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異物偵測技術排除有害金屬 中高功率無線充電安全第一

2018-10-30
中高功率無線充電主要的工作頻率約在100kHz,其電磁能量會讓金屬物質產生劇烈加熱反應,因此有必要在開始無線充電之前,先檢測TX與RX之間是否有金屬異物存在。這裡將介紹在TX上進行的異物檢測(FOD)技術,若有害金屬則事前移除,避免發生災害。

無線充電為供電端(以下簡稱TX)以電磁波形式傳遞能量到受電端(以下簡稱RX),亦即電力不經過導體,而是由TX傳送到RX。其電磁波能量依操作頻率的特性,對介質有不同反應,市售無線充電產品其工作頻率不超過10MHz,而中高功率無線充電系統主要工作頻率約在100kHz,在這個頻段下,電磁能量對非金屬物質呈現大部分穿透的特性,但對金屬物質會產生劇烈加熱反應,導致發生災難,在TX與RX之間檢測有害金屬,是無線充電必要的技術,本文將解說在TX上進行異物檢測(Foreign Object Detection, FOD)的技術。

了解金屬異物種類與對策

參照表1將金屬異物依TX工作狀態分成三個種類,TX工作程序為檢測沒有RX存在工作範圍內狀況下不進行電力傳送,RX接近後進行通訊連結,確認後開始電力傳送,所以金屬異物檢測分成在只有TX待機下與兩端電力傳送期間兩種不同狀況。

表1 金屬異物種類與對策

另外一種異物為近場通訊(Near-Field Communication, NFC)裝置,其有線圈可接收電磁波能量進行通訊;但TX端所發送的能量對NFC裝置來說,若過於強大,將導致該裝置永久損壞,在TX開始送電之前,必須先檢測其線圈上方若有NFC裝置,就不啟動電力傳送。

認識供電主線圈及NFC檢測輔助線圈

圖1為以下說明技術之實體裝置,TX線圈由多股漆包線所繞製,用以產生高能量電磁波發送到RX,在電力傳送期間,其TX線圈上若有金屬,就會吸收電磁波產生高溫,安全機制為偵測到金屬異物,TX就不啟動送電,TX線圈外圍有印刷電路板所製作偵測線圈用以偵測NFC裝置存在。

FOD技術於業界有多種解決方法,本文介紹之FOD,僅分析TX線圈訊號,就精確判別與穩定運作技術,其使用硬體零件數量少,成本相對較低。

圖1 供電主線圈與NFC檢測輔助線圈

看懂FOD技術之電路架構

參照圖2為FOD技術之電路架構圖,其主要為一個數位訊號處理器(Digital Signal Processor, DSP)搭配驅動器、諧振電容、線圈所構成,微處理器(MPU)內有程式碼讓FOD技術運作。這裡要說明的技術為如何解析線圈上的訊號進行FOD判別,分成在待機偵測階段與在進行電力傳送階段兩個不同的解析方式。

圖2 主線圈FOD檢測電路架構圖

架構圖中左側方框中為DSP內部配置,藉由控制脈波寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)輸出訊號到驅動器連接諧振電容與線圈,線圈與諧振電容受到驅動器開關輸出切換電位後產生諧振訊號,該訊號再透過DSP內所安排的程式碼中快速控制本體數位類比轉換器(Digital to Analog Converter, DAC)與擷取高速電壓比較器(Comparator)訊號結果。本技術要精確解析線圈上的諧振訊號,且在短時間內完成複雜的計算,為了完成本技術對於程式碼設計與DSP硬體性能都具有相當挑戰性。

電路結構為DSP內建PWM輸出驅動訊號到開關元件U4、U5,分別跨接諧振電容CX4、CX5後串接TX線圈,CX4與線圈連接處會產生諧振訊號,其諧振電壓為數十伏特(V)到上百伏特,所以要連接回DSP進行分析,須要透過分壓電阻。須注意與一般做法不同的是,此處為交流訊號直接採樣,有別於一般交流訊號會透過檢波電路採樣。經過分壓電阻後輸入訊號到DSP內部電壓比較器,比較器的參考電壓則由DAC產生的電壓作基準,而DAC設定由DSP內程式所控制。

