无线充电中精确的异物侦测

影片展示:https://www.youtube.com/watch?v=On90sdkUtig

无线充电为供电端(以下简称TX)以电磁波形式传递能量到受电端(以下简称RX)，即电力不经过导体由TX传送到RX。其电磁波能量依操作频率之特性对介质有不同反应，市售无线充电产品其工作频率不超过10MHz，而高功率无线充电系统主要工作频率约在100KHz，这个频段下电磁能量对非金属物质呈现大部分穿透的特性，但对金属物质会产生剧烈加热反应导致发生灾难，在TX与RX之间检测有害金属是无线充电必要的技术，本文将解说在TX上进行异物检测(ForeignObjectDetection;业界通称FOD)之技术。

参照表1.我们将金属异物依TX装置工作状态分成以下三个种类：

状况A:TX待机模式，TX装置检测没有RX装置存在工作范围内，若范围内不存在RX就不进行电力传送。状况B:TX电力传输模式，RX装置在TX装置工作范围内经过装置认证后开始电力送送。状况C:TX待机模式，TX线圈工作范围内NFC装置检查，先检查TX线圈上是否有NFC装置，若有NFC装置则不进电力传送。

所以金属异物检测分成在有TX待机下(状况A.);TX与RX两端电力传送期间(状况B.)两种不同状况。另外一种异物为近场通讯装置(Near-fieldcommunication；NFC)(状况C.)，其有NFC装置内线圈可接收电磁波能量进行通讯；但TX端所发送之能量对NFC装置来说过于强大将导致该装置永久损坏，在TX开始送电之前必需先检测其线圈上方若有NFC装置就不启动电力传送。

图1.为以下说明技术之实体装置，TX线圈由多股漆包线(Litzwire)所绕制，用以产生高能量电磁波发送到RX，在电力传送期间其TX线圈上若有金属就会吸收电磁波产生高温，安全机制为侦测到金属异物TX就不启动送电，TX线圈外围有印刷电路板所制作NFC侦测线圈用以侦测NFC装置存在。NFC检测技术于业界有多种解决方法，本文介绍之技术以算法为核心,仅使用少量硬件零件完成讯号分析，其成本相对其他方案较低。

图1.供电主线圈与NFC检测参考线圈(图片来源Chongdiantou)

状况A.TX装置待机下检测金属异物

以下引用UnitedStatesPatent10,587,153Intrudingmetaldetectionmethodforinductiontypepowersupplysystemandrelatedsupplying-endmodule内容进行技术解说。参照图2.为无线电力传送线圈侦测金属异物技术之电路架构图，主要包含发送电力TX装置1；接收电路RX装置2在状况A.为识别物选项，在侦测阶段装置2可以不靠近装置1感应范围，使装置1单独侦测工作范围内是否有金属异物；待判别的目标物3。在TX装置内配置有数字信号处理器（digitalsignalprocessor；DSP）111搭配驱动器121、122，谐振电容141、142，线圈16所构成，处理器111内有程序代码内的算法使本技术运作。解析电力传送线圈上的讯号进行FOD判别，分成在待机侦测阶段(状况A.)与在进行电力传送阶段(状况B.)两个不同的解析方式,本段先说明待机侦测阶段下的算法。

架构图中TX装置中的DSP，藉由控制脉波宽度调变（PulseWidthModulation；PWM）112输出讯号到驱动器121、122连接谐振电容141、142与线圈16，线圈与谐振电容受到驱动器开关输出切换电位后产生谐振讯号，该讯号再透过DSP内所安排的程序代码中快速控制数字模拟转换器（Digitaltoanalogconverter；DAC）113与撷取高速电压比较器（comparator）114讯号结果。本技术要精确解析线圈上的谐振讯号且在短时间内完成复杂的计算，为了完成本技术对于程序代码设计与DSP硬件性能都具有相当挑战性。电路结构为DSP内建PWM输出驱动讯号到开关组件121、122分别跨接谐振电容141、142后串接TX线圈16，142跟线圈连接处会产生谐振讯号，其谐振电压为数十伏特到上百伏特,所以要连接回DSP进行分析需要透过分压电阻131、132，注意与一般做法不同的是此处为交流讯号直接取样，有别于一般交流讯号会透过检波电路采样。经过分压电阻后输入讯号到电压比较器114，比较器的参考电压则由DAC113产生的电压作基准，而DAC输出电压设定由DSP内程序所控制。另外组件115为ADC使用于驱动过程中量测驱动电压，量测结果用于配置DAC输出电压所使用。

