MPLA/異物偵測/LQK　Qi2合規性測試要點解析

2024-11-06

Rajaraman Venkatachalam

Qi 2.0版於2023年正式發布，介紹了全新的磁功率設定檔(MPP)，透過排列優化確保裝置能提供15W的充電速度。本文將說明MPP功率損耗核算(MPLA)、異物偵測(FOD)、配對耦合特性(LQK)量測等關鍵Qi2合規性流程。

WPC

無線充電聯盟(WPC)的Qi無線充電標準從2022年起進入快速發展階段。Qi 2.0版於2023年正式發布，改進了傳統的基準功率設定檔(Baseline Power Profile, BPP)、擴展功率設定檔(Extended Power Profile, EPP)，同時也介紹了全新的磁功率設定檔(Magnetic Power Profile, MPP)，透過排列優化確保裝置能提供15W的充電速度。此外，WPC也正在將無線充電技術擴展至廚房電器(Ki)、電動車(EV)和製造機器人等產業。

本文將說明MPP功率損耗核算(MPLA)、異物偵測(Foreign Object Detection, FOD)、配對耦合特性(LQK)量測等關鍵Qi2合規性流程。

Qi2與Qi功率設定檔對比

對於製造商來說，了解Qi和Qi2標準所支援的功率設定檔非常重要(表1)。要取得Qi2標誌，發射器(Tx)和接收器(Rx)設計都必須支援MPP功率設定檔，同時也必須支援BPP功率設定檔以確保向下相容。其中，Rx驗證支援是可選項目，Tx驗證支援則為強制項目。

Qi標準支援BPP和EPP等傳統電源設定檔。Qi裝置可以支援1.3.3或2.0版Qi規範的BPP和EPP電源設定檔。

MPP功率損耗核算(MPLA)

硬幣、信用卡，鑰匙等常見物品若掉落在電源發射器(PTx)和電源接收器(PRx)之間，將可能導致充電器過熱，對戶帶來安全風險。為了預防這種情況，MPP功率損耗核算(MPP Power Loss Accounting, MPLA)功能增強了異物偵測功能。一旦偵測到發射器和接收器之間有異物存在，發射器就會重新協商至較低的功率，避免異物變得過熱，也確保使用者安全。這個過程因為仍在避免過熱風險的情況下繼續為裝置充電，被稱為「盡力充電(Best Effort Charging)」。

MPLA使用圖1下方的功率損耗計算公式，幫助發射器估算電力傳輸路徑之間存在異物而造成的功率損耗。發射器將首先測量其發射功率(P_IN)，接著減去傳輸路徑上的所有已知損耗，最後減去接收器接收到的功率。已知功率損耗與實際損耗之間的差異，皆可能為受到功率傳輸路徑中所存在的異物的影響所至。

發射器(P_{TX_FM})和接收器(P_{FM_RX})中使用的多個金屬物體確實會消耗一些功率，進而導致功率傳輸過程中的功率損耗。這些金屬損耗稱為友好金屬損耗(Friendly Metal Loss)。(P_{TX_FM})和P_{FM_RX}金屬物體損耗合併計算為P_{FM_Loss}，如公式一所示。

......(1)

友好金屬損耗根據系統模型進行計算，該系統模型包含保持線圈間功率傳輸所需的直流偏壓磁化電流。此外，為了適應現實世界中發射器和接收器的差異，在計算友好金屬損耗時也考慮了生態系統比例因子。生態系比例和校正因子具體如公式二所示。

......(2)

另一方面，PTx_circuit_loss和PRx_circulit loss高度依賴製造設計；這些參數將取決於各自發射器和接收器製造商的功率損耗估算。與其他參數相比，線圈損耗的計算稍微更加複雜，將取決於線圈參數和配對互感特性。此外，這些參數受到規範的嚴格控制，以確保PTx和PRx線圈盡可能準確地顯示系統模型。在合規性測試中，分別以Golden Rx(GTPR)和Golden Tx(GTPT)線圈為參照，使用Tx和Rx線圈的配對LQK量測來測量這些配對參數。PTx和PRx使用MPLA協定交換敏感的MPLA參數資訊。

