無線充電系統(tǒng)朝中大功率發(fā)展已是業(yè)界共同目標(biāo)，而其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于供電端與受電端間的通訊機(jī)制是否完善，亦即供電端主控晶片要能對每一個(gè)從受電端反射回的訊號進(jìn)行記錄分析，同時(shí)藉由軟體演算法過濾雜訊脈沖并正確解碼，方能實(shí)現(xiàn)。

無線充電是近年來熱門的發(fā)展技術(shù)，雖其市場成長沒有預(yù)期快速，但前景依然看好?？v觀目前市場上的無線充電發(fā)展，幾乎圍繞在智慧型手持裝置上，這類應(yīng)用的電池與充電回路設(shè)計(jì)基于安全考量，并不會使用較大的電流充電，而采用固定電壓5伏特（V）、最大電流1安培（A）輸入的充電方式，供電功率為5瓦（W），此即標(biāo)準(zhǔn)通用序列匯流排（USB）連接器之供電規(guī)格。

無線充電領(lǐng)域，在低功率的部分，三大無線充電標(biāo)準(zhǔn)陣營將5瓦歸類為低功率系統(tǒng)，至于中、高功率就沒有明確的定義，可以確定的是只要高于5瓦都可以稱為中、高功率無線充電系統(tǒng)。目前發(fā)展無線充電系統(tǒng)除了電子產(chǎn)品外，還有大型電動車等領(lǐng)域，若以5瓦為低功率而10瓦就稱為高功率的話，那充電功率動輒數(shù)千瓦的能量就難以定義了，因此本文將5瓦到百瓦間的等級暫稱為中功率，而數(shù)千瓦的應(yīng)用暫稱為高功率。

過去幾年來無線充電的市售產(chǎn)品多集中在5瓦以下之設(shè)計(jì)，其背后的主因有幾個(gè)，其一為目標(biāo)裝置原始設(shè)計(jì)充電回路為最高5瓦的設(shè)計(jì)，自然在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成無線充電過程中也不會采用超過5瓦的設(shè)計(jì)；其二為目前無線充電主流制定標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)范最高只有5瓦系統(tǒng)，其對應(yīng)之零組件都為最高5瓦所設(shè)計(jì)。由于前述兩個(gè)原因?qū)е聼o線充電的應(yīng)用局限在單一產(chǎn)品類別，而要讓中功率的無線充電系統(tǒng)商用化，需先有可生產(chǎn)商用的技術(shù)后，再透過創(chuàng)意應(yīng)用在現(xiàn)有產(chǎn)品中。

生活中的電子產(chǎn)品，只要是須要進(jìn)行連接充電的，都有機(jī)會導(dǎo)入無線充電使其更便利。不過，許多產(chǎn)品原始設(shè)計(jì)可能就用高于5瓦的充電功率進(jìn)行充電，若是用低功率的無線充電技術(shù)直接套用在該產(chǎn)品中，會使所需充電時(shí)間變長，反而徒增不便，所以中功率之無線充電系統(tǒng)有其市場需求。在技術(shù)層面上，無線充電功率提高衍生的問題相當(dāng)復(fù)雜，并非將現(xiàn)有常見的5瓦系統(tǒng)直接加大電路規(guī)格就可達(dá)到應(yīng)有功能。

通訊機(jī)制決定無線充電系統(tǒng)安全/轉(zhuǎn)換性能

無線充電系統(tǒng)從表面上看為兩個(gè)感應(yīng)線圈，一個(gè)當(dāng)發(fā)射能量的供電端（Tx）、另一做為接收能量的受電端（Rx）。這個(gè)系統(tǒng)有兩大機(jī)制須要協(xié)調(diào)控制才能穩(wěn)定運(yùn)作，分別為通訊識別與功率調(diào)節(jié)，本文將探討通訊識別技術(shù)。