图2.UnitedStatesPatent10,587,153FIG.1

参照图3.讯号波形与图4.专利图式FIG.2，解说本技术透过电路架构图搭配波形图说明，波形图四个端点分别连接1＝线圈谐振讯号于142与16之间、2＝121输出之D1讯号、3＝122输出之D2讯号、4＝比较器114输出CP1讯号,在FIG.2中C1为分压电阻131、132输出到比较器114之讯号，TH为DAC113输出之电压参考准位,当C1电压高于TH电压时，比较器输出电压就会呈现高电位，程控PWM输出驱动后检测谐振讯号衰减变化，整个FOD功能完全由TX完成工作。本图侦测阶段于[标记1位置]短时间驱动、[工作区间2]量测程序两个动作重复循环，在[标记1位置]控制PWM端口输出到驱动开关组件切换电位使线圈发生谐振后进入[工作区间2]透过比较器进行量测谐振讯号衰减速度。

图3.TX装置待机下检测金属异物波形图

图4.UnitedStatesPatent10,587,153FIG.2

参照图5.为驱动器输出使线圈发生谐振之波形图，驱动器121、122为全桥驱动结构，当两端的电压为相同时就不会使线圈发生谐振，所以线圈两端同时切到高电位或低电位时，因为线圈两端没有电位差就不会谐振，但线圈上的电压会随着驱动器输出电压同步变化，在[标记1位置]之前121、122同时切换电位线圈电压随之高低变化不会谐振，在[标记2位置]121输出保持低电位，而122再次切换了一次高低输出后，线圈两端因为有电压差就开始发生谐振，此阶段侦测程序因驱动开关组件动作时间非常短所以耗电量相当低，在[标记3位置]线圈电压与驱动器输出电压相同之处，启动ADC转换量测电压值用来设定后续的量测电压所使用。

图5.TX待机下FOD检测谐振波形

参照图6.为设定DAC比较器基准电压程序，图中[标记位置1]驱动器输出电压，[标记位置2]为谐振后第一个波峰，[标记虚线3]为设定DAC输出基准电压。先量测[标记位置1]驱动电压然后以固定比率推算出[标记虚线3]准位电压，此做法可以确保在不同的驱动电压下都有稳定的谐振衰减时间长度，排除因为使用固定基准电压在驱动电压变动后其衰减时间长度跟着变动造成误判。谐振后第一个波峰[标记位置2]高度约是在驱动电压1/2，在本技术范例中设定第一个[标记虚线3]的判别基准电压为驱动电压的1/4，可确保一定能够触发比较器输出。

图6.驱动电压与谐振电压之关系

参照图7.与图8.专利图式FIG.3.说明设定DAC比较器多阶基准电压程序，[区段1]设定比较器基准电压为1/4驱动器输出电压、[区段2]设定为1/8、[区段3]设定为1/16，为了正确判读衰减速度于每一阶基准电压设定后，[4]没有发生触发后就降低基准电压到下个阶段，[指针位置5]为基准电压最低后没有触发讯号就为本次量测谐振衰减结束时间长度。

图7.分段式电压检测

图8.UnitedStatesPatent10,587,153FIG.3

参照图9..与图8.专利图式FIG.4量测谐振衰减结束时间长度，没有金属异物的谐振讯号衰减时间结束点于[标记位置1]。线圈发生谐振后外在阻力较低的状况下线圈还会振荡很长一段时间才会停下来，停止驱动后线圈谐振开始自然衰减速度跟线圈与电容的搭配有关，同一规格的线圈与电容其衰减速度会接近，所以设计新线圈与电路需要先在试作阶段，找出衰减时间平均值当作判别依据。

图9.无金属异物谐振衰减结束时间

图10.UnitedStatesPatent10,587,153FIG.4

参照图11.为TX线圈上有金属异物其衰减时间变短之波形图，线圈上有金属物体就会加快谐振衰减的速度，有微小金属物体其衰减结束时间就会到[位置标记2]的位置，此量测技术非常敏锐，其判别基础为线圈上的电磁能量之阻力量测，若线圈上有会吸收电磁能量的物体就会让衰减速度变快，所以是要对无线充电有危害的物体都可以被识别出。当有大型金属物体就会大幅吸收能量使衰减速度非常快，结束时间就落在[位置标记3]位置，判别讯号要先知道线圈出厂值没有金属异物下衰减时间[位置标记1]分布位置，再于软件内设定[位置标记4]为临界线，只要量测结果比临界线短就判为有金属异物存在不启动电力传送。

