如何选择高功率无线充电方案
时间：2022-05-12
作者：Chan; Chi-Che
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无线充电已大量普及于手机产品，以兼容qi规格为主其无线充电功率为5W，部分产品充电功率扩展到15W以上，实际应用还是以5W为大宗。无线充电在手机产业普及后，要应用到其他装置，例如：清扫机器人、电动工具、AGV、AMR、Electric scooter…则需要更大的充电功率以获得更佳使用体验，这些应用所需要的充电功率需求为50W以上、最高不会超过1KW；目前各家业者主推高功率无线充电方案主要以300W参考设计为中心，可以降低零件等级减少成本兼容小功率，也可以强化零件规格增加传输功率传输。产品开发业者选择高功率无线充电方案，应该评估5个性能指针： Distance & Efficiency、Safety、Communication protocol、Load、EMI，最后决定采用的关键是Cost，以下说明性能指针与Cost评估内容。
Magnetic Induction(MI) 与 Magnetic Resonance(MR)两种技术都是靠线圈进行能量发送与接收，而传送距离与效率在这边需要一起评估，线圈发送能量大小会随着距离拉远后衰减，距离拉远后可以透过各种补偿技术提高效率，但距离拉远后能量衰减是无法克服的物理特性。评估方案的要点为可感应距离的范围与效率分布，部分方案主打感应距离较远，但无法在近距离下正常运作，有最短感应距离的限制，此类方案于过短的感应距离下运作会损坏。效率是评估可用感应距离指标，以100W大功率无线充电计算，效率90%等于有10W的损耗被转换成热能与辐射电磁波散逸，损耗越大表示需要更高的散热方案成本与通过EMI检测的难度更高；评估要点为损耗多少能量而非效率百分比，举例说明损耗目标要低于30W，则传送功率100W下需要效率70%以上、而300W需要效率90%以上，也就是系统设计目标功率越高则效率就要越高。举例当Transmitter线圈与Receiver线圈都为圆形，为了满足传送效率90%其最远感应距离约只有线圈直径的1/8，以上所指的传送效率系指Transmitter直流输入传送至Receiver直流输出之效率，其包含电路损耗并非只有线圈之间的能量传递效能。
图1. 线圈直径、感应距离、效率关系图
选择方案评估要点：
A1. 感应范围，不能只看最远感应距离，需要在远近范围内都能正常运作。
A2. 效率需求，由散热能力计算能对应的功率损耗量，进而评估效率需求。
OVP、UVP、OCP、OPP、OTP、SCP，这些功能标准安全配置；而无线充电中最重要安全机制是目标物识别与金属异物检测。发射端必需辨识目标物正确才启动电力传送，无感应到目标物应该为待机状态不启动电力输出。无线充电透过电能转换成电磁能量进行传递，该电磁能量会被金属材质所吸收发热，不论是MI或MR技术都会有金属异物问题，不同的操作频率对于材质加热效能不同，只要有金属异物吸收电磁能量就会危险。
图2. 金属异物为无线充电最大威胁 (image source: Chongdiantou)
选择方案评估要点：
B1. 目标物识别，Transmitter在感应Receiver装置之前不启动电力传送保持待机，待机期间供电端消耗功率越小越好。
B2. 金属异物检测，于待机与电力传送过程都需要检测能力，检测能力标准为入侵的金属物体温度上升限制，小的异物吸收电磁能量小故温度增加量少，温度上升在限制值内就不理会，大的金属异物必须在温度上升到达限制值之前就停止电力传送。
与Receiver为了完成目标物识别与功率调节功能，需要有通讯机制传递数据。通讯方式有两种分别是in-band与out-of-band；in-band是利用传送电力线圈透过调制技术与解调技术进行数据交换，out-of-band则是透过额外通讯模块，例如Bluetooth进行数据交换。in-band是线圈紧密耦合下一对一电力传送与通讯，所以没有配对问题，只要电力能传送就可以完成通讯功能；out-of-band的通讯模块传输距离比电力传输距离远，所以在同一空间下若有复数装置会有匹配问题，而传输数据速率与数据传输能力以out-of-band的通讯模块较好。
图3. Transmitter与Receiver Block diagram
选择方案评估要点：
C1. Transmitter于待机状态关闭输出，Receiver靠近后能透过通讯机制启动Transmitter电力输出。
