新型調(diào)制/解調(diào)技術(shù)發(fā)威，中功率無(wú)線充電效率升級(jí)

現(xiàn)今磁感應(yīng)無(wú)線充電多只能提供低功率的充電方式，而為了縮短充電時(shí)間，該技術(shù)也逐漸往中功率發(fā)展;透過供電端與受電端的新型解調(diào)與調(diào)制技術(shù)，來(lái)改善線圈傳遞控制資料的方式，可有效提高中功率磁感應(yīng)無(wú)線充電速度。

在無(wú)線充電中簡(jiǎn)單分成供電端與受電端，供電端為電力轉(zhuǎn)換成電磁波能量發(fā)送，而受電端接收其電磁波能量后，進(jìn)行電性轉(zhuǎn)換，將電力輸出到后端提供給受電裝置充電或運(yùn)行使用。

控制訊號(hào)為無(wú)線充電系統(tǒng)基礎(chǔ)

在電磁感應(yīng)式無(wú)線電力系統(tǒng)中，于受電端所需能量大小或開啟或關(guān)閉充電功能會(huì)隨受電裝置使用狀況而改變。對(duì)應(yīng)其供電端線圈上可以透過不同調(diào)節(jié)能量大小之設(shè)計(jì)進(jìn)行發(fā)送能量以進(jìn)行搭配。由于受電端與供電端并沒有實(shí)體連接，但功能上供電端又須要得知受電端狀態(tài)以從事功率調(diào)節(jié)，因此為完成受電端傳送控制訊號(hào)到供電端再經(jīng)解析后進(jìn)行控制形成一個(gè)控制回路，無(wú)線通訊成為無(wú)線充電系統(tǒng)必備之功能。

電磁感應(yīng)式無(wú)線充電架構(gòu)為供電端發(fā)射電磁能量即載波訊號(hào)，受電端在接收電磁能量的同時(shí)，也對(duì)載波訊號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將其編碼后的通訊資料反射到載波訊號(hào)之中，供電端再?gòu)墓╇娋€圈上載波訊號(hào)解析出通訊資料進(jìn)行控制，此技術(shù)為業(yè)界目普遍產(chǎn)品運(yùn)作原理，市面上眾多的Qi系列產(chǎn)品即使用此方式。

受電端將通訊資料調(diào)制到供電線圈上載波訊號(hào)中，最大的優(yōu)點(diǎn)在于成本，此方式毋須額外的通訊模組且在實(shí)作通訊只須從受電端傳送到供電端，是單向傳送即可完成大部分功能需求，而最大的缺點(diǎn)在于影響供電線圈上載波訊號(hào)狀態(tài)，主要為受電端上負(fù)載與感應(yīng)諧振因素。

本文專門研討在無(wú)線充電供電與受電線圈之間通訊調(diào)制與解調(diào)之技術(shù)，礙于篇幅有限，關(guān)于無(wú)線充電其他原理就不再詳細(xì)說(shuō)明。

供電線圈的載波特性限制　頻率低/訊號(hào)高電壓不利通訊

有別于一般專門為通訊設(shè)計(jì)使用的天線，無(wú)線充電是以電力傳送為主要目標(biāo)的線圈設(shè)計(jì)后，再因功能需求在其上進(jìn)行通訊功能開發(fā)。

在電磁感應(yīng)式無(wú)線充電中供電線圈上訊號(hào)的特性為：頻率偏低并且不固定、訊號(hào)高電壓并具有電流驅(qū)動(dòng)力，而此兩種特性都不利于通訊方面的用途。

