相較于其它電子科技發(fā)展，感應式充電的技術(shù)發(fā)展顯的緩慢，幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題直到近年才有解決方案，且解決方案還在不斷的演進(jìn)中。無(wú)線(xiàn)充電可通過(guò)許多方式去完成，以目前的技術(shù)中“電磁感應式”為已經(jīng)量產(chǎn)且經(jīng)過(guò)安全與市場(chǎng)驗證的產(chǎn)品，在生產(chǎn)成本上電磁感應式技術(shù)的產(chǎn)品低于其它技術(shù)，有市場(chǎng)預測在接下來(lái)數年內，在消費類(lèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域中該類(lèi)產(chǎn)品將呈倍數成長(cháng)。在本文中將探討目前在電磁感應式無(wú)線(xiàn)充電系統中三大核心技術(shù)：諧振控制、高效能功率傳輸以及數據傳輸，以及它們面臨的難題與現有的解決方法。

諧振控制

現今量產(chǎn)的IC制程已經(jīng)進(jìn)步到納米層級，但量產(chǎn)電容、電感組件的規格卻很難作到誤差在百分之一以下，而在電磁感應式電力系統中的系利用兩個(gè)線(xiàn)圈感應，而線(xiàn)圈即為電感，在線(xiàn)圈上需要搭配電容作為諧振匹配，這樣的構造即同LC振蕩裝置，較為不同的是在這系統中的目的是為了要在線(xiàn)圈上傳輸功率，為了提高效率需要在電容、電感選用低阻抗零件使質(zhì)量因子Q提高，在這樣的設計下其諧振曲線(xiàn)的斜率變的非常的大，在量產(chǎn)中系統設計頻率與電容、電感搭配變的非常困難，因為先前提到電容、電感存在相當的誤差，在量產(chǎn)中這樣的誤差若是沒(méi)有在系統中加入諧振控制修正誤差因素，則成品良率難以控制。在電容、電感誤差下會(huì )搭配出偏移原設計諧振點(diǎn)組合，導致發(fā)射功率與設計預定值有所偏差。參考圖（一）所示，在電磁感應電力系統中發(fā)設端的線(xiàn)圈上訊號振幅大小即為輸出功率的大小，在這個(gè)示意圖中表示一組線(xiàn)圈與電容組合的諧振曲線(xiàn)；在曲線(xiàn)上橫軸為操作的頻率，在不同的工作頻率下于線(xiàn)圈上有不同大小的振幅輸出，而最大振幅的諧振電將出現在頻率F=1/(2π√(LC))之上，在設計上并不會(huì )將系統設定在最高功率輸出的諧振點(diǎn)上，而是會(huì )工作在比諧振點(diǎn)高一些的頻率使輸出功率維持在適當值，在系統中我們通常稱(chēng)這個(gè)頻率為中心工作頻率。在感應供電過(guò)程中可能會(huì )需要加大或降低輸出功率，這時(shí)只要調整工作頻率就可以完成。如圖（一） 所示，在需要加功率時(shí)需要降低些頻率使其靠近諧振點(diǎn)，用以提高輸出功率，反之要降低輸出功率只要提高頻率即可完成，在此將這個(gè)方式定義為變頻式功率調整。

圖（一）變頻式功率調整

另外一個(gè)改變輸出功率的方式為改變發(fā)射端上的驅動(dòng)電壓，參考圖（二）所示，在同一線(xiàn)圈與電容的諧振組合中，當于驅動(dòng)發(fā)射線(xiàn)圈上的開(kāi)關(guān)電壓大小即直接改變的輸出功率的大小，在此將這個(gè)方式定義為變壓式功率調整。

圖（二）變壓式功率調整

先前有提到在量產(chǎn)中線(xiàn)圈與電容存在的誤差需要被修正，修正的目的在于每一組生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品需要有一致的功率輸出設定。參考圖（三）所示，這是典型量產(chǎn)中產(chǎn)品的諧振曲線(xiàn)，有諧振點(diǎn)偏高與偏高的產(chǎn)品；在變頻式的系統中，為了要始輸充功率都合乎預期設定，當諧振點(diǎn)偏高（電容或電感值偏�。┑慕M合中即提高中心工作頻率使輸出功率與設計目標相同，反之諧振點(diǎn)偏低時(shí)就反向操作，如圖（三）中所示，變頻系統擁有寬裕的修正容許空間。