在TX待機下檢測FOD程序

參照圖3訊號波形,解說本技術透過電路圖搭配波形圖說明,波形四個端點分別連接1=線圈諧振訊號、2=U5輸出、3=U4輸出、4=比較器2輸出;程式控制PWM輸出後再檢測諧振訊號變化,整個FOD功能完全由TX完成工作。本圖進行偵測階段為[1]短時間驅動、[2]量測程序兩個動作重複循環,在[1]程式控制PWM端口輸出驅動開關元件,讓線圈發生諧振後進入程序[2],再透過比較器進行量測諧振訊號衰減速度。

圖3 TX待機下檢測FOD程序

在TX待機下FOD檢測諧振波形

參照圖4為驅動器輸出使線圈發生諧振之波形圖,驅動器U4、U5為全橋驅動結構,當兩端的電壓為相同時,就不會使線圈發生諧振,所以線圈兩端同時切到高電位或低電位時,線圈兩端沒有電位差不會諧振,但線圈電壓會隨驅動器輸出電壓同步變化。

圖4 TX待機下FOD檢測諧振波形

在[1]處,U4、U5同時切換電位線圈電壓隨之高低變化不會諧振,在[2]位置,U5輸出保持低電位,而U4再次切換了一次高低輸出後,線圈兩端因為有電壓差就開始發生諧振,此階段偵測程序因驅動開關元件動作時間非常短所以耗電量相當低。而在[3]所在,線圈電壓與驅動器輸出電壓相同之處,啟動ADC轉換量測電壓值,用來設定後續的量測電壓所使用。

了解驅動電壓與諧振電壓的關係

參照圖5為設定DAC比較器基準電壓程序,圖中的[1],驅動器輸出電壓,而[2]所在,諧振後第一個波峰,[3]則設定DAC2判別基準電壓。先量測[1]的驅動電壓然後,以固定比率推算出[3]所在的準位電壓,此做法可以確保在不同的驅動電壓下都有穩定的諧振衰減時間長度,排除因為使用固定基準電壓在驅動電壓變動後,其衰減時間長度跟著變動造成誤判。

圖5 驅動電壓與諧振電壓的關係

諧振後第一個波峰[2]高度約是在驅動電壓的二分之一,所以設定第一個[3]之處的判別基準電壓為驅動電壓的四分之一,可確保一定能夠觸發比較器輸出。

進行分段式電壓檢測

參照圖6為設定DAC比較器基準電壓程序,階段[1]設定比較器基準電壓為四分之一驅動器輸出電壓、階段[2]設定為八分之一、階段[3]設定為十六分之一,為了正確判讀衰減速度於每一階基準電壓設定後,[4]所在沒有發生觸發後就降低基準電壓到下個階段,而[5]所在為基準電壓最低後沒有觸發訊號,就為本次量測諧振衰減結束時間長度。

圖6 分段式電壓檢測

無金屬異物諧振衰減結束時間

參照圖7,量測諧振衰減結束時間長度,沒有金屬異物的諧振訊號衰減時間結束點[1]。線圈發生諧振後外在阻力較低的狀況下線圈還會振盪很長一段時間才會停下來,停止驅動後線圈諧振開始自然衰減速度跟線圈與電容的搭配有關,同一規格的線圈與電容其衰減速度會接近,所以設計新線圈與電路必須先在試作階段,找出衰減時間平均值當作判別依據。

圖7 無金屬異物諧振衰減結束時間

有金屬異物與判別臨界諧振衰減結束時間

參照圖8為TX線圈上有金屬異物其衰減時間變短之波形圖,線圈上有金屬物體就會加快諧振衰減的速度,有微小金屬物體其衰減結束時間就會到[2]的位置,此量測技術非常敏銳,其判別基礎為線圈上的電磁能量阻力量測,若線圈上有會吸收電磁能量的物體就會讓衰減速度變快,所以是要對無線充電有危害的物體都可以被識別出。

圖8 有金屬異物與判別臨界諧振衰減結束時間

當有大型金屬物體就會大幅吸收能量使衰減速度非常快,結束時間就落在[3]位置,判別訊號要先知道線圈出廠值沒有金屬異物下衰減時間[1]分布位置,再於軟體內設定[4]為臨界線,只要量測結果比[4]短就判為有金屬異物存在不啟動電力傳送。