電磁感應(yīng)式所使用的頻率約在100～300kHz之間，相對(duì)于其他通訊技術(shù)該頻率是非常低的，調(diào)制資料鮑率為求可靠，通常要遠(yuǎn)低于主載波頻率，加上本通訊技術(shù)之載波只為供電端提供頻率，受電端只能透過振幅調(diào)變(AM)進(jìn)行調(diào)制，再加上電力傳送本身功率大小是透過改變頻率方式，進(jìn)而調(diào)節(jié)線圈上諧振之振幅完成提高或降低功率輸出之功能，所以主載波頻率不固定再加上振幅變動(dòng)大的狀況下，其供電端訊號(hào)解析所須濾波器的設(shè)計(jì)變得困難。

另外，要在供電線圈上提高功率，線圈電壓須推到100V以上，且線圈上的電流具有相當(dāng)大的電流推力，才能將能量推送到受電端線圈上，因?yàn)楣╇娋€圈上增加功率后提高電壓與大電流的狀況下，受電端要在其上再調(diào)制訊號(hào)困難度也提高，在調(diào)制原理來(lái)看受電端須改變受電線圈上的阻抗進(jìn)行反射到供電線圈上影響其訊號(hào)振幅，阻抗改變?cè)酱螅瓷浜蟮恼穹淖冊(cè)酱?，其訊?hào)也越容易辨識(shí)。

但實(shí)作上并非如此理想，為了提高功率之送電效率，供電線圈使用低阻抗導(dǎo)線與低電感量配置，在其線圈上電流驅(qū)動(dòng)力相當(dāng)強(qiáng)勁，即使受電端負(fù)載改變，依然能提供相當(dāng)?shù)挠嵦?hào)振幅以維持推力，此設(shè)定造成受電端要在載波上進(jìn)行訊號(hào)調(diào)制變得更困難，也就是光靠改變線圈上的阻抗無(wú)法有效反射到供電線圈上的載波形成明顯改變，載波振幅上的調(diào)制深度不足，其訊號(hào)解析變得困難。

再者，供電線圈上的訊號(hào)本身帶有很大雜訊，雜訊來(lái)源相當(dāng)復(fù)雜，其主要為供電端本身諧振之訊號(hào)抖動(dòng)外，還有受電端負(fù)載反應(yīng)所造成，所以反射到供電線圈調(diào)制訊號(hào)須遠(yuǎn)大于其雜訊，才有可能被解析后進(jìn)行解碼。在此說(shuō)明受電端調(diào)制訊號(hào)與供電端解調(diào)訊號(hào)兩方面都有技術(shù)挑戰(zhàn)須克服，受電端須產(chǎn)生明確的調(diào)制訊號(hào);供電端也須有能力在線圈高電壓諧振訊號(hào)中取出解調(diào)方法。

中功率受電端改良方法：新型錯(cuò)動(dòng)式調(diào)制技術(shù)

前述所提要達(dá)到從受電端線圈反射通訊資料到供電線圈，須透過調(diào)制技術(shù)改變受電線圈上的阻抗方能完成，而改變調(diào)阻抗的方法在過去的常識(shí)中，為采用開關(guān)元件外加負(fù)載于調(diào)制期間加大其線圈上的負(fù)載效應(yīng)用于反射。

這樣的方式在功率加大后會(huì)遇到瓶頸，當(dāng)受電端后端負(fù)載很大的狀況下其受電線圈等效負(fù)載電阻已經(jīng)很低，若為調(diào)制訊號(hào)再加大負(fù)載其接近于將線圈短路，如此操作會(huì)增加功率損耗與易燒毀元件的問題，再者此方式調(diào)制訊號(hào)于線圈兩端同時(shí)加以負(fù)載的方式等于與供電端硬碰硬，強(qiáng)力反射到供電圈的訊號(hào)在大功率下調(diào)制深度也不容易提高。

