奇跡:新調製解調技術助力升級中功率無線充電效率
發布時間:2015-12-14 責任編輯:echolady
【導讀】ciganyingwuxianchongdianyizhidoushitigongdigonglvdechongdianfangshi,danshiweiledafududesuoduanchongdianshijian,ciganyingwuxianchongdianjishuyijingzhujianxiangzhonggonglvchongdianfangshifazhan。benwenzhuyaojiangshudeshixintiaozhijietiaojishuruhezhulishengjizhonggonglvwuxianchongdianxiaolv。
透過供電端與受電端的新型解調與調製技術,來改善線圈傳遞控製資料的方式,可有效提高中功率磁感應無線充電速度。
在zai無wu線xian充chong電dian中zhong簡jian單dan分fen成cheng供gong電dian端duan與yu受shou電dian端duan,供gong電dian端duan為wei電dian力li轉zhuan換huan成cheng電dian磁ci波bo能neng量liang發fa送song,而er受shou電dian端duan接jie收shou其qi電dian磁ci波bo能neng量liang後hou,進jin行xing電dian性xing轉zhuan換huan,將jiang電dian力li輸shu出chu到dao後hou端duan提ti供gong給gei受shou電dian裝zhuang置zhi充chong電dian或huo運yun行xing使shi用yong。
控製訊號為無線充電係統基礎
在(zai)電(dian)磁(ci)感(gan)應(ying)式(shi)無(wu)線(xian)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)中(zhong),於(yu)受(shou)電(dian)端(duan)所(suo)需(xu)能(neng)量(liang)大(da)小(xiao)或(huo)開(kai)啟(qi)或(huo)關(guan)閉(bi)充(chong)電(dian)功(gong)能(neng)會(hui)隨(sui)受(shou)電(dian)裝(zhuang)置(zhi)使(shi)用(yong)狀(zhuang)況(kuang)而(er)改(gai)變(bian)。對(dui)應(ying)其(qi)供(gong)電(dian)端(duan)線(xian)圈(quan)上(shang)可(ke)以(yi)透(tou)過(guo)不(bu)同(tong)調(tiao)節(jie)能(neng)量(liang)大(da)小(xiao)之(zhi)設(she)計(ji)進(jin)行(xing)發(fa)送(song)能(neng)量(liang)以(yi)進(jin)行(xing)搭(da)配(pei)。由(you)於(yu)受(shou)電(dian)端(duan)與(yu)供(gong)電(dian)端(duan)並(bing)沒(mei)有(you)實(shi)體(ti)連(lian)接(jie),但(dan)功(gong)能(neng)上(shang)供(gong)電(dian)端(duan)又(you)須(xu)要(yao)得(de)知(zhi)受(shou)電(dian)端(duan)狀(zhuang)態(tai)以(yi)從(cong)事(shi)功(gong)率(lv)調(tiao)節(jie),因(yin)此(ci)為(wei)完(wan)成(cheng)受(shou)電(dian)端(duan)傳(chuan)送(song)控(kong)製(zhi)訊(xun)號(hao)到(dao)供(gong)電(dian)端(duan)再(zai)經(jing)解(jie)析(xi)後(hou)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu),無(wu)線(xian)通(tong)訊(xun)成(cheng)為(wei)無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)係(xi)統(tong)必(bi)備(bei)之(zhi)功(gong)能(neng)。