图11.有金属异物波形与判别临界谐振衰减结束时间

参照图12.为对RX预先充电程序，正常金属异物吸收电磁能量造成谐振讯号衰减速度变快致线圈讯号呈线性衰减，

但刚放上RX时整流器的动作与后面电容会快速不规律吸收能量，使线圈上的谐振讯号有不规则衰减状况，此状况会误判为有金属异物不去启动正常工作之RX。因正常工作的RX上的电容为空时，异常吸收线圈上的讯号导致误判为有金属异物，而用来检测的单一短暂驱动讯号无法对RX上的大电容进行充电，所以另外加一个设计当疑似有RX端靠近时，就在检测周期的区间插入一段预充电的驱动，这个的目的在于对RX上的电容进行充电，但驱动的时间还是很短，不会启动RX上的数据通讯机制。预充电的动作可将RX上的电容充电，等电容上的电充满了之后就不会大幅吸收检测用的谐振讯号，若还是发现谐振衰减速度比较快表示有金属异物存在，就不启动送电之动作。

图12.TX待机下FOD检测对RX预先充电

状况B.TX与RX电力传输过程中,检测线圈之间金属异物插入

以下引用UnitedStatesPatent10,594,168Intrudingmetaldetectionmethodforinductiontypepowersupplysystemandrelatedsupplying-endmodule内容进行技术解说。参考图13.专利图式FIG.1为无线电力传送过程中，侦测线圈之间金属异物技术电路架构图；与待机模式状况A.的差别在于不需要组件115。状况B.为装置1与装置2的线圈接近到工作范围内进行电力传输，故装置1与装置2都是必需存在的要件，而判别目标物3为线圈之间可能存在的异物需要进行判别，若是有危害成分的金属就令装置1停止电力输出保护系统安全.

图13.UnitedStatesPatent10,594,168FIG.3

参照图14.与图15.专利图式FIG.3为TX与RX传送电力过程中进行FOD检测，D1、D2分别为驱动器121、122输出讯号，传送电力是靠驱动器持续进行开关动作使TX线圈维持谐振产生电磁能量发送，一旦停止驱动器切换开关动作就会停止发送能量，即停止传送能量到RX端；在电力传送过程中停止驱动器动作是非常不合理操作，但为了侦测FOD需要暂停驱动器输出量测谐振讯号衰减状态，这个作法实作上相当困难，在接合阶段越容易发生讯号暴冲导致硬件损毁。[程序1]PWM停止程序、[程序2]侦测程序、[程序3]接合程序，驱动器停止在一端高、一端低的状态是因线圈讯号侦测电路是靠近其中一端，所以为了量测容易会把侦测端保持在高电位。与前段所描述的技术于短暂驱动后停止驱动进行讯号衰减检测不同之处，在于送电过程中为常时连续驱动而暂停驱动区间进行讯号衰减检测，而暂停驱动器之时间长度会影响电力传送，实作上必需尽量缩短暂停驱动之时间。

图14.电力传送过程中FOD检测程序

图15.UnitedStatesPatent10,594,168FIG.3

参照图16.为暂停驱动后谐振波形，[位置Z]停止驱动后第一个波峰、[位置1]量测第1个波峰、[位置2]量测第2个波峰，暂停驱动后次个[位置Z]波峰非完整自谐振周期，所以略过不量测。量测波峰高度是利用DAC调整电压，监测比较器输出状态来判别波峰的高度，动作原理为波形电压比DAC基准电压高比较器就输出高电位，反之就输出低电位。FOD的计算条件为取得相邻波峰的高度后计算其斜率，也就是并不需要取得波峰高度的绝对值，以[位置3][位置4]为波峰的量测值，采用相对值就能计算斜率。