圖（三）變頻式諧振偏差修正

另外一個(gè)修正諧振偏差的方式為變壓式，參考圖（四）所示利用改變驅動(dòng)電壓的方式進(jìn)行，當諧振點(diǎn)偏高（電容或電感值偏�。�時(shí)就降低驅動(dòng)電壓使功率輸出降低到所設計的預定值，反之諧振點(diǎn)偏低時(shí)就反向操作�？梢钥闯隼�用變壓式的調整方式，修正容許空間相較于變頻式較為狹窄，主要為改變電壓的修正幅度沒(méi)有改變頻率方式的大，由于反應較緩所以也比較好控制調整幅度。

圖（四）變壓式諧振偏差修正

在諧振系統中調整功率的方式另外還有改變線(xiàn)圈上的電感值或電容值的方法，但在實(shí)際量產(chǎn)上并不容易完成所以不被采用。在圖（五）是無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟規格書(shū)中所提的兩種控制發(fā)射線(xiàn)圈輸出功率的方法，第一種是變頻調整式，另一種則是變壓調整式。

圖（五）qi規格書(shū)中供電端發(fā)射線(xiàn)圈驅動(dòng)架構圖

*圖片來(lái)源wpc網(wǎng)站 WirelessPowerSpecificationPart1.pdf*固定驅動(dòng)電壓改變工作頻率的功率調整方式

圖（五）qi規格書(shū)中供電端發(fā)射線(xiàn)圈驅動(dòng)架構圖

*圖片來(lái)源wpc網(wǎng)站 WirelessPowerSpecificationPart1.pdf*改變驅動(dòng)電壓固定工作頻率的功率調整方式

表1：分析這兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)

由上表可看出，變頻式的在性能上有優(yōu)勢，但在設計上有難度；在主控IC上的輸出頻率主要是由微處理器架構的PWM輸出來(lái)完成，電磁感應式的操作頻率約在100K ~200K Hz之間，需要輸出上下緣各50%的方波來(lái)進(jìn)行驅動(dòng)可以得到較好的效能，而在高Q值的諧振線(xiàn)圈上頻率調整范圍需要到1K Hz以下；簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)設計的輸出需要在100K ~200K Hz之前以每段1K Hz以下的調整間隔進(jìn)行變頻，在這樣的設定需求下低階的微處理器無(wú)法完成這樣的功能，另外變頻控制下諧振反應敏銳，些微的頻率改變會(huì )使功率大幅跳動(dòng)，如何利用軟件去控制此現象為諧振控制的技術(shù)核心。

數據傳輸

在電磁感應式電力系統中最重要的技術(shù)問(wèn)題就是必需要能識別放置于發(fā)射線(xiàn)圈上的物體，感應電力就與烹調用的電磁爐一樣會(huì )發(fā)射強大的電磁波能量，若直接將此能量打在金屬上則會(huì )發(fā)熱造成危險；為解決此問(wèn)題各廠(chǎng)商發(fā)展可識別目標之技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展確認藉由受電端接收線(xiàn)圈反饋訊號由供電端發(fā)射線(xiàn)圈接收訊號為最好的解決方式，為完成在感應線(xiàn)圈上數據傳輸的功能為系統中最重要的核心技術(shù)。在傳送電力之感應線(xiàn)圈上要穩定傳送數據非常困難，主要載波是用在大功率的電力傳輸，其會(huì )受到在電源使用中的各種干擾狀況，另外先前也提到這是一個(gè)變頻式的控制系統，所以主載波工作頻率也不會(huì )固定。因為困難所以先前廠(chǎng)商推出的技術(shù)有除了感應線(xiàn)圈供應電力外，另外在建立一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信頻道，例如紅外線(xiàn)、藍芽、RFID標簽、WiFi…等，但外加這些模塊已經(jīng)違背的成本原則，這個(gè)產(chǎn)品為充電器，成本一定要控制的相當低才可被市場(chǎng)所接受，所以利用感應線(xiàn)圈本身作數據傳輸為業(yè)界必采用的方式。

利用感應電力之線(xiàn)圈進(jìn)行數據傳輸會(huì )遇到兩個(gè)問(wèn)題，就是如何發(fā)送數據與如何接收數據，原理同RFID的數據傳輸方式，供電端線(xiàn)圈上發(fā)送主載波打到受電端線(xiàn)圈上，再由受電端電路上控制負載變化來(lái)進(jìn)行反饋，在現行的感應電力設計中為單向傳輸，也就是電力能量（LC振蕩主載波）由供電端發(fā)送到受電端，而受電端反饋資料碼到供電端，而受電端收到供電端的能量只有強弱之分沒(méi)有內含通訊成份，這個(gè)數據碼傳送的機制也只有受電端靠近后收到電力能量才能反饋，在供電端未提供能量的狀況下并無(wú)法進(jìn)行數據碼傳送，乍看來(lái)只是半套的通訊機制在感應電力系統中卻非常實(shí)用，因為滿(mǎn)足了系統所需要的功能：供電端辨識受電端后開(kāi)啟發(fā)送能量進(jìn)行電力傳輸，受電端傳回電力狀況由供電端進(jìn)行調整。

