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电磁感应式无线充电系统三年夜焦点手艺

宣布时间:2012年06月05日 16:06    宣布者:wp1981
要害词: 无线充电
作者: Art Chan

相较于其它电子科技生长,感应式充电的手艺生长显的迟缓,几个要害手艺效果直到近年才有处置赏罚赏罚妄图,且处置赏罚赏罚妄图还在赓续的演进中。无线充电可经由历程许多要领去完成,以现在的手艺中“电磁感应式”为曾经量产且经由安然与市场验证的产物,在临盆资源上电磁感应式手艺的产物低于其它手艺,有市场意料在接上去数年内,在破费类电子产物领域中该类产物将呈倍数生长。在本文中将探讨现在在电磁感应式无线充电系统中三年夜焦点手艺:谐振控制、高效能功率传输和数据传输,和它们面临的难题与现有的处置赏罚赏罚措施。

谐振控制

当今量产的IC制程曾经前进到纳米层级,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应用两个线圈感应,而线圈即为电感,在线圈上须要搭配电容作为谐振婚配,这样的结构即同LC振荡装配,较为不合的是在这系统中的目的是为了要在线圈上传输功率,为了前进效力须要在电容、电感选用低阻抗零件使质量因子Q前进,在这样的设计下其谐振曲线的斜率变的异常的年夜,在量产中系统设计频率与电容、电感搭配变的异常艰辛,由于先条件到电容、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改误差因素,则制品良率难以控制。在电容、电感误差下会搭配出偏移原设计谐振点组合,招致发射功率与设计预定值有所误差。参考图(一)所示,在电磁感应电力系统中发设真个线圈上讯号振幅年夜小即为输入功率的年夜小,在这个体现图中体现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,在不合的使命频率下于线圈上有不合年夜小的振幅输入,而最年夜振幅的谐振电将涌现在频率F=1/(2π√(LC))之上,在设计上着实不会将系统设定在最高功率输入的谐振点上,而是会使命在比谐振点高一些的频率使输入功率保持在适当值,在系统中我们通常称这个频率为中央使命频率。在感应供电历程当中能够会须要加年夜或降低输入功率,这时间间只需调剂使命频率便可以完成。如图(一) 所示,在须要加功率时须要降低些频率使其靠近谐振点,用以前进输入功率,反之要降低输入功率只需前进频率便可完成,在此将这个要领界说为变频式功率调剂。

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图(一)变频式功率调剂

另外一个改变输入功率的要领为改变发射端上的驱动电压,参考图(二)所示,在统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年夜小即直接改变的输入功率的年夜小,在此将这个要领界说为变压式功率调剂。

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图(二)变压式功率调剂

先前有提到在量产中线圈与电容存在的误差须要被修改,修改的目的在于每组临盆出来的产物须要有不合的功率输入设定。参考图(三)所示,这是尺怀抱产中产物的谐振曲线,有谐振点偏高与偏高的产物;在变频式的系统中,为了要始输充功率都切合预期设定,当谐振点偏高(电容或电感值偏小)的组合中即前进中央使命频率使输入功率与设计目的类似,反之谐振点偏低时就反向操作,如图(三)中所示,变频系统具有裕如的修改允许空间。

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图(三)变频式谐振误差修改

另外一个修改谐振误差的要领为变压式,参考图(四)所示应用改变驱动电压的要领阻拦,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入降低到所设计的预定值,反之谐振点偏低时就反向操作。可以看出应用变压式的调剂要领,修改允许空间相较于变频式较为狭窄,主要为改变电压的修改幅度没有改变频率要领的年夜,由于回声较缓以是也较量好控制调剂幅度。

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图(四)变压式谐振误差修改

在谐振系统中调剂功率的要领另外尚有改变线圈上的电感值或电容值的措施,但在现实量产上着实不容易完成以是不被接纳。在图(五)是无线充电同盟规格书中所提的两种控制发射线圈输入功率的措施,第一种是变频调剂式,此外一种则是变压调剂式。