TX待機下FOD檢測對RX預充電

參照圖9為對RX預充電程序,正常金屬異物吸收電磁能量造成諧振訊號衰減速度變快,導致線圈訊號呈線性衰減,但剛放上RX時,整流器的動作與後面電容會快速不規律吸收能量,使線圈上的諧振訊號有不規則衰減狀況,此狀況會誤判為有金屬異物不去啟動正常工作之RX。因正常工作的RX上的電容為空時,異常吸收線圈上的訊號導致誤判為有金屬異物,而用來檢測的單一個驅動訊號無法對RX上的大電容進行充電,所以另外加一個設計當疑似有RX端靠近時,就在檢測周期的區間插入一段預充電的驅動,這個的目的在於對RX上的電容進行充電,但驅動的時間還是很短,不會啟動RX上的資料通訊機制。

圖9 TX待機下FOD檢測對RX預充電

預充電的動作可將RX上的電容充電,等電容上的電充滿了之後,就不會大幅吸收檢測用的諧振訊號,若還是發現諧振衰減速度比較快,表示有金屬異物存在,就不啟動送電的動作。

電力傳送過程中進行FOD檢測程序

參照圖10為TX與RX傳送電力過程中進行FOD檢測,傳送電力是靠驅動器持續進行開關動作讓TX線圈維持諧振產生電磁能量發送,一旦停止驅動器切換開關動作就會停止發送能量,即停止傳送能量到RX端。

圖10 電力傳送過程中FOD檢測程序

在電力傳送過程中停止驅動器動作是非常不合理操作,但為了偵測FOD需要暫停驅動器輸出量測其諧振訊號衰減狀態,這個方法在實作上相當困難,在接合階段越容易發生暴衝導致硬體損毀。

圖中的[1]代表PWM停止程序,[2]為偵測程序,[3]則是接合程序,驅動器停止在一端高、一端低的狀態,是因線圈訊號偵測電路是靠近其中一端,所以為了便於量測,會把偵測端保持在高電位。與前段所描述的技術不同之處,在於送電過程中暫停驅動器之時間長度會影響電力傳送,實作上必須盡量縮短暫停驅動的時間。

暫停驅動器後取出自諧振波峰量測值

參照圖11為暫停驅動後諧振波形,[Z]為停止驅動後第一個波峰、[1]是量測第1個波峰、[2]為量測第2個波峰,暫停驅動後次個波峰非完整自諧振周期,所以略過不量測[Z]。

圖11 暫停驅動器後取出自諧振波峰量測值

量測波峰高度是利用DAC調整電壓,監測比較器輸出狀態來判別波峰的高度,動作原理為波形電壓比DAC基準電壓高比較器就輸出高電位,反之,就輸出低電位。FOD的計算條件為取得相鄰波峰的高度後計算其斜率,也就是並不須要取得波峰高度的絕對值,以[3]、[4]為波峰的量測值,採用相對值就能計算斜率。

調整DAC電壓量測波峰與波峰間的相對值

參照圖12來說明利用DAC與比較器取得波峰訊號實作方式,過去使用DAC量測電壓的方法,就是先設定一個DAC電壓然後等待是否有觸發,有觸發就增加電壓、沒觸發就降低電壓依此循環。但在本FOD技術中須要在單次或最少次數就能取得波峰相對高度用於計算斜率,且波峰高度可能跟前一次取得值會變化,過去做法會難以完成此功能。

圖12 透過調整DAC電壓量測波峰與波峰間的相對值

其中[1]為前一次量測電壓後的值,[2]由前一次量測電壓預先降低,[3]則是最後量測結果,波形若比前次降低,過去做法若先用[1]當偵測電壓,本次量測就會捕捉不到觸發,如此循環要多次檢查才能真的量測到電壓,若波峰高度不斷變化,就無法完成量測。

新設計為先預先降低電壓到[2],當發生觸發時就開始快速增加DAC電壓值到脫離觸發為止,而[3]就是DAC電壓增加後比波形電壓高的記錄點,好處是每一個偵測循環都可以捕捉到一次參考值,這個設計可在無線充電中訊號不穩定的狀態下,依然可以捕捉到FOD判別所需要的數值。