图16.暂停驱动器后取出自谐振波峰量测值

参照图17.说明利用DAC与比较器取得波峰讯号实作方式，过去使用DAC量测电压的方法，就是先设定一个DAC电压然后等待是否有触发，有触发就增加电压、没触发就降低电压依此循环。但在本技术中需要在单次或最少次数就能取得波峰相对高度用于计算斜率，且波峰高度可能跟前一次取得值会变化，过去作法会难以完成此功能。[电压准位1]为前一次量测电压后的值、[电压准位2]由前一次量测电压预先降低、[电压准位3]最后量测结果，波形若比前次降低，过去作法若先用[电压准位1]当侦测电压，本次量测就会捕捉不到触发，如此循环要多次检查才能真的量测到电压，若波峰高度不断变就无法完成量测，新设计为先预先降低电压到[电压准位2]当发生触发时就开始快速增加DAC电压值到脱离触发为止，而[电压准位3]就是DAC电压增加后比波形电压高之记录点，好处是每一个侦测循环都可以捕捉到一次参考值，这个设计可以在无线充电中讯号不稳定的状态下依然可以捕捉到FOD判别所需要的数值。

图17.透过调整DAC电压量测波峰与波峰间的相对值

参照图18.专利图式FIG.4暂停驱动3个谐振周期之FOD检测动作，金属异物的判别非常困难，不能因为噪声就判别有金属就停止电力传送，却要在有一点金属的状况下就进行保护动作。而金属异物的讯号量又非常小，需要可靠计算分析方法来判别。波形下列是举例说明的计算方法，量测斜率需要两个波峰高度[VB]+[VC]/[VB]-[VC]，量测到VB数值为1000；量测到VC数值为990，此计算方式得到本区段斜率为199。在设计中会先定义一个判别临界值，举例是最后一阶150，当斜率低于150就判为有金属异物。而每一阶段判别临界就增加10，第2个波峰量测完毕后计算值199还高于临界180表示在无金属异物的安全状态，就不继续量测提前接回驱动器开关动作继续送电。

波峰／振荡周期	B	C	×	×	×
峰值触发电压	1000	990	×	×	×
衰减参数	199	×	×	×
临界值	180	170	160	150

图18.UnitedStatesPatent10,594,168FIG.4

参照图19.专利图式FIG.5暂停驱动4个谐振周期之FOD检测动作，量测FOD讯号时常会因为一些干扰噪声产生一些错误值，若是因为一个错误值就停止送电会让系统可靠度降低，又不能放过疑似金属异物的讯号，所以判别需要多段式分析才能判别。[波峰B]与[波峰C]计算出斜率166低于临界线180，所以继续侦测下一组[波峰C]与[波峰D]的斜率，计算出179大于170则判别为没有金属异物，即接回驱动器开关动作继续送电。停止驱动时间越长会降低无线充电效率与增加重新接合的冲击会影响EMI的结果，所以在没有金属异物状况下要尽可能缩短停止驱动时间。

波峰／振荡周期	B	C	D	×	×
峰值触发电压	1000	988	977	×	×
衰减参数	166	179	×	×
临界值	180	170	160	150

图19.UnitedStatesPatent10,594,168FIG.5

参照图20.专利图式FIG.7此为有金属异物的状况，最后[波峰E][波峰F]的计算斜率为118低于临界值150，判为有金属异物。但也不会立即切断供电，而将量测的结果加到累加计数器，等数值累加到额定值以上就判定为有金属异物切断供电，因为FOD执行速度极快且频繁，若在电力传送过程中TX与RX中间插入硬币大小的金属体，实作在1秒之内就可以切断电力传送，在金属因电磁波加热到高温之前就进行保护动作。

波峰／振荡周期	B	C	D	E	F
峰值触发电压	1000	984	968	952	936
衰减参数	124	122	120	118
临界值	180	170	160	150

图20.UnitedStatesPatent10,594,168FIG.7

参照图21.专利图式FIG.9此为极限缩短驱动器暂停时间的应用例，量测斜率至少要[波峰B]与[波峰C]两个点，如果前一次测量[波峰B][波峰C]两点的斜率为无金属异物的安全范围，本次量测[波峰B]电压的数值于前一次[波峰B]电压接近，就可以视为系统在稳定状态下且无金属异物。此设计可以将中断供电的时间缩到最短，为了保险起见设计中就算连续[波峰B]都为相似值，也会固定时间重复测量[波峰B][波峰C]的斜率，再次确认金属异物侦测状态。