參考圖（六）中qi規格書(shū)中受電端接收電力與數據反饋架構，其中可以看到有兩種設計架構，分別是電阻式與電容式兩種。電阻式調制反饋訊號的方式源自被動(dòng)式RFID技術(shù)，利用接收線(xiàn)圈阻抗切換反饋訊號到發(fā)射線(xiàn)圈進(jìn)行讀取，運用在感應式電力上由美國ACCESS BUSINESS GROUP (Fulton) 所申請之美國專(zhuān)利公開(kāi)號20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM (臺灣公開(kāi)號201018042 無(wú)線(xiàn)充電系統)內容中有提到系利用切換開(kāi)關(guān)位于接收端整流器后方的負載電阻，即圖（六）中的Rcm使線(xiàn)圈上的阻抗特性變化反饋到供電線(xiàn)圈上，經(jīng)由供電線(xiàn)圈上的偵測電路進(jìn)行解析變化，再有供電端上的處理器內軟件進(jìn)行譯碼動(dòng)作。參考圖（七）在專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)中，Fig.7中表示供電線(xiàn)圈上的訊號狀況，當Rcm上的開(kāi)關(guān)導通時(shí)，拉低受電線(xiàn)圈上的阻抗反饋到供電線(xiàn)圈上使其振幅變大，在編碼的方式采用UART通訊方式中asynchronous serial format(異步串聯(lián)格式)進(jìn)行編碼，即在固定的計時(shí)周期下該時(shí)間點(diǎn)是否有發(fā)生調制狀態(tài)變化進(jìn)行判讀邏輯數據碼，但這個(gè)編碼方式可以發(fā)線(xiàn)將會(huì )有一段周期的時(shí)間持續在調制狀態(tài)。參考圖（八）為qi規格書(shū)中的數據傳輸格式，可以看到是由一個(gè)2KHz的計時(shí)頻率進(jìn)行數據調制與譯碼的數據傳送頻率，經(jīng)由推算在一個(gè)調至狀態(tài)下最長(cháng)會(huì )有一個(gè)周期的時(shí)間在調制狀態(tài)。UART通訊方式中調制狀態(tài)的長(cháng)短并沒(méi)有影響到系統中的功能，但在感應式電力系統中調制狀態(tài)會(huì )影響到供電的狀態(tài)，原因是供電端的主載波本身是用來(lái)傳送電力的，透過(guò)供電端與受電端線(xiàn)圈耦合的效果能傳送強大的電流驅動(dòng)力，而受電端的電阻負載需要承受驅動(dòng)電流進(jìn)行反饋，當功率加大后在Rcm上所承受的功率也會(huì )增加，且在調制期間原要通往受電端輸出的電流也會(huì )被Rcm所分流，所以在調制期間受電端的輸出能力會(huì )被損耗；另外調制的時(shí)間會(huì )因為傳送頻率提高而縮短，因為在感應式電源系統中主載波的工作頻率受于組件與電磁干擾法規限制下只能在較低的頻率下運作(約100~200KHz)，而數據是靠主載波上的調制狀態(tài)傳送，所以數據傳送頻率需要遠低于主載波頻率下才能順利運作，在前述條件的沖突下可以發(fā)現當感應電力系統設計的功率提高后，電阻負載的數據調制方式為不可行，因為在調制電路上的電阻器會(huì )有相當長(cháng)的周期在導通的狀態(tài)造成功率消耗。

