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从1W到1KW的电感耦合式无线充电技术演进

2022-05-07 Chan; Chi-Che 阅读:
不计成本要制作出1KW层级的无线充电模块并不难,但要具有低成本、安全机制、传送效率、量产可行就会变非常困难,而这些困难需要透过算法解决。Fu Da Tong Technology的感应式无线电力传输技术从1W发展到1KW历经14年的工作时间,多次的量产实绩累积大量经验,并已取得大量专利,于此汇整相关成果。

目前市面上无线充电产品以电感耦合式(或称为Magnetic induction或Electromagnetic induction)为主流,此技术为利用两个线圈互相感应进行电力传送,若线圈为圆形,其产品的感应距离不超过线圈直径的四分之一;两个线圈感应面之间透过电磁能量传送电力,电磁能量可以穿透非金属材料进行电力传送,电力传送过程两个线圈之间也不能有金属材料出现,电磁能量会对金属材料产生加热作用。电感耦合式技术与其他技术相比缺点为感应距离较短,优点为容易生产、成本低、效率高、容易通过相关电磁法规,这些优点使本技术为市场主流的主因。HSLednc

2007年Fu Da Tong Technology成立于台湾新北市,专注于电感耦合式无线充电技术研发。电感耦合式无线充电基本构造简单,电力传送方式依序为:直流电力输入到发射端驱动器、驱动器连接谐振电容与发射线圈、以电磁波型态传送能量、接收线圈连接谐振电容到整流器、整流器输出直流电力,发射端使用的驱动器与接收端使用的整流器与电容都是电力系统常见组件已经量产经过数十年时间;而感应线圈在早期应用于RFID技术,当时尚未有“无线充电"这个产品概念,Fu Da Tong以RFID扩增应用于无线电力传输,故申请网域名称rfidpower.com.tw , 使用与RFID相同的技术原理但技术细节与RFID标签没有直接关联。HSLednc

在RFID应用感应线圈仅需要提供能启动RFID卷标内部芯片微小电力,为了完成电力传输功能于发射设线圈与接收线圈都需要重新设计,在2007年尚未有无线充电概念,也还未有无线充电线圈设计基础知识,Fu Da Tong研发能人员开始手工制作各种线圈探索技术。早期线圈主要是使用单蕊漆包线所绕制,也有尝试用印刷电路板制作,遇到的问题就是操作过程谐振电容与线圈会发出热量;分析问题原因在于透过感应线圈进行无线电力传输操作下,穿过线圈的电流会比RFID应用高很多,发射端驱动器输出电流穿过谐振电容与使用导线所构成的感应线圈,电流穿过的路径上阻抗越大其所产生的损耗也越多,而损耗转换成热能型态散逸,这时Fu Da Tong研发能人员明白了在无线充电系统中从发射端输入电力至接收端输出电力,其电流路径上所有的组件都有阻抗存在,而这些阻抗就牵动了整体效率表现,组件阻抗越高就会使穿过电流产生更多的消耗转换成热量散逸,在此阶段的开发其阻抗最高的组件为谐振电容与感应线圈。HSLednc

此时线圈制作采用单蕊漆包线,为了降低阻抗选择加大线粗,但实际测试后发现加粗单蕊漆包线能解决的发热问题有限,因为无线充电中线圈上的电流频率较高会有Skin effect,为了解决问题改采用Litz wire制作线圈。感应线圈采平面设计,而在发射端中线圈的两面都会发送电磁能量,为了避免能量传递到非感应面,开始在线圈非感应面加上屏蔽用磁性材料,采用磁性材料会提高线圈感应效能,接下来数年因应无线充电需求的磁性材料技术与市场开始成长。HSLednc

谐振电容早期使用Polypropylene Film Foil Capacitor (PPN),经过各种试验发现NPO(C0G)电容的特性很适合在无线充电上使用,此材质之电容也随无线充电发展市场大幅成长。选择正确的材料制作线圈与搭配谐振电容后,quality factor会变大,高quality factor的输入驱动讯号后产生谐振电压会提高,其特性曲线会变陡峭,驱动频率些许改变就会造成谐振电压大幅改变,若驱动频率太接近最大谐振点可能会导致电流过大烧毁。无线充电硬件都是现有市面上组件可以组成的,技术发展重点是「控制方法」,无线充电与RFID技术差别在于电流大很多,为了达到大电流下高效率减少发热就要降低组件阻抗,组件阻抗降低后就会变得难以控制,而「控制方法」就是无线充电最大关键。HSLednc

「控制方法」在实作上有三个重点:安全、效率、最大功率,产品上把安全摆在首位。无线充电第一个安全功能就是发送端只有在合格接收端位于感应范围内才启动驱动器传送电力,此功能称作目标物识别;Fu Da Tong Technology在2007年就发展线圈之间的数据传送技术,即接收装置传送识别数据到发射装置,确认数据符合才启动电力传送,目标物识别后传送电力有两个好处:当没有装置区需要充电时关闭驱动器节省电力消耗,其二为电磁能量对金属物体加热造成危险,没有合格目标物识别就不启动驱动器确保安全。HSLednc

