rx端輸出為變動負載或加大功率狀況下，其雜訊也隨之變大，此部分的雜訊難以用硬體電路濾除，當(dāng)訊號已于雜訊混雜的狀況下，就須要透過軟體演算取出應(yīng)有的資料訊號，這是控制的第一步，也是許多無線充電系統(tǒng)要發(fā)展提高功率的難題。要從5瓦提升到10瓦經(jīng)過數(shù)年都沒有進展，主要就是無法解決加大功率后的資料傳輸問題。

　　此外，Tx收到資料后要如何調(diào)整功率大小則是下一個問題，無線充電供電端輸出功率控制大小有非常復(fù)雜變動因子；其中，輸出功率變化是建立在Tx線圈與電容諧振上，變動因素有驅(qū)動電壓、Rx端靠近后其受電線圈上的磁性材料會影響到Tx線圈電感量，造成諧振曲線偏移、Tx與Rx相對位置會影響功率調(diào)整后的變化量等多個變動因子，在上述狀況下，Tx卻只能靠來自Rx低速率資料進行調(diào)整，在最重要的判別來源資料更新速度有限的狀況下，Tx上的軟體就須要對線圈輸出特性具有學(xué)習(xí)分析功能的演算法，收到Rx資料后，可在最少的調(diào)整次數(shù)下達到穩(wěn)定目標(biāo)值，復(fù)雜點在于影響Tx控制功率的因子較多，要設(shè)計出反饋回路與調(diào)整演算法須投入較多資源開發(fā)。

　　金屬異物偵測建功　無線充電應(yīng)用安全無虞

　　無線充電系統(tǒng)除效率外，另一個重要的設(shè)計考量就是安全。以產(chǎn)品來看，安全應(yīng)為最優(yōu)先的考量，而安全問題須用控制效率的技術(shù)解決，所以在文中先討論透過資料Rx到Tx資料傳送的方法進行安全控制。無線充電最大的安全問題就是金屬異物；由于Tx端本身就是一個電磁能量發(fā)射裝置，在電磁感應(yīng)或磁共振式都是如此，電磁能量最大的問題在于投射在金屬物體上會對其加熱，加熱的效率非常好，只需要10瓦的能量即可將硬幣在一分鐘內(nèi)加熱到沸點上。

　　無線充電系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)就是目標(biāo)識別，待機Tx端是不輸出能量的關(guān)閉狀態(tài)，對應(yīng)的Rx感應(yīng)并提出電源需求后，Tx才會開始傳送電力直到Rx離開或提出中止充電需求即關(guān)閉。在此將金屬異物分成三類形式來討論；第一類為在Tx端待機的狀況下，在其供電部放金屬物，此狀況因為金屬物并不會反饋資料碼到Tx啟動電力，以目前的技術(shù)可輕易完成此一功能；第二類為Rx的感應(yīng)線圈周圍有金屬物，或是先放金屬物在Tx上后再將Rx壓上進行感應(yīng)，此狀況的實際可能為Rx外殼含有金屬物質(zhì)，Tx運行的狀況為有收到資料碼可以啟動電力，但會有能量被金屬吸收加熱；第三類為在Tx與Rx感應(yīng)建立連結(jié)后，在其之間插入金屬異物，且在不破壞Tx與Rx間通訊下吸收電磁能量產(chǎn)生發(fā)熱，此為非正常使用狀況。

　　不論是有意或無意的在無線充電感應(yīng)部放置金屬物體，系統(tǒng)都應(yīng)有安全機制對應(yīng)，防護方式大致分成兩個方向；一個在感應(yīng)電力啟動前，主動安全機制偵測有金屬存在就不啟動電力輸出，這個方式可以保護前述第一與第二類的狀況；另一個被動安全機制是在啟動電力后，偵測Tx到Rx功耗狀況與溫度進行保護，被動方式在啟動電力后，已經(jīng)對可能存在的金屬加熱一段時間，并有安全疑慮，但這也是在前述第三類金屬異物能做的最后防線，被動安全機制較為復(fù)雜，原因為干擾判別因數(shù)很多，無線充電系統(tǒng)搭配效率不良或線圈對應(yīng)偏離都容易誤判為有金屬異物之狀況，因此目前還沒有很可靠的方式完成此功能。

　　強化充電效率　感應(yīng)線圈技術(shù)仍待精進

　　無線充電要提高效率除控制方法之外，硬體電路也相當(dāng)重要。目前市售電源元件像金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（MOSFET）等性能已相當(dāng)優(yōu)異，現(xiàn)今功率加大的瓶頸落在線圈與其搭配的防磁片。所謂無線充電Tx就像一個驅(qū)動電磁能量到Rx端，再經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓到后端輸出，從電源輸入端看電流路徑，第一個碰到的阻礙是MOSFET元件，剛提到目前先進的元件其阻抗都可以做到低于10毫歐姆（mΩ）以下，電流經(jīng)過諧振電容到線圈后完成驅(qū)動端的電流循環(huán)，其中電容只要選對材質(zhì)，其在交流下阻抗會極低，且?guī)缀蹩床坏綋p耗。

　　不過，線圈的問題較為麻煩，現(xiàn)在無線充電線圈上除了本身有阻抗之外，還有交流電流在導(dǎo)線上形成渦電流與防磁片交互作用，其等效阻抗遠大于其他元件，所以用熱分析儀去觀察就會看到線圈導(dǎo)線是整個系統(tǒng)溫度最高的部分（圖1），因此效率若要再提高，需要在線圈技術(shù)方面進一步精進，這方面產(chǎn)業(yè)界正持續(xù)努力。

　　圖1 從無線電力系統(tǒng)運作期間的熱影像，可看線圈的溫度最高，Rx端整流與穩(wěn)壓元件也會發(fā)熱，Tx電路則幾乎沒有發(fā)熱。

　　綜上所述，目前電磁感應(yīng)式無線電力系統(tǒng)在有安全控制機制下，已經(jīng)有晶片商可在Tx與Rx實作100瓦的接收端輸出功率（圖2），而且效率可達85%以上，藉此可知的是系統(tǒng)電路技術(shù)已相當(dāng)成熟。100瓦可應(yīng)用的層面已相當(dāng)廣泛，所以后續(xù)功率應(yīng)該沒有再往上發(fā)展的急迫性。另一個應(yīng)用是載具無線充電，例如電動汽車等其功率需求數(shù)千瓦與數(shù)十公分的感應(yīng)距離也不是本文中系統(tǒng)可以觸及的范圍，以實用性來說，目前有很多產(chǎn)品可以用電磁感應(yīng)式充電來解決一些充電困擾，未來無線充電系統(tǒng)發(fā)展的方向，應(yīng)該是朝向更好的效率表現(xiàn)與安全機制并行發(fā)展。

　　圖2 電磁感應(yīng)式無線電力系統(tǒng)實作已可達100瓦，可滿足大部分應(yīng)用市場。