電(dian)磁(ci)感(gan)應(ying)式(shi)無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)架(jia)構(gou)為(wei)供(gong)電(dian)端(duan)發(fa)射(she)電(dian)磁(ci)能(neng)量(liang)即(ji)載(zai)波(bo)訊(xun)號(hao),受(shou)電(dian)端(duan)在(zai)接(jie)收(shou)電(dian)磁(ci)能(neng)量(liang)的(de)同(tong)時(shi),也(ye)對(dui)載(zai)波(bo)訊(xun)號(hao)進(jin)行(xing)調(tiao)製(zhi),將(jiang)其(qi)編(bian)碼(ma)後(hou)的(de)通(tong)訊(xun)資(zi)料(liao)反(fan)射(she)到(dao)載(zai)波(bo)訊(xun)號(hao)之(zhi)中(zhong),供(gong)電(dian)端(duan)再(zai)從(cong)供(gong)電(dian)線(xian)圈(quan)上(shang)載(zai)波(bo)訊(xun)號(hao)解(jie)析(xi)出(chu)通(tong)訊(xun)資(zi)料(liao)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi),此(ci)技(ji)術(shu)為(wei)業(ye)界(jie)目(mu)普(pu)遍(bian)產(chan)品(pin)運(yun)作(zuo)原(yuan)理(li),市(shi)麵(mian)上(shang)眾(zhong)多(duo)的(de)Qi係列產品即使用此方式。
shoudianduanjiangtongxunziliaotiaozhidaogongdianxianquanshangzaiboxunhaozhong,zuidadeyoudianzaiyuchengben,cifangshiwuxuewaidetongxunmozuqiezaishizuotongxunzhixucongshoudianduanchuansongdaogongdianduan,shidanxiangchuansongjikewanchengdabufengongnengxuqiu,erzuidadequedianzaiyuyingxianggongdianxianquanshangzaiboxunhaozhuangtai,zhuyaoweishoudianduanshangfuzaiyuganyingxiezhenyinsu。
供電線圈的載波特性限製頻率低/訊號高電壓不利通訊
有別於一般專門為通訊設計使用的天線,無線充電是以電力傳送為主要目標的線圈設計後,再因功能需求在其上進行通訊功能開發。
在電磁感應式無線充電中供電線圈上訊號的特性為:頻率偏低並且不固定、訊號高電壓並具有電流驅動力,而此兩種特性都不利於通訊方麵的用途。
電磁感應式所使用的頻率約在100∼300kHz之(zhi)間(jian),相(xiang)對(dui)於(yu)其(qi)他(ta)通(tong)訊(xun)技(ji)術(shu)該(gai)頻(pin)率(lv)是(shi)非(fei)常(chang)低(di)的(de),調(tiao)製(zhi)資(zi)料(liao)鮑(bao)率(lv)為(wei)求(qiu)可(ke)靠(kao),通(tong)常(chang)要(yao)遠(yuan)低(di)於(yu)主(zhu)載(zai)波(bo)頻(pin)率(lv),加(jia)上(shang)本(ben)通(tong)訊(xun)技(ji)術(shu)之(zhi)載(zai)波(bo)隻(zhi)為(wei)供(gong)電(dian)端(duan)提(ti)供(gong)頻(pin)率(lv),受(shou)電(dian)端(duan)隻(zhi)能(neng)透(tou)過(guo)振(zhen)幅(fu)調(tiao)變(bian)(AM)進jin行xing調tiao製zhi,再zai加jia上shang電dian力li傳chuan送song本ben身shen功gong率lv大da小xiao是shi透tou過guo改gai變bian頻pin率lv方fang式shi,進jin而er調tiao節jie線xian圈quan上shang諧xie振zhen之zhi振zhen幅fu完wan成cheng提ti高gao或huo降jiang低di功gong率lv輸shu出chu之zhi功gong能neng,所suo以yi主zhu載zai波bo頻pin率lv不bu固gu定ding再zai加jia上shang振zhen幅fu變bian動dong大da的de狀zhuang況kuang下xia,其qi供gong電dian端duan訊xun號hao解jie析xi所suo須xu濾lv波bo器qi的de設she計ji變bian得de困kun難nan。
