導入異常金屬檢測功能　無線充電系統安全性再升級

利用兩個線圈進行感應電力傳送，是目前無線充電中最容易生產，也是在成本上最有優勢的技術；此一方式在傳遞電磁能量的形式上接近於電磁爐，可讓能量施加於金屬物體上，並產生熱量，但這也是電磁感應式無線電力系統最大的安全問題。目前相關產品主要分成傳送電源的發射器(Tx)與具有接收電力功能的接收器(Rx)兩個部分，而通常接收器內部有安裝電池，以利接收電力後進行儲存。

傳送功率與日俱增　散熱挑戰考驗重重

無線充電主要是由發射器與接收器各有一個相匹配的線圈進行電磁感應，發射器線圈本身呈電感性，在電路上匹配一個電容即組成一個諧振電路，在發射器底座內配有驅動電路推動線圈與電容組成的諧振電路產生振盪，振盪頻率提高到射頻就會從線圈發射具有交流電(AC)特性之電磁能量；接收器端匹配線圈用來接收此電磁能量，將交流電力經由線圈接收器後通過電路之匹配諧振電容、整流、濾波、穩壓等轉換成直流電(DC)交由後端裝置使用。此一架構經過多年的發展並沒有太多改變，真正改變的是裝置對於傳送功率的需求遠高於10年前的產品，而在加大功率的過程中則衍生了非常多的技術挑戰須克服。

早期的產品功率需求在1瓦以下，且在效率上並沒有要求，因此效率大多未及50%；以50%的效率傳送1瓦(W)的電力來看，在運作中它損耗了0.5瓦的能量轉換成熱能散逸。由於功率需求低，在發射器端的線圈與其驅動電路不需要強大的驅動力；在這樣的配置下，發射器線圈於運作時，其上方放置非目標接收器裝置，而改放金屬物體的狀況，即跟電磁爐的原理一樣，係將電磁能量打在金屬上，產生渦電流與磁滯損耗而產生熱量。在早期的系統因功率需求低，且在發射器線圈阻抗大與驅動線路推力弱的情況下，反應到金屬上的加熱則較不明顯，因此，早期產品的設計方式，是在發射器上直接進行通電，以持續發送電力，就算將金屬放在發射器線圈上也不致於有立即性的危險，而在接收器電路設計上，只需要簡易的振盪電路與開關驅動電路就可以完成功能。

然而，近幾年發展無線充電系統與早期最大的差異在於接收器受電裝置需求的改變，早期的產品電動牙刷，其充電的時間長、使用的時間較短，所以可用低功率慢速充電，近期的產品主要是應用在智慧型手持裝置上，其特性為充電時間短、使用時間長，因此要用較大功率進行充電。為提高傳送功率勢必須先提高效率，若是以5瓦的傳送電力為例，當效率為50%會有2.5瓦的電能被損耗，而大部分的電能將轉換成熱量散逸，這個對小型充電裝置而言，是很難被接收的發熱量，而現在無線充電器的設計準則為效率70%以上，此效率下傳送5瓦時，其約有2瓦的電能被損耗。

強化Rx/Tx線圈設計　傳輸效能全面升級

事實上，提高充電效率的方法有很多種，最基本的方式即在線圈上做出特殊設計；當線圈在近距離感應傳送電力時，其電壓發送會在收發器交流，並在後端負載加重後，通過線圈上的電流也會變大，此時線圈上的導線阻抗影響將變大，為提高效率會盡可能降低線圈上的阻抗，在無線充電採用的頻率約100kHz下，其導線的電流集膚效應會變明顯，所以近年來發射器線圈設計通常大多採用利茲線進行繞製，而這個線材就是用來製作電磁爐的線圈材，它可以發送高能電磁能量傳送到金屬上產生高熱。

另一方面，也可強化驅動電路的推力，以提高效率與功率。這樣的配置下，若在發射器線圈發送電磁能量時，放置金屬物體在線圈上就會產生高溫，以5瓦的系統為例，若沒有安全機制持續送電，在數分鐘內就可將金屬片加熱到水沸點以上。為解決此一問題，發射器須要能識別在線圈上是否有正確的接收器裝置，確認後再開啟發送電力的機制，而此一確認的動作目前已發展出很多技術來進行。