在電源系統(tǒng)中基本架構(gòu)為輸入電源、處理、轉(zhuǎn)換、輸出電源四個(gè)部分，其中處理主要是對于輸出電性變化進(jìn)行運(yùn)算后，透過轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成整個(gè)電源電路功能。由這樣的閉回路架構(gòu)可以看出輸入轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)與輸出的電性有密切關(guān)聯(lián)，傳統(tǒng)電源系統(tǒng)在實(shí)體上為單一或有實(shí)體電路連接之裝置，整個(gè)系統(tǒng)可以透過電路連接傳遞反饋訊號進(jìn)行運(yùn)作；而無線電力系統(tǒng)在實(shí)體上為兩個(gè)獨(dú)立的裝置，其供電端與受電端沒有實(shí)體電路連接，跟過去電源系統(tǒng)有相當(dāng)大的差異（圖1）。

圖1 電源系統(tǒng)到無線電源系統(tǒng)功能方塊配置

為了完成電源系統(tǒng)之功能，無線電力系統(tǒng)兩端裝置必須要能傳遞用以控制的反饋訊號，而這個(gè)機(jī)制須透過無線通訊方式進(jìn)行，因此要在供電端與受電端個(gè)別加入通訊機(jī)制。前述在電源系統(tǒng)中控制主要對輸出端電性進(jìn)行偵測分析，所以反饋訊號是來自輸出端，在無線電源系統(tǒng)中將功能方塊拆開成供電與受電兩端，其中受電端增加的功能方塊為將反饋訊號編碼透過無線通訊傳送到供電端，供電端則多了通訊接收解碼功能，將反饋訊號進(jìn)行處理。

到這邊可以得到一個(gè)觀念，無線電力系統(tǒng)要能安全實(shí)現(xiàn)電力傳送功能，一定得藉由通訊機(jī)制來完成，沒有通訊就無法依輸出的供電狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)；另外無線充電系統(tǒng)的供電端與受電端并非固定連接，受電端會離開供電端獨(dú)立使用，在功能上當(dāng)供電端在受電端離開就應(yīng)該要停止輸出能量，若沒有通訊機(jī)制則供電端會無法確認(rèn)是否要持續(xù)輸出能量。

無線充電通訊識別技術(shù)備受考驗(yàn)

在目前電子電路中，無線通訊是發(fā)展相當(dāng)成熟的技術(shù)，要完成兩端間的無線通訊，有非常多現(xiàn)成的方案可以使用，但在無線充電系統(tǒng)中卻無法使用這些現(xiàn)有的無線通訊方案。

為何無線充電系統(tǒng)不能使用現(xiàn)有無線區(qū)域網(wǎng)路（Wi-Fi）、藍(lán)牙（Bluetooth）等無線通訊方案呢？除了成本考量外，主要的原因?yàn)闊o線充電是供電端與受電端的感應(yīng)線圈，是在極近的距離下傳送能量，供電端與受電端進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)時(shí)會進(jìn)行相當(dāng)密實(shí)的能量互動（圖2），而現(xiàn)有的無線通訊方案卻允許系統(tǒng)在很長的距離下傳送資料，這反而會造成系統(tǒng)問題。

圖2 無線電源系統(tǒng)能量發(fā)送與通訊控制為緊密的互動

舉例說明，若采用長距離通訊機(jī)制，當(dāng)數(shù)個(gè)無線充電器身處同個(gè)場域，供電端可以接收到鄰近所有受電端的資料，會讓供電端無法識別所對應(yīng)的受電端進(jìn)而調(diào)節(jié)能量輸出，所以無線充電須要特別開發(fā)近距離通訊方式。