圖（六）qi規格書(shū)中受電端接收電力與數據反饋架構

圖（七）美國專(zhuān)利公開(kāi)號20110273138 WIRELESS CHARGING SYSTEM內容

圖（八）qi規格書(shū)中數據傳送格式

前段所提當功率加大后因為受電端上的訊號調制用負載電阻需要吸收較大的電流會(huì )產(chǎn)生功率損耗問(wèn)題所以較為不可行，且為了反饋訊號容易被辯識需要有較大的反饋量使線(xiàn)圈上有較大的調制深度，這個(gè)設計下需將使接收端上的負載電阻設定較低的阻抗用來(lái)吸收更多的能量產(chǎn)生反饋，在這個(gè)循環(huán)下要提升感應式電源供應器之可用功率將遇到瓶頸。所以有廠(chǎng)商提出另一個(gè)電容式訊號調制方法。由香港ConvenientPower HK Ltd申請之美國專(zhuān)利公開(kāi)號20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER （用于無(wú)線(xiàn)電力中的數據調制與解調方法），參考圖（九）說(shuō)明其內容所提的在先前設計在受電端產(chǎn)生調制反饋能量的負載電阻改成電容，其因為采用電容調制時(shí)會(huì )在供電端發(fā)射線(xiàn)圈上產(chǎn)生電流與電壓相位差變化，所以可以利用分析此變化來(lái)進(jìn)行譯碼；這樣的設計可以不需要產(chǎn)生很大的調制深度即可達到反饋數據的目的，所以即使在較長(cháng)的調制期間并不會(huì )消耗過(guò)多的能量。這個(gè)技術(shù)中需要在供電端上取出三個(gè)值進(jìn)行分析： 1.為供電線(xiàn)圈上的交流電壓值 2.為供電線(xiàn)圈上的交流電流值 3.為驅動(dòng)供電線(xiàn)圈的電源電流 ，其中電流值需要將供電線(xiàn)圈到接地端串連一個(gè)電感，量測電感兩端的電壓值來(lái)測定電流，而這三個(gè)數值的變化量都很微小，所以從供電線(xiàn)圈取回訊號后需要透過(guò)多重的放大電路進(jìn)行解析，這部份也造成電路成本的提高，參考圖（十）、（十一）中可以看到這兩種訊號調制的方法所造成供電線(xiàn)圈上所發(fā)生的訊號變化。

圖（九）美國專(zhuān)利公開(kāi)號20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER內容

圖（十）ti規格書(shū)說(shuō)明電組式訊號調制電路

*圖片來(lái)源ti網(wǎng)站 bq500210.pdf

圖（十一）ti規格書(shū)說(shuō)明電容式訊號調制電路

*圖片來(lái)源ti網(wǎng)站 bq500210.pdf前段所提到的技術(shù)中，在WPC qi 規格中所定義為調制期間訊號與非調制期間訊號在供電線(xiàn)圈上產(chǎn)生的高低差需要大于電流差15m A、電壓差 200m V ，相較于送電期間在供電線(xiàn)圈上的主載波電壓約在50V~100V之間，這個(gè)電壓變化量相當小，也就是透過(guò)放大電路將微小的變化量當作反饋訊號處理。在實(shí)際應用時(shí)會(huì )發(fā)現，造成供電線(xiàn)圈上振幅與電流變化的原因不只是來(lái)自受電端的反饋訊號，另外在受電端輸出的負載上產(chǎn)生變化時(shí)也會(huì )產(chǎn)生供電線(xiàn)圈上的電壓與電流變化，而先前技術(shù)所運的的是縮小反饋深度使調制訊號造成的功率損耗降低，在實(shí)際應用上受電裝置大多不是穩定的負載，市面的手持裝置在充電時(shí)會(huì )有快速的電流汲取變動(dòng)，而這樣的變動(dòng)下會(huì )使供電線(xiàn)圈上的電壓與電流產(chǎn)生跳動(dòng)，經(jīng)過(guò)電路放大訊號后會(huì )變成數據碼中的噪聲，而這樣的噪聲會(huì )使訊號傳送失效。參考圖（十二）qi系統中的數據傳送波型組圖，這是取ti供電端bq500110EVM-688 Evaluation Module與受電端bq51013EVM-725 Evaluation Module量測到的波型，而這個(gè)套件是符合qi兼容性規范的產(chǎn)品，量測電RX反饋發(fā)送為 bq51013EVM-725上訊號調制電容上的波型，當在調制期間會(huì )將電容接地使吸收能量使訊號變小，此時(shí)產(chǎn)生了反饋到供電線(xiàn)圈上，使TX發(fā)射線(xiàn)圈產(chǎn)生高低起伏。而COMM1與COMM2分別為透過(guò)OPA放大電路所解析出的電壓與電流變化結果，轉成數字訊號交由微處理器判讀。傳送數據的方式就是周期性的連續產(chǎn)生調制反饋，組合成數據框再經(jīng)由微處理器判讀數據內容，而傳送的過(guò)程中若有遺失部份訊號就會(huì )使整個(gè)數據框失效。由波型圖中可以看出這樣的調制訊號會(huì )依負載的狀況而變動(dòng)，且在通訊中數據框需要一段長(cháng)度才能送完，而在這個(gè)期間內發(fā)生的負載變動(dòng)都會(huì )使數據傳送失敗，而在系統中供電端需要靠來(lái)自受電端的數據碼確認裝置存在才會(huì )持續送電，當數據傳送機制失效時(shí)將會(huì )造成電力中斷。