在此提出一個(gè)改良式的調(diào)制方法，其有兩個(gè)重點(diǎn)。其一為調(diào)制訊號(hào)并非單在線圈上加重負(fù)載，調(diào)制的目標(biāo)在于線圈阻抗的改變，所以反向降低線圈阻抗也是可以達(dá)到調(diào)制之目的。其二為調(diào)制訊號(hào)并非一定要同時(shí)同線圈兩端進(jìn)行調(diào)制，可在線圈兩端進(jìn)行交替式的調(diào)制，使其受電端反射訊號(hào)到供電端線圈上的諧振進(jìn)行交替互動(dòng)，避免在大功率下硬碰調(diào)制的技術(shù)，可以有效加大調(diào)制深度。

參考圖1為一實(shí)作電路圖，接收線圈(Coil)感應(yīng)到電磁能量串接C1諧振電容連接到后端整流電路，其端點(diǎn)S1與S2為反相訊號(hào)，實(shí)作上從整流器看S1與S2為交替拉扯電壓訊號(hào)，在有負(fù)載的狀況下S1與S2波型接近于反相方波。而整流器設(shè)計(jì)為全橋式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)四個(gè)二極體整流器略有些不同，其上端維持D1與D2兩個(gè)二極體當(dāng)S1與S2為高電位時(shí)將電流帶往高端，而下端有別于一般整流器改成兩個(gè)開關(guān)元件，其動(dòng)作為當(dāng)S1或S2為低電位時(shí)，其連接的開關(guān)元件Q13或Q23為導(dǎo)通狀態(tài)，使后端負(fù)載之接地電流可通往線圈。

圖1　受電端模組

以下整流器動(dòng)作原理舉其中一端進(jìn)行說(shuō)明，兩端為對(duì)稱結(jié)構(gòu)故為反相運(yùn)作。當(dāng)S1由高電位切到低電位，反之S2會(huì)從低電位切到高電位，此時(shí)動(dòng)作應(yīng)該Q13要進(jìn)入導(dǎo)通，另外Q23要開路，在過去常識(shí)中此電路稱為半橋同步整流，Q13與Q23互相透過對(duì)相訊號(hào)進(jìn)行開關(guān)。

圖1中為改良電路能提高其切換性能，以Q12與Q22簡(jiǎn)易搭配出加速電路。以Q12來(lái)說(shuō)明，當(dāng)S1為高電位時(shí)Q12會(huì)進(jìn)入導(dǎo)通而上端S12會(huì)被下拉到低電位，而R121會(huì)消耗掉一些電流，但因?yàn)樽柚荡笏該p耗不多。

當(dāng)S1準(zhǔn)備切到低電位時(shí)Q12會(huì)切到開入，此時(shí)說(shuō)明一個(gè)概念，其開關(guān)電路的閘極端可視為一個(gè)電容，在切換的瞬間會(huì)有充放電時(shí)間，而采用MOSFET作為開關(guān)元件會(huì)有一個(gè)特性，便是能承受大電流與電壓，該閘極端的電容就會(huì)大，代表切換速度慢，反之速度快的元件無(wú)法承受大電流與電壓，在此舉例為一般價(jià)位的零件均接近此特性。

在圖1中Q13與Q23為高電流元件速度慢，另外搭配Q12與Q22為低電流高速元件，動(dòng)作為S1切到低電位的瞬間，Q12閘極端電壓會(huì)透過D122快速釋放Q12就會(huì)快速開路后，此時(shí)S2也將切到高電位，其S12電壓透過R121進(jìn)行充電，而S12充電后使Q13進(jìn)入導(dǎo)通，此段動(dòng)作為一連貫動(dòng)作。

另外，說(shuō)明當(dāng)S2切入低電位時(shí)，Q13閘極端電容之電壓會(huì)透過D121快速釋放使Q13加速進(jìn)入開路之狀況，所以此區(qū)動(dòng)作之原理為R121與R122是作為切入高電位時(shí)對(duì)閘極端充電導(dǎo)通用;而D121與D122為切入低電位時(shí)，用來(lái)快速釋放閘極端電容之電壓加速開路，而Q12之動(dòng)作類似蹺蹺板用來(lái)切換方向所使用。