在現(xiàn)有低功率5瓦系統(tǒng)中，無線電力通訊方法，主要是透過供電端驅(qū)動線圈，發(fā)射能量載波到受電端進(jìn)行能量傳送，受電端透過調(diào)制電路改變受電線圈上的阻抗，以用來反射到供電端線圈，供電端再取回線圈上的訊號進(jìn)行解調(diào)訊號分析。這個(gè)方式原理簡單，只透過同一組線圈進(jìn)行能量傳送與通訊，這簡單的方法也是造成通訊實(shí)作技術(shù)困難的原因；無線充電中感應(yīng)線圈上存在的訊號相當(dāng)復(fù)雜，線圈本身呈現(xiàn)電感性搭配一個(gè)電容組成諧振電路，訊號的動力源來自在供電端的驅(qū)動元件切換電力開關(guān)進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動后線圈與電容開始諧振，此時(shí)線圈上的訊號類弦波訊號產(chǎn)生，此弦波訊號受到外部所影響，會改變其訊號特性；如感應(yīng)到接收線圈的諧振回圈、受電端訊號調(diào)制電路改變阻抗、輸出電力負(fù)載端的變化。

另外線圈是要傳送電力推動負(fù)載，所以除了感應(yīng)到電壓訊號表面之下，內(nèi)含之電流驅(qū)動力遠(yuǎn)大于一般的通訊系統(tǒng)，且用來傳送訊號的主載波是利用在線圈上振蕩的類弦波來實(shí)現(xiàn)也有不穩(wěn)定的因素，在通訊中主載波的大小與頻率都不固定，且頻率又低的狀況下，要在線圈上完成通訊系統(tǒng)非常困難，而且這個(gè)難度會隨著線圈上傳送的功率增加而變得更困難。

調(diào)制訊號微乎其微 中功率通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)不易

現(xiàn)有市面上無線充電產(chǎn)品大多遵循Qi標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其通訊方式在無線充電聯(lián)盟（WPC）網(wǎng)站上有詳細(xì)的規(guī)格可以了解。該方法為在受電端上透過調(diào)制電路連接電阻或電容到受電線圈上進(jìn)行阻抗調(diào)整，將訊號反射到發(fā)射線圈產(chǎn)生振幅高低差，此振幅高低差內(nèi)容包含電壓與電流的變化，再透過低通濾波器將此變化取出，傳送到供電端主控制器內(nèi)的軟體進(jìn)行解讀。

此技術(shù)存在一些問題，尤其是當(dāng)傳送功率提高后，從受電端反射到供電端線圈上的訊號高低差會變小，當(dāng)輸出功率與負(fù)載組合提高到某個(gè)狀況，其傳送的調(diào)制訊號會變?nèi)醯綆缀鯚o法從線圈上取出，這也是在低功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要加大功率遇到的最大瓶頸。

過去幾年來WPC一直號稱要推出大于5瓦功率的系統(tǒng)規(guī)格卻沒有下文，其中關(guān)鍵就在于怎么改善提高功率后的通訊連接問題，要解決后才有辦法完成相關(guān)規(guī)格制定，制定完規(guī)格后還需要大量的實(shí)作驗(yàn)證，且還有與舊系統(tǒng)的相容問題，所以看來在原有Qi標(biāo)準(zhǔn)下要提高功率是相當(dāng)困難的。市面上有一些基于Qi架構(gòu)而可以擴(kuò)充功率到7.5瓦的產(chǎn)品，其技術(shù)方式為在原有的Qi通訊方式之外，另外建構(gòu)一個(gè)高頻的無線通訊進(jìn)行連結(jié)，此為另一種解決受限于5瓦的通訊機(jī)制，不過看來此方法只能小幅度提高功率并沒有徹底解決問題。

突破中功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)卡 軟體技術(shù)成關(guān)鍵

當(dāng)無線電力系統(tǒng)傳送的功率提高之后，要透過受電端反射訊號到供電線圈上，并使其主載波有高低變化量將變得困難，所以在設(shè)計(jì)上需要新的判讀方式。以下說明在中功率無線電力系統(tǒng)中的通訊方法，圖3為供電端方塊，代號17與171為發(fā)生振蕩訊號的電容與線圈，將其訊號連接到13為一個(gè)低通濾波電路。