目前最可行且可靠的方法是在進行電力傳送的過程中，將發射器線圈的電能當載波，接收器線圈透過電路調變阻抗使資料訊號反射到發射器線圈，在由發射器電路解析此訊號來進行識別接收器裝置。簡單的說，就是發射器發送電力再由接收器反饋資料訊號，利用這個資料訊號判別裝置是否要繼續傳送電力，若只有在發射器線圈上擺放異物就不會啟動電力傳送，以達到安全且節能之目的。

另外一個問題是，發射器線圈設計大多為平面線圈，其產生諧振後會在線圈兩面發送電磁能量，而在產品應用時只會將接收器端放在其一面使用，另一面發送之電磁能量須被阻絕，在技術上採用磁性材料完成這個部件，磁性材料也可幫助線圈將大部分的電磁能量往放置接收器端的方向集中傳送，可提高傳送效率。此外，在接收器線圈並無法完全攔截或吸收此能量，有部分能量會穿過接收器線圈，因此若在接收器線圈後方有金屬物體也會受到影響產生熱量，而引起安全疑慮，所以在產品應用上會在受電線圈非感應面，貼上一片磁性材料阻隔電磁能量到後方。

為確保無線充電裝置使用安全，目標識別技術判別正確的受電裝置才開啟送電的功能相當重要。利用磁性材料將電磁能量限制在發射器與接收器線圈之間傳遞，這是目前在產品上的主流設計，然而此一設計在安全上並不完美。如圖1所示，有兩個情況下的金屬異物無法被系統偵測到；其一為當金屬物體只有部分屏蔽在發射器與接收器線圈之間，線圈上的偵測與資料反饋並不會被阻擋，所以即使確認到正確的受電裝置才開始送電，但中間夾雜的金屬一樣會吸收電磁能量而產生熱量；其二為磁性材料並無法完全阻隔能量，尤其在接收器端因空間限制所採用的磁性材料厚度較薄，對於功率提高後的電磁能量無法有效阻擋，造成後方金屬物體產生熱量。這些不應該出現的金屬物體在此將它稱為金屬異物，即在設計中不應存在，但又難以避免使用者有意或無意的加入它，因此如何在電路中透過新技術找出不應該出現的金屬異物，進而採取安全保護的動作確保無線充電系統的安全機制，是現今相關業者須努力的目標。

圖1　電磁感應式無線電力系統中的金屬異物問題

計算充電功耗損失　確保金屬異物故障排除

藉由計算無線充電在過程中功率損失，可判別是否有金屬異物。在發射器與接收器之間出現金屬異物將會吸收部分的電磁功率導致發熱，因此相對於沒有金屬異物的系統中會有額外的功率損耗，這是一個簡單的概念，但在實作上有些困難。主要困難點在於要運用這個原理來判別金屬異物，首先須知道發射器功率、接收器功率及在理想系統中發射器到接收器的功率損耗典型值，前兩項的計算須在系統中建立發射器與接收器兩端的電源電壓、電流檢測，取得結果後乘積得到功率值。

由於無線充電轉換會有損耗，所以接收器功率值會小於發射器，而兩個功率值的差即為損耗的部分。在典型的系統中損耗來自發射器驅動元件金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSET)、線圈與搭配磁性材料、接收器線圈與搭配磁性材料及整流器等部分；另外還有一個變動因素就是線圈彼此的距離與相對重疊的狀況，這些損耗即為典型損耗，而若有金屬異物加入後就會多一分損耗。在此方法中典型損耗是在實驗室中量測取得，搭配典型的線圈與電路在各種感應條件下進行量測，取得的數值預先寫入到發射器主控制IC中做為運作時的比較參考，在運作時IC可設定比典型值多出額定損耗以上就判為金屬異物存在，進而採取切斷電力輸出之動作。

上述技術的困難點在於典型值須事先在實驗室量測數據後先行建立，若後段生產更換過零件就會有特性上的差異造成失準，另外此一系統中對線圈距離產生的損耗並無法精確判別，所以在生產時須設定較寬的功率損耗誤差容許值以提高產品良率。

在小型金屬異物加入與擷取的功率損耗低於容許值的情況下，還是會持續送電將異物加熱，在電路方面為完成設計在發射器與接收器都要進行功率檢測，這部分除成本提高外，還會有額外的功率損耗與精準度的問題。還有，此功能是須比對發射器與接收器間的功率損耗，若在接收器與發射器未連線傳送電力之前，是無法正常偵測金屬異物，單獨只有發射器在其線圈上放金屬物體也無法檢測出，所以此一方式並非是完美無缺。