此阶段Fu Da Tong Technology的无线充电技术对NiMH电池充电,充电功率约1W,其数据传送技术为利用电池负载切换进行讯号调制。当年市面流行Wii电视游乐器,其控制手把内电池更换不方便,Fu Da Tong Technology提出一个解决方案可以透过感应方式将电力穿过塑料外壳,传送到内部的电池,这个产品是全球最早量产具有目标物识别功能的无线充电产品,该产品也在2009年于Walmart上架销售。HSLednc

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1.  2009年于Walmart销售的Wii感应式充电器HSLednc

以前段的案例作为一个引子,整体而言,富达通科技的技术发展历程跨越了将近14年,在以下我们也详细列出当中每一年提出的技术亮点供参考:HSLednc

  • 2008

5W(5V-1A)比当时技术1W高;电池充电模式由手机内部控制需要提供固定电压给手机去对内部电池充电,并非无线充电接收端直接对内部电池充电,所以过去「无线充电」架构为接收端内部连接电池进行充电,开始演变成「无线电力传送」,即接收端输出电力给后端装置使用。先前的目标物识别是建构在线圈上数据传输的技术,而数据传输是依靠受电装置上电池负载进行讯号调制所达成,新架构少了电池后需要开发新的讯号调制技术。HSLednc

  • 2009

α(Alpha)控制芯片与用于接收端的β(Beta)控制芯片,这两个芯片都为MCU架构,相较于前一代芯片以模拟功能为主的ASIC有更好的质量控制。HSLednc

  • 2010

IC α 搭配 IC β 所制作的5W(5V-1A)无线电力传输模块。HSLednc

  • 2011

ICα3与ICβ3,并利用此IC制作20W无线电力模块。HSLednc

  • 2012

ICα3与ICβ3给制造商生产平板计算机。该产品需求规格为防水、强固外体需要厚实外壳保护,这样的外壳使充电端子接头插拔不方便,无线充电能带来更好的使用体验,在当时Fu Da Tong是全球唯一提供10W以上功率且有金属异物保护机制之IC方案厂商,该IC方案功能受客户肯定导入量产,证实Fu Da Tong技术稳定可靠。HSLednc

HSLednc

Figure 2.  The tablet computer with ICα3 and ICβ3 wireless charging solution in 2012HSLednc

  • 2013

ICα4,对应升级强化的ICβ3H版本,并利用此IC制作100W无线电力模块。HSLednc

  • 2014

ICα5,对应qi兼容性充电功能;首创无滤波器式讯号解调技术,IC处理发射线圈上的讯号不需经过滤波器,直接对交流讯号进行采样解析,此为软件译码技术之基础,滤波器是系统中的弱点,无滤波器讯号解析大幅提高了控制系统的性能。无线充电发射端需要量测线圈上的交流峰值电压,取得数值后进行调节功率大小所参照使用,过去于量测此频率交流电压需要透过检波电路(滤波器)将交流电压转换成直流电压进行采样量测,转换过程失去精准度使量测值与实际峰值电压有所落差,不准确的参照值使功率调节性能下降;无滤波器的取样设计使IC可以精确量测峰值电压,提升功率调节性能。无线充电中交流讯号直接采样分析是强大的控制技术,后续技术将以此基础进行发展。HSLednc

  • 2015

Power loss accounting 与 Quality Factor,这个两方法精准度低且于量产后运作可靠性差,各研究单位不断投入资源开发新款检测方法,但都没有突破性发展。Fu Da Tong经过不断实验中发现在驱动器停止运作后,供电端线圈上的谐振讯号会进入自然衰减的状态,而自然衰减的速度会因线圈周围有金属异物而加快衰减,该现象为驱动线圈与电容产生谐振后又失去驱动来源时,电能会在线圈与电容来回移动逐渐衰减,而电容与线圈本身阻抗稳定所以其衰减速度接近恒定,一旦线圈周围有金属异物会吸收线圈表面在衰减过程中产生电磁能量,导致衰减速度加快,此为物理现象而Fu Da Tong利用创新算法控制驱动器与量测技术进行衰减讯号量测,开发精确的金属异物检测技术。HSLednc

  • 2016

Fu Da Tong Technology 无滤波器讯号检测技术完成整合了讯号解调制译码与金属异物检测功能。在供电端线圈上会接收来自受电端的数据码讯号调制,需要透过供电端上的解调技术还原数据内容,该数据内容用来进行功率调节,传输功率超过100W以后线圈上的调制深度远小于线圈振幅,用传统滤波器无法拾回正确的调制讯号,Fu Da Tong创新算法可以解析线圈上的抖动讯号进行译码,交流讯号直接采样解析没有滤波器的性能缺陷。金属异物检测也是使用交流讯号直接采样取出每一个衰减讯号的峰值进行运算,该衰减讯号无法使用滤波器解析;此无滤波器讯号解析技术成功整合两项功能,简化硬件设计用软件处理有利于降低成本并提高量产可靠性与保持设计修改弹性。HSLednc