C2. 通讯机制能在空载、满载、动态负载下都能完成数据传送功能。
图4. Receiver输出电源驱动马达
(来源Microchip Technology https://www.youtube.com/watch?v=eRZZW1juu8s )
选择方案评估要点：
D1. 能支持CV或CC输出并在感应前预先加负载下能直接感应启动，部分方案
Receiver输出必需连接蓄电池才能使用，不支持CV输出应用会受局限。
D2. 在动态负载下，从空载到满载切换能稳定供电不中断。
EMI检测，而高功率无线充电要通过EMC会更困难，原因为目前相关法规的电磁干扰限制值都是针对低功率无线充电产品所制定，高功率运作势必需要放宽限制值，但修改法规旷日费时目前只能透过工程技术减少噪声干扰以符合法规要求。然而部分方案虽宣称取得相关EMC认证，但仔细看认证内容所测试的频段却是out-of-band的通讯模块所使用的频率，无线充电主操作频率会发散巨大电磁能量才是干扰的主要来源。
图5. FCC认证 https://fcc.report/FCC-ID/2AVS4-FDT-EVB-WP300
选择方案评估要点：
E1. 无线充电主操作频率为验证频段的认证取得。
E2. 提供完整电路数据的参考设计。
商品化最大考虑为成本，无线充电的成本主要在于Transmitter与Receiver的电路与线圈，在业界模块是指可运作电路板成品搭配线圈用以完成电力传送，IC方案为提供完整参考设计，客户可以照着参考设计自行制作模块，自行制作可以透过本身的采购与生产能力降低成本。
以Fu Da Tong Technology 推出的 300W Wireless Power Reference Design而论，大扺具备以下几种优势，有利业界进行评估。
在线圈直径的1/4内可以达到85%以上电力传输效率，感应距离由线圈尺寸决定，目前电路能力可以驱动最大直径20CM线圈。另外有大尺寸线圈制作专利技术，可以做到大尺寸线圈于远近距离都可以操作使用。
待机下Transmitter会关闭输出其消耗电力1W以下，侦测到目标Receiver靠近后才启动电力输出；于感应前有金属异物检测能力，若有金属异物在Transmitter线圈上就不启动电力输出，电力传送过程也有金属异物检测能力，若有金属异物插入电力传送过程中的Transmitter线圈与Receiver线圈之间，将会关闭电力传送确保安全。
采用in-band数据传送技术，用于目标物辨识与功率控制，在动态负载下可以完成数据传送。
Receiver电路整流滤波后可以搭配DC/DC控制输出电压与电流，不需要连接蓄电池就可以运作，Receiver电路也不需要外部提供电力，动态负载可以应付空载到满载的快速切换。
Reference Design 通过无线充电主要操作频率的认证。关键的Cost，提供完整电路数据可以让产品开发商自行生产制造产品，零件选用等级可以依需求调整。以300W Wireless Power Reference Design的bill of materials计算成本不会超过100美元。
*深入了解更多操作实例: https://youtu.be/JiyKawXrKaM
此外，产品开发商若要选用方案，最重要的还是取得Evaluation Board自行测试评估方案可行性，还需要取得完整电路数据与确认量产可行性，选定方案后导入产品需要客制化线圈与PCB，可以参照Reference Design配置进行开发。要选定方案前必须先确认产品需求：
有大量产品需要导入无线充电功能，增加无线充电功能势必增加成本，所以要评估附加价值后提出预算，在可行的预算下选择方案，最后导入到产品进行量产。选择无线充电方案需要评估性能指针与成本，量产稳定性也非常重要，正确的选择方案可以减少开发失败的风险，提高产品获利。
关于 Fu Da Tong Technology Co., Ltd
Fu Da Tong Technology于2007年在台湾新北市成立，为早期投入无线电力传送技术开发的公司，已经取得相关技术44张美国专利；专注于无线电力传送核心技术开发，掌握技术有In-band communications、Power transfer control、Foreign Object Detection，提供可以立即量产的参考设计与IC方案销售。
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