檢測線圈電感變化　金屬異物無所遁形

在說明另一個金屬檢測方法前，須先了解一下發射器的電路結構(圖2)。發射端為一個線圈與電容所組成，其構成諧振電路會在不同的頻率下產生不同振幅的曲線，此曲線的最大振幅輸出在於諧振點，而曲線的特性會受線圈與電容匹配所影響，量產線圈與電容時，難免會有微幅的誤差，所以每一個組合後的產品其曲線都不盡相同。

圖2　Tx端電路結構

圖3　頻率與振幅的關係

接下來探討的現象是指在同一個線圈與電容組合下的特性狀態。圖3為諧振電路中頻率與振幅的關係，在無線充電中通常不會使用在最大振幅的諧振點上，而是會操作在高於諧振點這段頻率之上，並利用不同的頻率改變輸出功率大小，在圖3中可看到在頻率F1產生的振幅就比頻率F4大的多，也表示操作在頻率F1輸出功率比頻率F4大。

如圖4所示，除頻率會影響振幅之外，驅動電壓的大小也會影響到振幅，在同一個頻率下越大的驅動電壓就可得到越大的振幅即功率輸出，在圖中V1是較低的驅動電壓、V4是較高的驅動電壓，所以要探討下一個現象要先確認驅動電壓的狀況。在線圈上有一個非常特殊的特性，即線圈上的電感量會依線圈周圍的物質改變，距離越近，物體越大就會影響越多，而線圈上的電感量影響增加與減少跟物質的種類有關係；磁性材料這類不會吸收電磁能量材質會使電感量增加，金屬類則會吸收電磁能量，而發熱的材料會使電感量減小，利用此一特性就可知道線圈上的物體是否是會引發安全問題的金屬異物。

圖4　驅動電壓與振幅的關係

如圖5所示，這指的是同一個線圈與電容組合下，同一個頻率的諧振曲線變化。首先線圈上方沒有任何物體的狀況下構成的諧振曲線的典型值，另外還有兩條曲線是因鄰近的物質所影響的電感量變化所造成的偏移，可看出當工作在同一個頻率下、電感量降低時振幅會變大；反之電感量變大在同一個頻率下振幅就會變小，而變化量則會因材質與體積有所改變。簡單來說，會吸收越多能量即體積越大的金屬異物，且會使電感量變得更小，即在比對部分會更容易被判別。如圖6所示，只要藉由線圈上沒有物體時的典型曲線，去對比現有頻率下的振幅大小，就可以知道目前線圈上是否有金屬異物(使同頻率下線圈振幅變大)或者是磁性材料(使同頻率下線圈振幅變小)。

圖5(左)　電感量變動後的振幅偏移；圖6(右)　比對典型值後，可判別是否有金屬異物。

最後回到圖2，為系統開發人員解說要怎麼取得線圈上的典型曲線。先前提到幾個重要的特性；第一，每一組線圈與電容的組合諧振曲線都不同；第二，不同驅動電壓下曲線也不同；第三，金屬異物通常是在使用場合加入的，所以有一個時間點可以取得典型曲線，就是在無線充電器出廠前，其線圈與電容已組合完成，在產線上可以確定此時發射器線圈上不會有任何物體，所以可透過掃描方式將線圈的曲線寫到電路其中的電子式可清除可編程唯讀記憶體(EEPROM)，出廠後每一組充電器都有自己的典型曲線紀錄，到了使用端系統只要去比對現有的頻率下，振幅狀態與典型值的差異量就可知道是否有危及安全的金屬異物存在。至於檢測能力則完全取決於主控IC本身的類比數位轉換器(ADC)性能，以一般性能的產品都可判讀出約迴紋針大小的金屬物體在線圈上的變化量。

總結而言，無線充電是近期快速發展的新技術，雖然不算是高科技，但幾乎每一季都有新的技術與方法產生，且在這個領域也已有專屬的國際專利分類代碼(H02J-017/00)，若要了解這方面最新技術演進，建議系統開發人員不妨從閱讀專利著手。

(本文作者為富達通無線充電事業部經理)