  • 2017

IC α6,并利用此IC制作200W无线电力模块。此模块之受电端可输出24V-10A(MAX)超过200W功率,并具备有在电力传输过程中高精度金属异物检测功能,可以精确识别类似回形针大小的金属异物于电力传输过程中侵入两个线圈之间,此检测性能优于市面上无线充电产品能识别最小金属异物的能力。HSLednc

  • 2018年

NFC装置存在与否的低成本检测技术。在无线充电供电端上方若有NFC装置,于无线电力传送启动后该NFC装置收到过大电磁能量会烧毁;为了防止误放置NFC装置损坏于供电端上添加NFC读取器,于电力传送之前先检查供电线圈上是否有NFC装置,若有NFC装置就不启动电力传送。然而标准NFC读取器成本高昂,故Fu Da Tong开发一种NFC装置检测算法,仅用简易组件就可以完成NFC装置检测功能。HSLednc

2018年Fu Da Tong Technology也获得政府单位颁发创新研究奖,肯定Fu Da Tong在技术研发的努力。HSLednc

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图3.  2018荣获政府颁发创新研究奖HSLednc

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  • 2019

300W无线电力传送模块,接收端可输出36V-10A(MAX) 超过300W功率,整合了高精确度金属异物检测与NFC装置检测功能。金属异物检测于电力前预先检测发射线圈上是否有金属异物或NFC装置,若有就不启动无线电力传送;在感应电力传输过程中,监测是否有金属异物侵入两个线圈之间,若有就停止电力传输。HSLednc

  • 2020年

300W无线电力传送模块取得FCC认证 ( FCC ID : 2AVS4-FDT-EVB-WP300 ),该模块并通过CE 与 ROHS 检验。HSLednc

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图4. 取得FCC认证之300W无线电力传送模块HSLednc

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图5.  CES 2020 获得Airfuel Alliance PROUD MEMBERHSLednc

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  • 2021

1KW无线电力传输原型机,在1KW无线电力下完成线圈间数据传输,精确金属异物检测功能。合作伙伴Microchip于官方网站销售内含Fu Da Tong技术之方案产品。HSLednc

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6.   2021年完成1KW无线电力传输原型机HSLednc

**更多演示細節請見: https://youtube.com/shorts/KOqsBD1YGj8HSLednc

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图7.   Microchip 销售内含Fu Da Tong技术之产品HSLednc

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  • 2022

开发新型讯号解析技术(专利已申请未公开)。HSLednc

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图8.   Fu Da Tong Technology 历代 IC 路线图HSLednc

综观而论,无线充电要提高功率输出的技术发展非常缓慢,原因是在提高功率的过程会不断遇到各种工程难题,主要问题在效率、成本、安全性、可量产性,而解决问题的关键是算法。电力传输功率要开始提高,就优化线圈之间的耦合效率与高效率电路设计。要同时提高电力传输效率与降低成本,就需尽可能简化电路设计、减少组件使用量,这样控制系统核心就在算法;算法的实作为发射端与接收端上所使用Micro Control Unit ( MCU)架构的主控制IC内部的程序代码。程序代码控制整个无线电力传送机制,从待机、启动电力传输、金属异物检测、功率调节、关闭电力传输… 所有功能都照程序代码内容操作;所以无线充电技术的精随在于软件,而硬件组件是配合软件操作完成无线电力传输功能,选择高级硬件组件可以提高性能但成本也会增加,优秀的算法设计可以在有限的成本下,发挥所选用的硬件组件到最高效能;实作上感应式无线电力传送操作过程,线圈上的电压会因为两端线圈相对位置与负载状况会剧烈变化,若功率调节功能不彰,则选用的组件就需要具有较大的电压耐受性,避免线圈上的讯号剧烈变化下导致硬件损毁,而优秀的算法可以控制线圈上的电压或电流变化量,算法会透过控制方法保护硬件不至损坏,所以可以选用较低电压耐受性组件使用,而较低电压耐受性的组件成本较低且在相近的成本下有较佳的效率表现。HSLednc

在量产化阶段线圈质量控制会是最大困难,大量生产后的线圈质量很难控制到一致,若系统没办法配合参差不齐的线圈质量进行自适应调节,而需要质量非常严谨的线圈才能运作会导致线圈生产成本上升,且线圈会因为温度影响与线圈之间的互相感应影响特性,若系统无法配合线圈特性改变修正功率调节,将无法提供一致性的无线电力传输性能表现,优秀的算法设计可以监测线圈操作状态,透过驱动器调节线圈输出达到一致的性能表现。HSLednc

不计成本要制作出1KW层级的无线充电模块并不难,但要具有低成本、安全机制、传送效率、量产可行就会变非常困难,而这些困难需要透过算法解决。Fu Da Tong Technology的感应式无线电力传输技术从1W发展到1KW历经14年的工作时间,多次的量产实绩累积大量经验,并已取得大量专利,高功率无线电力传输方案详细数据均已经公开,Evaluation Board 与 IC 供货销售中。HSLednc

关于 Fu Da Tong Technology Co., LtdHSLednc

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。HSLednc

责编:GreatAE
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