另外,要在供電線圈上提高功率,線圈電壓須推到100V以(yi)上(shang),且(qie)線(xian)圈(quan)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)具(ju)有(you)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)電(dian)流(liu)推(tui)力(li),才(cai)能(neng)將(jiang)能(neng)量(liang)推(tui)送(song)到(dao)受(shou)電(dian)端(duan)線(xian)圈(quan)上(shang),因(yin)為(wei)供(gong)電(dian)線(xian)圈(quan)上(shang)增(zeng)加(jia)功(gong)率(lv)後(hou)提(ti)高(gao)電(dian)壓(ya)與(yu)大(da)電(dian)流(liu)的(de)狀(zhuang)況(kuang)下(xia),受(shou)電(dian)端(duan)要(yao)在(zai)其(qi)上(shang)再(zai)調(tiao)製(zhi)訊(xun)號(hao)困(kun)難(nan)度(du)也(ye)提(ti)高(gao),在(zai)調(tiao)製(zhi)原(yuan)理(li)來(lai)看(kan)受(shou)電(dian)端(duan)須(xu)改(gai)變(bian)受(shou)電(dian)線(xian)圈(quan)上(shang)的(de)阻(zu)抗(kang)進(jin)行(xing)反(fan)射(she)到(dao)供(gong)電(dian)線(xian)圈(quan)上(shang)影(ying)響(xiang)其(qi)訊(xun)號(hao)振(zhen)幅(fu),阻(zu)抗(kang)改(gai)變(bian)越(yue)大(da),反(fan)射(she)後(hou)的(de)振(zhen)幅(fu)改(gai)變(bian)越(yue)大(da),其(qi)訊(xun)號(hao)也(ye)越(yue)容(rong)易(yi)辨(bian)識(shi)。
danshizuoshangbingfeirucilixiang,weiletigaogonglvzhisongdianxiaolv,gongdianxianquanshiyongdizukangdaoxianyudidianganliangpeizhi,zaiqixianquanshangdianliuqudonglixiangdangqiangjin,jishishoudianduanfuzaigaibian,yirannengtigongxiangdangdexunhaozhenfuyiweichituili,cishedingzaochengshoudianduanyaozaizaiboshangjinxingxunhaotiaozhibiandegengkunnan,yejiushiguangkaogaibianxianquanshangdezukangwufayouxiaofanshedaogongdianxianquanshangdezaiboxingchengmingxiangaibian,zaibozhenfushangdetiaozhishendubuzu,qixunhaojiexibiandekunnan。
zaizhe,gongdianxianquanshangdexunhaobenshendaiyouhendazaxun,zaxunlaiyuanxiangdangfuza,qizhuyaoweigongdianduanbenshenxiezhenzhixunhaodoudongwai,haiyoushoudianduanfuzaifanyingsuozaocheng,suoyifanshedaogongdianxianquantiaozhixunhaoxuyuandayuqizaxun,caiyoukenengbeijiexihoujinxingjiema。zaicishuomingshoudianduantiaozhixunhaoyugongdianduanjietiaoxunhaoliangfangmiandouyoujishutiaozhanxukefu,shoudianduanxuchanshengmingquedetiaozhixunhao;供電端也須有能力在線圈高電壓諧振訊號中取出解調方法。
中功率受電端改良方法:新型錯動式調製技術
