By GRL team on Jul 6, 2022

我的无线充电盘为什么烧起来了?

   

Granite River Labs
蔡礼全 Allen Tsai

 

你是否曾经遇过无线充电盘无法正常供电、充电中膨胀过热、或是冒烟等状况,真的差一点就烧起来了!其实这样的情况并不少见,在网络上时常可以看到类似的新闻,到底为什么无线充电盘会有以上的状况呢?

如前一篇文章【WPC Qi 无线充电标准入门介绍与测试】所提到的,无线充电的原理是建立在电磁感应的基础上,交流电首先通过充电盘(Power Transmitter)内的线圈而产生磁场变化,手机(Power Receiver)内的线圈感应到了磁场的变化,进而生成感应电流而达到充电的效果。由此可知,在无线充电的过程中,充电盘上方特定范围内一定会有肉眼看不见的磁场变化,由于肉眼看不到磁场分布,使用者很容易不小心将具有磁性的物质如钥匙、硬币、甚至是手机壳上的金属物件等等,误放在充电盘上,这些磁性物质会因为接收到磁场变化,而有机会被不当加热到危险的温度,意外则可能因此发生。

所以,在开始无线充电前或是无线充电进行中,必须有机制可以侦测到这些外来物质,并在侦测到这些外来物质时,降低充电的瓦数或是中断充电,就像我们一般所说的防呆机制,可以预防危险发生。在Qi规范中,这样的机制即被称为Foreign Object Detection(以下简称 FOD),此篇文章将介绍FOD的方法,以及进行无线充电时,FOD的信息是如何沟通的。

 

1. 什么是 FOD?

1: Foreign Object存在于无线充电系统中之示意图(来源:Foreign Object Detection, Qi Specification V1.3, January 2021

FOD顾名思义就是异物侦测,Foreign Object(以下简称FO)的存在,会影响无线充电系统的磁场分布,进而增加造成危险的可能性,因此需要FOD的机制来侦测出FO,并针对侦测结果做出相对应的解决方法。然而,接受电的产品(以下简称PRx)本身也内含金属(Friendly Metal),它也会影响无线充电系统的磁场分布,它的存在大大增加了FOD的复杂性与困难度。因此,供给电的产品(以下简称PTx),在这里也就是指无线充电盘,必须能够区别无线充电系统中的是Friendly Metal还是FO,下一章节将详细介绍FOD的方法,以及侦测到FO后对应的作法。

 

2. FOD 的方法

FOD有几种不同的方法,大部分都跟PRx向PTx提供本身的资讯有关,PTx再根据得到资讯与自身侦测到的资讯做比对,进而分析出FO存在的可能性。根据FOD的时间点,又可分为在充电开始前的侦测,称为“Pre-Power FOD”、及在充电过程中的侦测,称为 “In-Power FOD”。

  • Pre-Power FOD

在充电开始前的FOD,主要由PTx侦测共振频率(Resonance Frequency)与共振强度(Quality Factor)的变化,并与PRx提供的参考共振频率(Reference Resonance Frequency)与参考共振强度(Reference Quality Factor)进行比对,进而判断FO存在的可能性。

共振频率与强度的变化,主要是由PRx内的屏蔽(Shielding)与Friendly Metal造成:PRx内的屏蔽的接近会增加PTx线圈的电感,进而降低整体的共振频率;而Friendly Metal因为会吸收掉部分的电,而降低共振强度。图2显示出共振被PRx和FO影响的结果,ft表示充电系统中只有PTx时的共振频率、ft’ 代表PRx存在于充电系统中时的共振频率、虚线代表FO和PRx同时存在于充电系统中时的共振频率。

2: PRx  FO 造成的共振变化(来源:Foreign Object Detection, Qi Specification V1.3, January 2021

PTx可以借由量测整个充电系统中的共振频率(ft’) 与共振强度(Qt’), 来决定FO存在的可能性,同时,这也需要PRx的帮助,PRx必须提供自身参考共振频率(ft’ (ref))与参考共振强度(Qt’ (ref)),这是因为某单一PRx造成的共振改变,有可能跟另一组PRx + FO造成的共振改变相同。(注意:这边的 ft’ (ref) 和 Qt’ (ref) 并不代表PRx的共振数值,相反的,它们反映出PRx是如何影响PTx与整个系统中的共振数值。这两个参考值可以借由将PRx放在一个参考的PTx系统中进行测量,并根据公式计算得出。对细节有兴趣者,可参考Foreign Object Detection, Qi Specification V1.3