图21.UnitedStatesPatent10,594,168FIG.9

状况C.TX待机下,检测TX线圈工作范围内是否有NFC装置

以下引用UnitedStatesPatent10,615,645PowersupplydeviceofinductiontypepowersupplysystemandNFCdeviceidentificationmethodofthesame内容进行技术解说。参照图22.专利图式FIG.1辅助NFC检测线圈电路结构图，一般侦测NFC需要专用NFC卡片阅读机可以侦测与存取NFC装置上数据，增加卡片阅读机需要额外的硬件成本，在无线充电中并不需要去存取NFC装置上数据，而是有NFC装置就不启动电力传送；所以下图是一个简易型NFC识别装置，只要简单几个组件搭配DSP内部配置PWM、DAC、电压比较器就可以完成NFC检测动作。组件102为主要电力传输线圈，组件104为参考线圈。搭配谐振电容116A、116B、116C，匹配电阻118A、118B，连接PWM发生器108，参考线圈接收该驱动讯号产生谐振进而发送侦测讯号。NFC检测方式为周期性在参考线圈上发送13.56MHz的讯号，安排动作周期与主线圈金属异物检测时间错开，主线圈的能量会干扰到参考线圈上的讯号。NFC是很特别的金属异物，其吸收的能量很小无法用金属识别的方式侦测，其本身可以产生调制讯号，但需要专用卡片阅读机装置才能读取编码，本设计的用意在于用一个简易硬件电路搭配算法就可以侦测是否有NFC装置。

图22.UnitedStatesPatent10,615,645FIG.1

参照图23.专利图式FIG.2参考线圈NFC装置侦测程序，要侦测NFC装置需先仿真与NFC专用卡片阅读机相似的讯号，[T1]开始驱PWM后参考线圈开始谐振，因为驱动力很小所以线圈上的谐振讯号也不会太大；驱动后线圈开始发送能量，若上方有NFC装置就会开始接收电力准备启动。[T3]侦测时间结束就停止PWM驱动。[T2]仿真NFC数据请求讯号，在标准NFC装置感应过程中并不会直接反馈数据编码，必须从卡片阅读机先发送数据请求才会开始反馈调制讯号。

图23.UnitedStatesPatent10,615,645FIG.2

参照图24.专利图式FIG.3A与FIG.3B，于参考线圈NFC装置判读数据程序，驱动后NFC线圈开始发生谐振其振幅并不固定，因参考线圈电感量与电容匹配不稳定，为了要锁定电压在侦测的DAC于前段开始追踪讯号波峰，当比较器有触发就提高DAC电压，反之没触发就降低电压。经过[T1]追踪准位区段DAC电压会贴近于波峰使DAC电压与振幅接近，[T2]透过暂停驱动PWM产生调制讯号用来仿真出NFC卡片阅读机的数据请求讯号，设定检查上凸与下凹设定讯号DAC电压[V2]与[V3]。NFC调制讯号会因位置、卷标与卡片种类等因素影响，数据讯号可能会上凸跟下凹两种，在此主要为找出NFC讯号特征，并不需要完整译码NFC数据内容，所以判别方式为分前后段，交替找出上凸与下凹的讯号特征，该讯号特征可以用来判别是否有NFC装置存在。若有发现NFC的讯号特征，就判为有NFC装置不开启无线充电。NFC检测动作只有在TX与RX未感应即电力传送动作之前进行侦测，若在TX与RX感应进行电力传送过程中，再插入NFC到TX与RX线圈之间，NFC装置会受到无线充电之电磁能量立即烧毁，没有侦测的必要了。

图24.UnitedStatesPatent10,615,645FIG.3

FOD检测技术都无线充电供电端上所完成，当检测出有金属异物时供电主线圈就不发送能量，防止电磁波能量对线圈上的金属加热导致危险。在待机下可以用严格的条件进行金属异物侦测，只要些微金属异物检出就不启动送电动作，直到金属异物排除为止；但在电力传送过程中就需要反复解析讯号，确认金属异物存在才能切断电力，因为电力传送过程中会有各种干扰因素导致误判。另外提供简易NFC检测方式，性能虽然比不上正规NFC卡片阅读机装置，但此方式提供非常低成本的选择，NFC检测主要在小型线圈才适用。以上介绍之技术在讯号处理上有一个特点，全部都是直接在DSP上直接处理线圈讯号，在电路上并没有滤波器之设计，谐振讯号可以量测时间很短所以这些技术考验DSP性能与控制程序设计能力。若是传统方式透过滤波器或检波电路去处理谐振讯号，则讯号特征会被过滤除去无法识别，所以无滤波器讯号处理是完成以上FOD检测技术之关键。

责编：Amy.wu

关键词： 金属异物 基准电压 卡片阅读机