另外，Q131是用來(lái)暫停Q13導(dǎo)通所使用，Q131連接RX-U1進(jìn)行控制，其從U1控制輸入高電位，就以Q131導(dǎo)通效果，為使S12保持在低電位。

參考圖2其W6_3為線圈訊號(hào)、W6_2為S12即Q13之閘極端訊號(hào)、W6_1為Q131閘極端訊號(hào)，當(dāng)RX-U1輸出高電位到Q131便會(huì)使該區(qū)段S12訊號(hào)維持在低電位，造成整流器在該區(qū)段不發(fā)生導(dǎo)通狀況，用意在于暫停整流動(dòng)作。

圖2　受電端線圈訊號(hào)、整流開關(guān)訊號(hào)與調(diào)制訊號(hào)

呼應(yīng)前段所述，在調(diào)制技術(shù)中改變線圈阻抗，在后端輸出有負(fù)載的狀況下透過暫停整流，即可降低受電線圈上的阻抗，但此方式須于后端有負(fù)載的狀況下才能起作用，當(dāng)后端為空載的狀況下暫停整流，并不會(huì)改變線圈上的阻抗。

所以另外要設(shè)計(jì)在空載下調(diào)制訊號(hào)的方法，加入R5、R6做為空載下的訊號(hào)調(diào)制用，其分別從線圈兩端進(jìn)行負(fù)載調(diào)制，由于是交替運(yùn)作，所以兩個(gè)電阻采用不同阻值，以對(duì)應(yīng)在不同的負(fù)載狀況下產(chǎn)生差別的調(diào)制強(qiáng)度。因此整個(gè)調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)單說(shuō)明為當(dāng)后端為空載或輕負(fù)載時(shí)，就由R5、R6擔(dān)任于調(diào)制期間加重受電線圈阻抗之工作，當(dāng)后端輸出負(fù)載加重，其阻抗小于R5、R6后，其調(diào)制作用將會(huì)喪失，所以透過暫停整流器運(yùn)作的方式，以短暫降低受電線圈上的阻抗來(lái)產(chǎn)生調(diào)制效果。

參照?qǐng)D3錯(cuò)動(dòng)式訊號(hào)圖，W7_3為受電線圈訊號(hào)、W7_1與W7_2分別為P04與P11訊號(hào)、W7_4為S1訊號(hào)，其與W7_3不同在于通過一個(gè)C1電容之諧振效果后取得較強(qiáng)電流推力，其波形也會(huì)接近方波訊號(hào);W7_5與W7_6分別為S12與S22訊號(hào)，從圖3中可看到設(shè)計(jì)中的調(diào)制訊號(hào)從線圈兩端分別進(jìn)行調(diào)制，并分成調(diào)制單端、解除調(diào)制、調(diào)制另一單端后再解除調(diào)制完成，此設(shè)計(jì)的用意在于對(duì)受電線圈接收電力影響最小的情況下，產(chǎn)生最大調(diào)制訊號(hào)。

圖3　錯(cuò)動(dòng)式調(diào)制訊號(hào)圖

中功率供電端改良方法：高線圈電壓解調(diào)技術(shù)

前段所提為在受電端采行之調(diào)制方法，用意在受電端與供電端線圈感應(yīng)后，反射最大調(diào)制訊號(hào)與最不干擾電力之傳送，其訊號(hào)反射到供電線圈后在其上產(chǎn)生振幅波動(dòng)。此段所介紹的是，如何將該波動(dòng)轉(zhuǎn)換成能讓供電端主控IC進(jìn)行解碼之訊號(hào)。