圖3 用于中功率系統(tǒng)的供電端方塊

17與171間的振蕩訊號參考圖4的W83,通過131的箝位電路后變成W82的訊號，再通過后端濾波電路最后取出W81是低頻波型。而這邊在主載波上變化是來自受電端的反射所造成，圖5中23區(qū)塊為一半橋同步整流器的架構(gòu)，其下端整流金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（MOSFET）開關(guān)代號A2、B3會被代號B5、B6所控制，而產(chǎn)生無法整流的調(diào)制訊號期間，這段調(diào)制期間會反射到供電端線圈使其發(fā)生變化，此設(shè)計(jì)可以確保從受電端輸出空載到中功率操作區(qū)，都有能力將脈沖訊號反射回供電線圈。參考圖6、圖7將脈沖訊號收集成串，在傳送到供電端中主控制器內(nèi)的軟體進(jìn)行解碼之動作。此技術(shù)最困難的部分在于軟體，在實(shí)作上線圈訊號存在很多雜訊脈沖，要如何正確解讀出資料碼是靠軟體內(nèi)的技術(shù)來完成。

圖4 從供電端線圈上載波變化取出脈沖訊號

圖5 用于中功率系統(tǒng)的受電端方塊

圖6 取出脈沖訊號形成資料串進(jìn)行解碼

　　圖7 利用觸發(fā)間距量測的解碼方法

前兩段中說明要從供電端線圈上取出較高頻率的諧振訊號后透過低通濾波器；取出較低頻率的變化量訊號后進(jìn)行解讀。在這樣的設(shè)計(jì)架構(gòu)下，低通濾波器的設(shè)計(jì)非常重要，通訊訊號的取出性能取決于濾波器之設(shè)計(jì)；另一個(gè)說法，這樣的設(shè)計(jì)下濾波器變成系統(tǒng)的弱點(diǎn)，濾波器的設(shè)定過度遲鈍會造成小訊號遺失，而設(shè)定過度銳利則會取到過多的雜訊。

所以新一代的設(shè)計(jì)，將拿掉濾波器，直接抽線圈中的交流訊號進(jìn)行分析，而且只有取出通過諧振電容與線圈間的電流訊號，此段電流訊號有線圈上感應(yīng)來自受電端調(diào)制反射直接反應(yīng)。拿掉濾波器后系統(tǒng)相容性完全靠軟體解決，過去不同的規(guī)格代表受電端調(diào)制反射可能為不同頻率的資料訊號，而濾波器須要配合該資料訊號之頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)而沒有彈性，也就是說要完成一個(gè)供電端可以相容不同通訊格式功能之設(shè)計(jì)，將會卡在濾波器這關(guān)。拿掉濾波器后，供電端主控IC須要處理每一個(gè)諧振弦波進(jìn)行記錄分析，若主載波的頻率是100kHz,就代表IC每一秒鐘要處理10萬次弦波訊號分析，在目前微處理器（MPU）技術(shù)先進(jìn)下，要達(dá)到這個(gè)處理速度并不困難，主要還是軟體的配合，須要有效率的進(jìn)行訊號分析與解碼（圖8）。

圖8 從諧振線圈與電容之間截取出電流訊號進(jìn)行解碼

在沒有控制的狀況下，要加大無線充電功率并不困難，但沒有控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)品是無法銷售的。數(shù)年前在展覽上就已看到可以隔一段距離傳送能量點(diǎn)燈泡的樣品，但過了幾年后還是沒有商品化，而背后最大的問題就在于控制系統(tǒng)。在無線充電中，控制系統(tǒng)須要建立在供電與受電兩端的通訊上才能運(yùn)行，所以中功率無線充電的設(shè)計(jì)開發(fā)，必須在通訊機(jī)制上下功夫方能達(dá)成。

（本文作者為富達(dá)通無線充電事業(yè)部經(jīng)理）