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图(五)qi规格书中供电端发射线圈驱动架构图

*图片泉源wpc网站 WirelessPowerSpecificationPart1.pdf*结实驱动电压改变使命频率的功率调剂要领

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图(五)qi规格书中供电端发射线圈驱动架构图

*图片泉源wpc网站 WirelessPowerSpecificationPart1.pdf*改变驱动电压结实使命频率的功率调剂要领

表1:剖析这两种要领的优弱点
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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上的输入频率主若是由微处置赏罚赏罚器架构的PWM输入来完成,电磁感应式的操作频率约在100K ~200K Hz之间,须要输入曲折缘各50%的方波来阻拦驱动可以取得较好的效能,而在高Q值的谐振线圈上频率调剂规模须要到1K Hz以下;质朴的来讲设计的输入须要在100K ~200K Hz之前以每段1K Hz以下的调剂距离阻拦变频,在这样的设定需求下低阶的微处置赏罚赏罚器没法完成这样的功效,另外变频控制下谐振回声迅速,些微的频率改变会使功率年夜幅跳动,若何应用软件去控制此情形为谐振控制的手艺焦点。

数据传输

在电磁感应式电力系统中最主要的手艺效果就是必须要能识别放置于发射线圈上的物体,感应电力就与烹挪用的电磁炉一样会发射强年夜的电磁波能量,若直接将此能量打在金属上则会发烧组成风险;为处置赏罚赏罚尔效果各厂商生长可识别目的之手艺,经由几年的生长确认藉由受电端吸收线圈反映讯号由供电端发射线圈吸收讯号为最好的处置赏罚赏罚要领,为完成在感应线圈上数据传输的功效为系统中最主要的焦点手艺。在传送电力之感应线圈上要稳固传送数据异常艰辛,主要载波是用在年夜功率的电力传输,其会遭到在电源应用中的种种滋扰状态,另外先前也提到这是一个变频式的控制系统,以是主载波使命频率也不会结实。由于艰辛以是先前厂商推出的手艺有除感应线圈供应电力外,此内在培植一个无线通讯频道,例如红外线、蓝芽、RFID标签、WiFi…等,但外加这些模块曾经背背的成泉源基础则,这个产物为充电器,资源一定要控制的相当低才可被市场所吸收,以是应用感应线圈自己作数据传输为业界必接纳的要领。

应用感应电力之线圈阻拦数据传输会遇到两个效果,就是若何发送数据与若何吸收数据,原理同RFID的数据传输要领,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换来阻拦反映,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,而受电端反映质料码到供电端,而受电端收到供电真个能量只需强弱之分没有内含通讯因素,这个数据码传送的机制也只需受电端靠近后收到电力能量才干反映,在供电端未供应能量的状态下并没有法阻拦数据码传送,乍看来只是半套的通讯机制在感应电力系统中却异常适用,由于知足了系统所须要的功效:供电端辨识受电端后开启发送能量阻拦电力传输,受电端传回电力状态由供电端阻拦调剂。

参考图(六)中qi规格书中受电端吸收电力与数据反映架构,其中可以看到有两种设计架构,划分是电阻式与电容式两种。电阻式调制反映讯号的要领源自主动式RFID手艺,应用吸收线圈阻抗切换反映讯号到发射线圈阻拦读取,应用在感应式电力上由美国ACCESS BUSINESS GROUP (Fulton) 所请求之美国专利地下号20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM (台湾地下号201018042 无线充电系统)内容中有提到系应用切换开关位于吸收端整流器前方的负载电阻,即图(六)中的Rcm使线圈上的阻抗特点变换反映到供电线圈上,经由供电线圈上的侦测电路阻拦剖析变换,再有供电端上的处置赏罚赏罚器内软件阻拦译码行动。参考图(七)在专利诠释书中,Fig.7中体现供电线圈上的讯号状态,当Rcm上的开关导通时,拉低受电线圈上的阻抗反映到供电线圈上使其振幅变年夜,在编码的要领接纳UART通讯要领中asynchronous serial format(异步勾通名堂)阻拦编码,即在结实的计时周期下该时间点能否有发生调制状态变换阻拦判读逻辑数据码,但这个编码要领可以发线将会有一段周期的时间一连在调制状态。参考图(八)为qi规格书中的数据传输名堂,可以看到是由一个2KHz的计时频率阻拦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通讯要领中调制状态的是非并没有影响到系统中的功效,但在感应式电力系统中调制状态会影响到供电的状态,启事是供电真个主载波自己是用来传送电力的,透过供电端与受电端线圈耦合的效果能传送强年夜的电流驱动力,而受电真个电阻负载须要遭受驱动电流阻拦反映,当功率加年夜后在Rcm上所遭受的功率也会增添,且在调制时代原要通往受电端输入的电流也会被Rcm所分流,以是在调制时代受电真个输入才干会被消耗;另外调制的时间会由于传送频率前进而延伸,由于在感应式电源系统中主载波的使命频率受于组件与电磁滋扰律例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,以是数据传送频率须要远低于主载波频率下才干顺遂运作,在前述条件的抵触下可以发现当感应电力系统设计的功率前进后,电阻负载的数据调制要领为弗成行,由于在调制电路上的电阻器会有相当长的周期在导通的状态形告成率消耗。