圖（十二）qi系統中的數據傳送波型圖1

圖（十二）qi系統中的數據傳送波型圖2

圖（十二）qi系統中的數據傳送波型圖3

圖（十二）qi系統中的數據傳送波型圖4

圖（十二）qi系統中的數據傳送波型圖5

圖（十二）qi系統中的數據傳送波型圖6

圖（十二）qi系統中的數據傳送波型圖7

圖（十二）qi系統中的數據傳送波型圖8

前述的資料傳送方法中，電阻反饋式利用較強的反饋訊號可以使訊號容易被辨識但會(huì )損耗較多的功率；電容反饋式利用細微的反饋變化損耗較少的功率卻容易受到噪聲干擾。這兩個(gè)方式在提高傳送供率的應用有所困難，另外有廠(chǎng)商Fu Da Tong Technology Co., Ltd申請之美國專(zhuān)利公開(kāi)號20110065398 UNIVERSAL DEMODULATION AND MODULATION FOR DATA COMMUNICATION IN WIRELESS POWER TRANSFER （高功率感應式電源供應器中數據傳輸之方法），參考圖（十三），其技術(shù)主要是將調制訊號的格式設計成非對稱(chēng)的數據傳送，將調制反饋也就是消耗功率的時(shí)間縮短，利用較深的反饋訊號與噪聲排除的軟件控制方法可以在高功率系統中穩定的傳送數據訊號，且在供電端的訊號解析部份不需要放大電路，可以降低生產(chǎn)成本。

圖（十三）美國專(zhuān)利公開(kāi)號 20110278949 HIGH-POWER INDUCTION-TYPE POWER SUPPLY SYSTEM AND ITS DATA TRANSMISSION METHOD內容1

圖（十三）美國專(zhuān)利公開(kāi)號 20110278949 HIGH-POWER INDUCTION-TYPE POWER SUPPLY SYSTEM AND ITS DATA TRANSMISSION METHOD內容2

高效能功率傳輸

要提高電磁感應式無(wú)線(xiàn)電力系統的電力傳送效率與功率，最簡(jiǎn)單的方式就是選用高性能的電子組件，參考圖（十四）典型的電磁感應式無(wú)線(xiàn)電力系統架構。在系統中有四個(gè)主要傳送功率的損耗點(diǎn)（從供電端直流電源輸入開(kāi)始看）：1.供電端的驅動(dòng)組件，主要是電流通過(guò)MOSFET的損耗、 2.供電與受電線(xiàn)圈與諧振電容通過(guò)電流的損耗、3.受電端整流器交流到直流的轉換損耗、4.受電端穩壓器轉換損耗。由這四個(gè)損耗點(diǎn)可以看出供電端占了兩項、受電端占了三項，過(guò)去的實(shí)驗中發(fā)現在受電端的損耗是供電端的兩倍以上，因此在傳送電力過(guò)程中受電端溫度升高會(huì )比供電端明顯，這也是受電端電路設計上會(huì )比供電端來(lái)的困難的原因。剛所提及提高電力傳輸效能最容易的方法就是使用高性能的組件，但在量產(chǎn)品上是無(wú)法實(shí)行的，主要是充電器本身在市場(chǎng)的價(jià)位低所以在成本上有相當大的限制。除了前述的方法外，有一個(gè)好的解決方試，就是供電端只發(fā)送受電端所需要的功率，在受電端上收到過(guò)大的功率會(huì )提高整流器與穩壓器的轉換損失，而要完成這個(gè)功能就需要先將系統中的諧振控制與數據傳送功能完成。

圖（十四）典型電磁感應式無(wú)線(xiàn)電力系統架構

*圖片來(lái)源ti網(wǎng)站 slyt401.pdf

一個(gè)高效能的感應式電力系統的運作，為受電端可以透過(guò)數據傳送通知供電端目前所需要的功率，而供電端在透過(guò)諧振控制調整功率輸出發(fā)送到受電端，而這個(gè)動(dòng)作是需要快速的自動(dòng)調整，所以在數據傳送上需要非常穩定才能實(shí)現。所以

感應式電力系統最重要的核心技術(shù)為數據傳輸的部份，也是目前各廠(chǎng)商積極研究改良的技術(shù)，這方面的技術(shù)還有很多困難點(diǎn)需要突破，筆者認為在數年內還會(huì )有相當大的進(jìn)展。