參考圖4供電端模組方塊圖，此范例為在一個(gè)直流24伏特(V)供電驅(qū)動(dòng)之供電端架構(gòu)，開關(guān)驅(qū)動(dòng)元件U4、U5為全橋驅(qū)動(dòng)線圈與諧振電容C1，理想狀況下線圈與C1中間應(yīng)為正弦波訊號(hào)，但因?yàn)榍笮剩渚€圈與電容采用低阻抗元件配置，所以于開關(guān)訊號(hào)切換瞬間為直拉型的電壓切換訊號(hào)，而該訊號(hào)為非諧振成分，因此在第一道處理為去除驅(qū)動(dòng)電壓成分取出純諧振訊號(hào)。

圖4　供電端模組

在圖4中由兩個(gè)運(yùn)算放大器OPA1、OPA2構(gòu)成兩個(gè)差動(dòng)放大電路，其OPA1動(dòng)作為由R608與R609進(jìn)行分壓驅(qū)動(dòng)電源作為差動(dòng)參考點(diǎn);另外，由R610與R605對(duì)線圈諧振訊號(hào)進(jìn)行分壓作為放大訊號(hào)輸入，在此有一配置為R608、R609與R610、R605之分壓比例皆為50比1，其用意在于取出與電源驅(qū)動(dòng)電壓與諧振訊號(hào)中開關(guān)電壓失真相等后，透過差動(dòng)放大出諧振訊號(hào)高于電源驅(qū)動(dòng)電之成分進(jìn)行放大。

放大后輸出分成兩路，其一為經(jīng)由D701后與R703、R704、C704構(gòu)成簡(jiǎn)單檢波電路取出訊號(hào)之有效直流電壓，參考圖5該電壓為V_dc訊號(hào)。

圖5　供電線圈訊號(hào)波峰取樣放大

另外一路由D603透過分壓電阻R603、R604后輸入到OPA2作為差動(dòng)放大輸入端，其訊號(hào)為圖5中之V_hw訊號(hào)再經(jīng)OPA2放大后輸出為V_hwa訊號(hào)，D603、D701用來(lái)控制V_dc與V_hw有相同的壓降，而R603、R604、R703、R704用來(lái)設(shè)定分壓比例使得V_dc能保持在略低于V_hw之訊號(hào)，確保OPA2可以只放大波峰中高低變化之部分。

OPA2輸出訊號(hào)再傳送到D601、R612、C612為一檢波電路，參考圖6中經(jīng)過D601訊號(hào)為V_env該訊號(hào)為波峰訊號(hào)之檢波結(jié)果，但該訊號(hào)之直流穩(wěn)態(tài)非固定值，所以在透過C613、R614、R615構(gòu)成之去交連耦合電路得到之波形為V_trig，而該波型最后傳到TX-U1進(jìn)行解碼處理，在圖6中能看到原供電線圈上之訊號(hào)V_coil轉(zhuǎn)換到V_trig之差異。

圖6　供電線圈訊號(hào)檢波與交連耦合

另外，在參考圖7中，V_coil上有間距不等的觸發(fā)訊號(hào)，經(jīng)由設(shè)計(jì)解調(diào)電路V_trig解析出清楚觸發(fā)訊號(hào)，而TX_U1在接收此連續(xù)觸發(fā)訊號(hào)組合進(jìn)行解碼之動(dòng)作。

圖7　供電線圈訊號(hào)與取出觸發(fā)訊號(hào)波形

圖8中對(duì)應(yīng)從受電端調(diào)制訊號(hào)到供電端解調(diào)訊號(hào)之對(duì)應(yīng)，其中能看出調(diào)制訊號(hào)時(shí)間很短，卻可在供電端上解調(diào)出相當(dāng)大與清楚之觸發(fā)訊號(hào)，此為本文所介紹新型訊號(hào)調(diào)制與解調(diào)方法之目的，在最小的調(diào)制下完成最大的訊號(hào)解調(diào)，此設(shè)計(jì)能有效的完成在中功率電磁感應(yīng)式無(wú)線充電中透過線圈傳遞控制資料。

圖8　受電端調(diào)制訊號(hào)對(duì)應(yīng)到供電端解調(diào)訊號(hào)