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图(六)qi规格书中受电端吸收电力与数据反映架构

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图(七)美国专利地下号20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM内容

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图(八)qi规格书中数据传送名堂

前段所提当功率加年夜后由于受电端上的讯号调制用负载电阻须要吸收较年夜的电流会发生功率消耗效果以是较为弗成行,且为了反映讯号容易被辩识须要有较年夜的反映量使线圈上有较年夜的调制深度,这个设计下需将使吸收端上的负载电阻设定较低的阻抗用来吸收更多的能量发生反映,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。以是有厂商提出此外一个电容式讯号调制措施。由喷喷鼻港ConvenientPower HK Ltd请求之美国专利地下号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措施),参考图(九)诠释其内容所提的在先前设计在受电端发生调制反映能量的负载电阻改成电容,其由于接纳电容调制时会在供电端发射线圈上发生电流与电压相位差变换,以是可以应用剖析此变换来阻拦译码;这样的设计可以不须要发生很年夜的调制深度便可到达反映数据的目的,以是纵然在较长的调制时代着实不会消耗过量的能量。这个手艺中须要在供电端上取出三个值阻拦剖析: 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 ,其中电流值须要将供电线圈到接地端勾通一个电感,量测电感两真个电压值来测定电流,而这三个数值的变换量都很眇小,以是从供电线圈取回讯号后须要透过量重的镌汰年夜电路阻拦剖析,这部门也组成电路资源的前进,参考图(十)、(十一)中可以看到这两种讯号调制的措施所组成供电线圈上所发生的讯号变换。

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图(九)美国专利地下号20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER内容

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图(十)ti规格书诠释电组式讯号调制电路

*图片泉源ti网站 bq500210.pdf

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图(十一)ti规格书诠释电容式讯号调制电路

*图片泉源ti网站 bq500210.pdf

前段所提到的手艺中,在WPC qi 规格中所界说为调制时代讯号与非调制时代讯号在供电线圈上发生的曲折差须要年夜于电流差15m A、电压差 200m V ,相较于送电时代在供电线圈上的主载波电压约在50V~100V之间,这个电压变换量相当小,也就是透过镌汰年夜电路将眇小的变换量算作反映讯号处置赏罚赏罚。在现实应用时会发现,组成供电线圈上振幅与电流变换的启事不只是来自受电真个反映讯号,此内在受电端输入的负载上发生变换时也会发生供电线圈上的电压与电流变换,而先前手艺所运的的是镌汰反映深度使调制讯号组成的功率消耗降低,在现实应用上受电装配年夜多不是稳固的负载,市情的手持装配在充电时会有快速的电流罗致更改,而这样的更改下会使供电线圈上的电压与电流发生跳动,经由电路镌汰年夜讯号后会酿成数据码中的噪声,而这样的噪声会使讯号传送掉落效。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,而这个套件是切合qi兼容性尺度的产物,量测电RX反映发送为 bq51013EVM-725上讯号调制电容上的波型,当在调制时代会将电容接地使吸收能量使讯号变小,此时发生了反映到供电线圈上,使TX发射线圈发生曲折升沉。而COMM1与COMM2划分为透过OPA镌汰年夜电路所剖析出的电压与电流变换效果,转成数字讯号交由微处置赏罚赏罚器判读。传送数据的要领就是周期性的一连发生调制反映,组剖析数据框再经由微处置赏罚赏罚器判读数据内容,而传送的历程当中若有遗掉落部门讯号就会使所有数据框掉落效。由波型图中可以看出这样的调制讯号会依负载的状态而更改,且在通讯中数据框须要一段长度才干送完,而在这个时代内发生的负载更改都邑使数据传送掉落败,而在系统中供电端须要靠来自受电真个数据码确认装配存在才会一连送电,当数据传送机制掉落效时将会组成电力中止。