qianshusuotiyaodadaocongshoudianduanxianquanfanshetongxunziliaodaogongdianxianquan,xutouguotiaozhijishugaibianshoudianxianquanshangdezukangfangnengwancheng,ergaibiantiaozukangdefangfazaiguoqudechangshizhong,weicaiyongkaiguanyuanjianwaijiafuzaiyutiaozhiqijianjiadaqixianquanshangdefuzaixiaoyingyongyufanshe。
這(zhe)樣(yang)的(de)方(fang)式(shi)在(zai)功(gong)率(lv)加(jia)大(da)後(hou)會(hui)遇(yu)到(dao)瓶(ping)頸(jing),當(dang)受(shou)電(dian)端(duan)後(hou)端(duan)負(fu)載(zai)很(hen)大(da)的(de)狀(zhuang)況(kuang)下(xia)其(qi)受(shou)電(dian)線(xian)圈(quan)等(deng)效(xiao)負(fu)載(zai)電(dian)阻(zu)已(yi)經(jing)很(hen)低(di),若(ruo)為(wei)調(tiao)製(zhi)訊(xun)號(hao)再(zai)加(jia)大(da)負(fu)載(zai)其(qi)接(jie)近(jin)於(yu)將(jiang)線(xian)圈(quan)短(duan)路(lu),如(ru)此(ci)操(cao)作(zuo)會(hui)增(zeng)加(jia)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)與(yu)易(yi)燒(shao)毀(hui)元(yuan)件(jian)的(de)問(wen)題(ti),再(zai)者(zhe)此(ci)方(fang)式(shi)調(tiao)製(zhi)訊(xun)號(hao)於(yu)線(xian)圈(quan)兩(liang)端(duan)同(tong)時(shi)加(jia)以(yi)負(fu)載(zai)的(de)方(fang)式(shi)等(deng)於(yu)與(yu)供(gong)電(dian)端(duan)硬(ying)碰(peng)硬(ying),強(qiang)力(li)反(fan)射(she)到(dao)供(gong)電(dian)圈(quan)的(de)訊(xun)號(hao)在(zai)大(da)功(gong)率(lv)下(xia)調(tiao)製(zhi)深(shen)度(du)也(ye)不(bu)容(rong)易(yi)提(ti)高(gao)。
在zai此ci提ti出chu一yi個ge改gai良liang式shi的de調tiao製zhi方fang法fa,其qi有you兩liang個ge重zhong點dian。其qi一yi為wei調tiao製zhi訊xun號hao並bing非fei單dan在zai線xian圈quan上shang加jia重zhong負fu載zai,調tiao製zhi的de目mu標biao在zai於yu線xian圈quan阻zu抗kang的de改gai變bian,所suo以yi反fan向xiang降jiang低di線xian圈quan阻zu抗kang也ye是shi可ke以yi達da到dao調tiao製zhi之zhi目mu的de。其qi二er為wei調tiao製zhi訊xun號hao並bing非fei一yi定ding要yao同tong時shi同tong線xian圈quan兩liang端duan進jin行xing調tiao製zhi,可ke在zai線xian圈quan兩liang端duan進jin行xing交jiao替ti式shi的de調tiao製zhi,使shi其qi受shou電dian端duan反fan射she訊xun號hao到dao供gong電dian端duan線xian圈quan上shang的de諧xie振zhen進jin行xing交jiao替ti互hu動dong,避bi免mian在zai大da功gong率lv下xia硬ying碰peng調tiao製zhi的de技ji術shu,可ke以yi有you效xiao加jia大da調tiao製zhi深shen度du。
參考圖1為一實作電路圖,接收線圈(Coil)感應到電磁能量串接C1諧振電容連接到後端整流電路,其端點S1與S2為反相訊號,實作上從整流器看S1與S2為交替拉扯電壓訊號,在有負載的狀況下S1與S2波型接近於反相方波。而整流器設計為全橋式結構與傳統四個二極體整流器略有些不同,其上端維持D1與D2兩個二極體當S1與S2為高電位時將電流帶往高端,而下端有別於一般整流器改成兩個開關元件,其動作為當S1或S2為低電位時,其連接的開關元件Q13或Q23為導通狀態,使後端負載之接地電流可通往線圈。

圖1受電端模組
[page] 以下整流器動作原理舉其中一端進行說明,兩端為對稱結構故為反相運作。當S1由高電位切到低電位,反之S2會從低電位切到高電位,此時動作應該Q13要進入導通,另外Q23要開路,在過去常識中此電路稱為半橋同步整流,Q13與Q23互相透過對相訊號進行開關。