電力傳送過程中FOD檢測無金屬異物量測結果

參照圖13暫停驅動三個諧振周期之FOD檢測動作,金屬異物的判別非常困難,不能因為雜訊就判別有金屬就停止電力傳送,卻要在有一點金屬的狀況下就進行保護動作。而金屬異物的訊號量又非常小,需要有可靠計算分析方法來判別。

圖13 電力傳送過程中FOD檢測無金屬異物量測結果

波形下列是舉例說明的計算方法,量測斜率需要兩個波峰高度[1]+[2]和[1]-[2],此計算方式得到本區段斜率。在設計中會先定義一個判別臨界值,舉例是最後一階150,當斜率低於150就判為有金屬異物。而每一階段判別臨界就增加10,第二個波峰量測完畢後,計算值199還高於臨界180,表示在無金屬異物的安全狀態,就不繼續量測,提前接回驅動器開關動作繼續送電。

電力傳送過程中FOD檢測疑似有金屬異物量測結果

參照圖14,暫停驅動四個諧振周期之FOD檢測動作,量測FOD訊號時常會因為一些干擾雜訊產生一些錯誤值,若是因為一個錯誤值就停止送電,會讓系統可靠度降低,又不能放過疑似金屬異物的訊號,所以判別需要多段式分析才能判別。

圖14 電力傳送過程中FOD檢測疑似有金屬異物量測結果

圖中波峰[1]、[2]計算出,斜率166低於臨界線180,所以繼續偵測下一組波峰[2]和[3]的斜率,計算出179大於170,則判別為沒有金屬異物,即接回驅動器開關動作繼續送電。停止驅動時間越長,會降低無線充電效率,而增加重新接合的衝擊,會影響EMI的結果,所以在沒有金屬異物狀況下要盡可能縮短停止驅動時間。

電力傳送過程中FOD檢測有金屬異物量測結果

參照圖15,此為有金屬異物的狀況,最後[4]與[5]的計算斜率為118,低於臨界值150,判為有金屬異物。但也不會立即切斷供電,而將量測的結果加到累加計數器,等數值累加到額定值以上,就判定為有金屬異物切斷供電。因為FOD執行速度極快且頻繁,若在電力傳送過程中,TX與RX中間插入硬幣大小的金屬體,實作在1秒左右就可以切斷電力傳送,在金屬因電磁波加熱到高溫之前,就進行保護動作。

圖15 電力傳送過程中FOD檢測有金屬異物量測結果

FOD檢測過程將暫停驅動器時間縮到最短

參照圖16,此為極限縮短驅動器暫停時間的應用例,量測斜率至少要[1]和[2]兩個點,如果前一次測量[1]和[2]兩點的斜率為無金屬異物的安全範圍,本次量測[1]波峰電壓的數值於前一次[1]波峰電壓接近,就可以視為系統在穩定狀態下且無金屬異物。

圖16 FOD檢測過程將暫停驅動器時間縮到最短

此設計可以將中斷供電的時間縮到最短,為了保險起見,設計中就算連續[1]都為相似值,也會固定時間重複測量[1]與[2]的斜率,再次確認金屬異物偵測狀態。

看懂NFC檢測輔助線圈電路架構

參照圖17輔助NFC檢測線圈電路結構圖,一般偵測NFC需要專用NFC讀卡機,來偵測與存取NFC裝置上資料,但增加讀卡機需要額外的硬體成本,在無線充電中並不需要去存取NFC裝置上資料,而是有NFC裝置,就不啟動電力傳送;所以圖17是一個簡易型NFC識別裝置,只要簡單幾個元件搭配DSP內部配置PWM、DAC、電壓比較器,就可以完成NFC檢測動作。

圖17 NFC檢測輔助線圈電路架構圖

認識NFC檢測程序

參照圖18,NFC檢測方式為周期性在輔助線圈上發送13.56MHz的訊號,安排動作週期與主線圈金屬異物檢測時間錯開,主線圈的能量會干擾到輔助線圈上的訊號。NFC是很特別的金屬異物,其吸收的能量很小,無法用金屬識別的方式偵測,其本身可以產生調製訊號,但需要專用讀卡機裝置才能讀取編碼。