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图(十二)qi系统中的数据传送波型图1

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图(十二)qi系统中的数据传送波型图2

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图(十二)qi系统中的数据传送波型图3

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图(十二)qi系统中的数据传送波型图4

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图(十二)qi系统中的数据传送波型图5

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图(十二)qi系统中的数据传送波型图6

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图(十二)qi系统中的数据传送波型图7

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图(十二)qi系统中的数据传送波型图8

前述的质料传送措施中,电阻反映式应用较强的反映讯号可使讯号容易被辨识但会消耗较多的功率;电容反映式应用纤细的反映变换消耗较少的功率却容易遭到噪声滋扰。这两个要领在前进传送供率的应用有所艰辛,另外有厂商Fu Da Tong Technology Co., Ltd请求之美国专利地下号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措施),参考图(十三),其手艺主若是将调制讯号的名堂设计成非对称的数据传送,将调制反映也就是消耗功率的时间延伸,应用较深的反映讯号与噪声扫除的软件控制措施可以在高功率系统中稳固的传送数据讯号,且在供电真个讯号剖析部门不须要镌汰年夜电路,可以下出世产资源。

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图(十三)美国专利地下号 20110278949 HIGH-POWER INDUCTION-TYPE POWER SUPPLY SYSTEM AND ITS DATA TRANSMISSION METHOD内容1

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图(十三)美国专利地下号 20110278949 HIGH-POWER INDUCTION-TYPE POWER SUPPLY SYSTEM AND ITS DATA TRANSMISSION METHOD内容2

高效能功率传输

要前进电磁感应式无线电力系统的电力传送效力与功率,最质朴的要领就是选用高性能的电子组件,参考图(十四)尺度的电磁感应式无线电力系统架构。在系统中有四个主要传送功率的消耗点(从供电端直流电源输入泉源看):1.供电真个驱动组件,主若是电流通过MOSFET的消耗、 2.供电与受电线圈与谐振电容经由历程电流的消耗、3.受电端整流器交流到直流的转换消耗、4.受电端稳压器转换消耗。由这四个消耗点可以看出供电端占了两项、受电端占了三项,之前的实验中发现在受电真个消耗是供电真个两倍以上,是以在传送电力历程当中受电端温度降低会比供电端显着,这也是受电端电路设计上会比供电端来的艰辛的启事。刚所提及前进电力传输效能最容易的措施就是应用高性能的组件,但在量产物上是没法实验的,主若是充电器自己在市场的价位低以是在资源上有相昔时夜的限制。除前述的措施外,有一个好的处置赏罚赏罚方试,就是供电端只发送受电端所须要的功率,在受电端上收到过年夜的功率会前进整流器与稳压器的转换损掉落,而要完成这个功效就须要先将系统中的谐振控制与数据传送功效完成。

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图(十四)尺度电磁感应式无线电力系统架构

*图片泉源ti网站 slyt401.pdf

一个高效能的感应式电力系统的运作,为受电端可以透过数据传送告诉供电端现在所须要的功率,而供电端在透过谐振控制调剂功率输入发送到受电端,而这个行动是须要快速的自动调剂,以是在数据传送上须要异常稳固才干完成。以是

感应式电力系统最主要的焦点手艺为数据传输的部门,也是现在各厂商起劲研究刷新的手艺,这方面的手艺尚有许多艰辛点须冲要破,笔者以为在数年内还会有相昔时夜的停留。
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