因此,根据以上的叙述,充电开始前的FOD方法,可以整理成以下的步骤:

Step.1  PTx 测量充电系统中的共振数值,也就是 ft’  Qt’

Step.2  PRx 向 PTx 提供 ft’ (ref) 和 Qt’ (ref)

Step.3  PTx 比对以上的数值,并判断 FO 存在的可能性

Step.4  PTx 告诉 PRx FO 存在的可能性是否超过某个特定的门槛

Step.5  若系统判断 FO 存在的可能性过高,则会降低供电瓦数或是不进行充电

  • In-Power FOD
  • 上述的做法,适用在还没开始充电前,若已经在充电的过程中,FO才不小心被放入整个系统中,这时则需要另一种FOD的方法。这个方法仰赖PRx以固定的规律,向PTx 回传自己接收到的电量,PTx再藉由PRx提供的数值,去估算出被分散到FO的能量多寡,若PTx估算出来的值,在某些时间段内,有机会超过某个特定的门槛(通常是500 mW),这样的能量很有可能将FO加热至一个不安全的温度,因此PTx会有以下的解决方法:
  • 要求 PRx 降低索取的电量
  • 不管 PRx 索取的电量,直接降低供电的电量
  • 中断供电
 

3. FOD 的沟通过程

PTx和PRx的沟通过程,主要有四个不同的阶段:“Ping Phase” 、 “Configuration Phase” 、 “Negotiation Phase” 、 “Power Transfer Phase”。以下会简单介绍四个阶段中,PTx和PRx分别的任务,以及FOD会在不同的阶段进行哪些相对应的沟通。 (四个阶段的沟通内容,将在未来文章中进行更详细的介绍,请持续关注GRL发行的技术文章。)

  1. Ping Phase:
  2. PTx在正式开始沟通之前,会先送出一个微弱的电信号,以侦测目前充电系统中的共振频率与共振强度(Pre-Power FOD Step.1),最后PTx再传送 Digital Ping 来尝试唤醒PRx。

  3. Configuration Phase:
  4. PRx向PTx表明自己的需求,随后两者建立BPP(小瓦数)的沟通,最后,PTx决定是否要进入EPP(中高瓦数)的沟通。 (BPP与EPP的介绍,请参考另一篇文章【WPC Qi 无线充电标准入门介绍与测试】)

  5. Negotiation Phase(只有EPP才有这阶段的沟通):
  6. PRx 提供自身参考共振频率与参考共振强度,PTx 用这两个值与在 “Ping Phase” 量测出的值,判断 FO 存在的可能性,并将结果告知 PRx,若判断出 FO 的可能性过高,则离开 “Negotiation Phase” 并维持 BPP 的沟通,或是不进行充电。 (Pre-Power FOD Step.2-5)

  7. Power Transfer Phase:
  8. PTx开始对PRx进行充电,PRx以一定的规律向PTx告知自身得到的电量,PTx根据得到的值,估算被FO分散掉的电量,若计算出的值超过一定的门槛,则降低充电瓦数或是中断供电。(In-Power FOD)

    3: PTx  PRx 的沟通过程

 

结论

无线充电的技术,为人类生活带来极大的便利,然而,不像有线充电,可以限定只有被充电线接着的才是被充电的产品,无线充电不能限定被充电的物品,可能会有将能量意外传输给异物的风险,然后将异物加热到危险的温度而引发意外。这也是为什么无线充电必须有配套措施,来侦测异物存在的可能性,并在发现异物时降低充电瓦数,或是直接中断充电。为了达成这项任务,需要PRx在开始充电前,就先提供自身共振频率的相关资讯,让PTx进行比对;或是在充电进行过程中,PRx以一定的规律告诉PTx自己接收到多少电量,让PTx计算异物是否吸收过多的电量,以免造成危险。

 

参考文献

  • Foreign Object Detection, Qi Specification V1.3, January 2021
  • Communications Protocol, Qi Specification V1.3, January 2021
 

作者介绍

GRL 资深测试工程师  蔡礼全 Allen Tsai

国立清华大学材料所。熟悉 Thunderbolt Host与Device的Functional功能性测试规范、TCM 的使用流程与相容性测试问题解析,并负责Qi无线充电产品的测试,希望能够协助客户共同解决问题。

 

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Published by GRL team Jul 6, 2022