本設計的用意在於用一個簡單的檢查方法就可以偵測是否有NFC裝置。[1]為主線圈金屬異物偵測程序,[2]為輔助線圈NFC裝置偵測程序。

圖18 NFC檢測程序

分析NFC檢測驅動訊號

參照圖19輔助線圈NFC裝置偵測程序,要偵測NFC裝置須先模擬與NFC專用讀卡機相似的訊號,[1]所在開始驅動PWM後,輔助線圈開始諧振,因為驅動力很小,所以線圈上的諧振訊號也不會太大;驅動後,線圈開始發送能量,若上方有NFC裝置,就會開始接收電力準備啟動。而[2]位置,偵測時間結束,就停止PWM驅動。[3]為模擬NFC資料請求訊號,NFC裝置並不會直接反饋資料編碼,必須從讀卡機先發送資料請求,才會開始反饋調製訊號。

圖19 NFC檢測驅動訊號

模擬NFC資料請求訊號

參照圖20輔助線圈NFC裝置判讀資料程序,驅動後NFC線圈開始發生諧振其振幅並不固定,因輔助線圈電感量與電容匹配不穩定,為了要鎖定電壓在偵測的DAC於前段開始追蹤訊號波峰,當比較器有觸發,就提高DAC電壓,反之,沒觸發就降低電壓。

圖20 模擬NFC資料請求訊號

經過[1]追蹤準位區段,DAC電壓會貼近於波峰,讓DAC電壓與振幅接近,[2]則透過暫停驅動PWM產生調制訊號,用來模擬出NFC讀卡機的資料請求訊號,而[3]檢查上凸訊號加高DAC電壓,[4]檢查下凹訊號降低DAC電壓。

NFC調製訊號會因位置、標籤與卡片種類等因素影響,資料訊號可能會上凸跟下凹兩種,在此主要為找出NFC訊號特徵,並不需要完整解碼NFC資料內容,所以判別方式為分前後段,先找上凸,再找下凹,[5]則是資料檢測時間,在檢測時間結束後,就停止PWM驅動。

判別有NFC資料訊號

參照圖21,有找到NFC特徵的波形,[1]所在位置用較高的DAC電壓檢查上凸,整段沒觸發,判為無NFC,[2]所在則用較低的DAC電壓檢查下凹,發現有部分無觸發,表示有NFC訊號特徵[3]。在[1]、[2]其中一段有發現NFC的訊號特徵,就判為有NFC裝置不開啟無線充電。

圖21 判別有NFC資料訊號

NFC檢測動作只有在TX與RX未感應,亦即電力傳送動作之前進行偵測,若在RX感應進行電力傳送後,再插入NFC到TX與RX線圈之間,NFC裝置會受到無線充電的電磁能量而立即燒毀,便沒有偵測的必要了。

FOD檢測技術是在無線充電供電端上所完成,當檢測出有金屬異物,供電主線圈就不發送能量,防止電磁波能量對線圈上的金屬加熱導致危險。

在待機下,可以用嚴格的條件進行金屬異物偵測,只要些微金屬異物檢出,就不啟動送電動作,直到金屬異物排除為止;但在電力傳送過程中,就須要反覆解析訊號,確認金屬異物存在,才能切斷電力,因為電力傳送過程中會有各種干擾因素導致誤判。另外,提供簡易NFC檢測方式,性能雖然比不上正規NFC讀卡機裝置,但此方式提供非常低成本的選擇,NFC檢測主要在小型線圈才適用。

電路中無濾波器 考驗DSP設計能力

以上介紹的技術,在訊號處理上有一個特點,全部都是在DSP上直接處理線圈訊號,在電路上並沒有濾波器的設計,諧振訊號可以量測時間很短,所以這些技術考驗DSP性能與控制程式設計能力。若是傳統方式透過濾波器或檢波電路去處理諧振訊號,則訊號特徵會被濾除無法識別,所以無濾波器訊號處理是完成以上FOD檢測技術的關鍵。

(本文作者為富達通科技無線充電事業部經理)

 

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