MPLA協定

在配置和協商階段，PTx和PRx之間交換MPLA協定資料，PTx在功率傳輸階段使用這些資訊來估計異物存在的影響。

配置階段

1.PRx向PTx發送功率量測窗口和偏移量。

協商階段

在協商階段，PTx和PRx交換MPLA參數(圖2)。

1.PRx向PTx發送gCoil Rx請求。

2.PTx向PRx發送gCoil、Rx。

3.PRx發送Alpha FM DC、Alpha_FM和gCoilTx。

電力傳輸階段

假設沒有異物，PRx將使用從PTx接收到的參數，計算介面接收到的功率，並在功率傳輸階段使用「功率損耗核算」資料包將計算出的介面接收到的功率傳送給PTx，根據MPLA方程從發射器輸入功率(P_IN)中減去所有已知損耗後，估計功率與實際功率之間的任何差值均視為功率傳輸路徑中存在的友好金屬所造成。這可用於通電期間的異物偵測。使用者可以在GRL的無線功率Tx測試解決方案中選擇[功率損耗核算]和[ACK封包]，根據感興趣的協定進行過濾(圖3)。

1.Rx發送PLA封包PTx。

2.如果Tx不發送ACK，Rx不會增加負載功率。

3.如果Tx發送ACK，Rx將以1W或更少的增量提升功率。

異物偵測方法與程序

異物偵測主要採用兩種方法：通電前(Pre-Power)和通電期間(In-Power)異物偵測。在通電前階段，發射器會計算空氣品質因素(Q值)。雖然顯著的Q值變化將被發射器視為存在異物，放置在PTx上的PRx也可能被誤判為異物。為了避免這種情況，PTx只會在沒有收到異物的ASK回應的情況下，將Q值偏移定性為異物。收到確認的PTx將公布安全運行功率級別，以預先降低風險。

當Tx收到估計接收功率(P_{est_rx})和來自Rx的整流功率時，就會進行通電期間異物偵測。在此基礎上，Tx會估算潛在的異物功率(P_fo)。如果P_fo超過臨界值，發射器將調整電力傳輸，並重新協商一個更安全的工作功率。

配對耦合特性(LQK)量測

LQK參數與線圈磁邊界

線圈和友好金屬損耗在很大程度上取決於配對耦合特性(LQK)，而配對耦合特性係指配對電感線圈的關鍵電氣觀測指標。該術語的定義如下：

L=配對電感線圈的電感參數L^l_TX和L^l_RX
Q=品質因數 Q^l_TX和Q^l_RX
R=反作用參數K_i和K_r

此外，為確保通過認證的裝置之間的互通性，MPP磁邊界(MPPMB)也被定義(圖5)。在Qi2無線充電中，MPP磁邊界是裝置確保互通性的關鍵。此邊界包括多個層次：GRL等認證工具供應商在合規性測試中提供的GTPT和GTPR對的微小範圍，以及「Tx線圈vs GTPR」和「Rx線圈vs GTPT」對(裝置vs黃金對邊界)的更寬邊界。在此範圍內的裝置不僅符合標準，還能提供卓越的異物預測和現場可解釋性(Field Interpretability)。符合標準將可確保各種Qi2裝置的無縫操作和可靠的使用者體驗。

GTPT和GTPR對之間的誤差極小，在WPC授權測試實驗室進行合規性測試時用於LQK量測。下一個邊界存在於Tx線圈vs GTPR和Rx線圈vs GTPT對之間(裝置vs黃金對邊界)。如果裝置和黃金配對符合這些限制，則其Tx和Rx配對也應符合這些界線。在邊界內的裝置配對參數也有望具有更好的異物預測和良好的互通性。

進行LQK量測的線圈準備小撇步

確保至少有兩條線圈焊接了額外的線纜和SMA連接器，以便連接至LCR測試夾具以進行LQK量測。保留一條附加線纜和SMA連接器，用於測量焊接到線圈上的附加線纜的寄生值。最後，確保Tx或Rx線圈包裝完好，以便固定在測試夾具上。