圖1中為改良電路能提高其切換性能,以Q12與Q22簡易搭配出加速電路。以Q12來說明,當S1為高電位時Q12會進入導通而上端S12會被下拉到低電位,而R121會消耗掉一些電流,但因為阻值大所以損耗不多。
當S1準備切到低電位時Q12會切到開入,此時說明一個概念,其開關電路的閘極端可視為一個電容,在切換的瞬間會有充放電時間,而采用MOSFET作zuo為wei開kai關guan元yuan件jian會hui有you一yi個ge特te性xing,便bian是shi能neng承cheng受shou大da電dian流liu與yu電dian壓ya,該gai閘zha極ji端duan的de電dian容rong就jiu會hui大da,代dai表biao切qie換huan速su度du慢man,反fan之zhi速su度du快kuai的de元yuan件jian無wu法fa承cheng受shou大da電dian流liu與yu電dian壓ya,在zai此ci舉ju例li為wei一yi般ban價jia位wei的de零ling件jian均jun接jie近jin此ci特te性xing。
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,動作為S1切到低電位的瞬間,Q12閘極端電壓會透過D122快速釋放Q12就會快速開路後,此時S2也將切到高電位,其S12電壓透過R121進行充電,而S12充電後使Q13進入導通,此段動作為一連貫動作。
另外,說明當S2切入低電位時,Q13閘極端電容之電壓會透過D121快速釋放使Q13加速進入開路之狀況,所以此區動作之原理為R121與R122是作為切入高電位時對閘極端充電導通用;而D121與D122為切入低電位時,用來快速釋放閘極端電容之電壓加速開路,而Q12之動作類似蹺蹺板用來切換方向所使用。
另外,Q131是用來暫停Q13導通所使用,Q131連接RX-U1進行控製,其從U1控製輸入高電位,就以Q131導通效果,為使S12保持在低電位。
參考圖2其W6_3為線圈訊號、W6_2為S12即Q13之閘極端訊號、W6_1為Q131閘極端訊號,當RX-U1輸出高電位到Q131便會使該區段S12訊號維持在低電位,造成整流器在該區段不發生導通狀況,用意在於暫停整流動作。

圖2 受電端線圈訊號、整流開關訊號與調製訊號
huyingqianduansuoshu,zaitiaozhijishuzhonggaibianxianquanzukang,zaihouduanshuchuyoufuzaidezhuangkuangxiatouguozantingzhengliu,jikejiangdishoudianxianquanshangdezukang,dancifangshixuyuhouduanyoufuzaidezhuangkuangxiacainengqizuoyong,danghouduanweikongzaidezhuangkuangxiazantingzhengliu,bingbuhuigaibianxianquanshangdezukang。
所以另外要設計在空載下調製訊號的方法,加入R5、R6zuoweikongzaixiadexunhaotiaozhiyong,qifenbiecongxianquanliangduanjinxingfuzaitiaozhi,youyushijiaotiyunzuo,suoyilianggedianzucaiyongbutongzuzhi,yiduiyingzaibutongdefuzaizhuangkuangxiachanshengchabiedetiaozhiqiangdu。yincizhenggetiaozhijishujiandanshuomingweidanghouduanweikongzaihuoqingfuzaishi,jiuyouR5、R6擔任於調製期間加重受電線圈阻抗之工作,當後端輸出負載加重,其阻抗小於R5、R6後,其調製作用將會喪失,所以透過暫停整流器運作的方式,以短暫降低受電線圈上的阻抗來產生調製效果。
參照圖3錯動式訊號圖,W7_3為受電線圈訊號、W7_1與W7_2分別為P04與P11訊號、W7_4為S1訊號,其與W7_3不同在於通過一個C1電容之諧振效果後取得較強電流推力,其波形也會接近方波訊號;W7_5與W7_6分別為S12與S22訊號,從圖3中可看到設計中的調製訊號從線圈兩端分別進行調製,並分成調製單端、解除調製、調製另一單端後再解除調製完成,此設計的用意在於對受電線圈接收電力影響最小的情況下,產生最大調製訊號。

圖3 錯動式調製訊號圖
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