我的無線充電盤為什麼燒起來了？ | GraniteRiverLabs Taiwan

Granite River Labs, GRL
蔡禮全 Allen Tsai

你是否曾經遇過無線充電盤無法正常供電、充電中膨脹過熱、或是冒煙等狀況，真的差一點就燒起來了！其實這樣的情況並不少見，在網路上時常可以看到類似的新聞，到底為什麼無線充電盤會有以上的狀況呢？

如前一篇文章「WPC Qi 無線充電標準入門介紹與測試」所提到的，無線充電的原理是建立在電磁感應的基礎上，交流電首先通過充電盤（Power Transmitter）內的線圈而產生磁場變化，手機（Power Receiver）內的線圈感應到了磁場的變化，進而生成感應電流而達到充電的效果。由此可知，在無線充電的過程中，充電盤上方特定範圍內一定會有肉眼看不見的磁場變化，由於肉眼看不到磁場分布，使用者很容易不小心將具有磁性的物質如鑰匙、硬幣、甚至是手機殼上的金屬物件等等，誤放在充電盤上，這些磁性物質會因為接收到磁場變化，而有機會被不當加熱到危險的溫度，意外則可能因此發生。

所以，在開始無線充電前或是無線充電進行中，必須有機制可以偵測到這些外來物質，並在偵測到這些外來物質時，降低充電的瓦數或是中斷充電，就像我們一般所說的防呆機制，可以預防危險發生。在Qi規範中，這樣的機制即被稱為Foreign Object Detection（以下簡稱 FOD），此篇文章將介紹FOD的方法，以及進行無線充電時，FOD的訊息是如何溝通的。

什麼是FOD？

圖1: Foreign Object存在於無線充電系統中之示意圖（來源：Foreign Object Detection, Qi Specification V1.3, January 2021）

FOD顧名思義就是異物偵測，Foreign Object（以下簡稱FO）的存在，會影響無線充電系統的磁場分布，進而增加造成危險的可能性，因此需要FOD的機制來偵測出FO，並針對偵測結果做出相對應的解決方法。然而，接受電的產品（以下簡稱PRx）本身也內含金屬（Friendly Metal），它也會影響無線充電系統的磁場分布，它的存在大大增加了FOD的複雜性與困難度。因此，供給電的產品（以下簡稱PTx），在這裡也就是指無線充電盤，必須能夠區別無線充電系統中的是Friendly Metal還是FO，下一章節將詳細介紹FOD的方法，以及偵測到FO後對應的作法。

FOD的方法

FOD有幾種不同的方法，大部分都跟PRx向PTx提供本身的資訊有關，PTx再根據得到資訊與自身偵測到的資訊做比對，進而分析出FO存在的可能性。根據FOD的時間點，又可分為在充電開始前的偵測，稱為“Pre-Power FOD”、及在充電過程中的偵測，稱為 “In-Power FOD”。

- Pre-Power FOD

在充電開始前的FOD，主要由PTx偵測共振頻率（Resonance Frequency）與共振強度（Quality Factor）的變化，並與PRx提供的參考共振頻率（Reference Resonance Frequency）與參考共振強度（Reference Quality Factor）進行比對，進而判斷FO存在的可能性。

共振頻率與強度的變化，主要是由PRx內的屏蔽（Shielding）與Friendly Metal造成：PRx內的屏蔽的接近會增加PTx線圈的電感，進而降低整體的共振頻率；而Friendly Metal因為會吸收掉部分的電，而降低共振強度。圖2顯示出共振被PRx和FO影響的結果，f_t表示充電系統中只有PTx時的共振頻率、f_t’ 代表PRx存在於充電系統中時的共振頻率、虛線代表FO和PRx同時存在於充電系統中時的共振頻率。

圖2: PRx 與 FO 造成的共振變化（來源：Foreign Object Detection, Qi Specification V1.3, January 2021）

PTx可以藉由量測整個充電系統中的共振頻率（ft’）與共振強度（Qt’），來決定FO存在的可能性，同時，這也需要PRx的幫助，PRx必須提供自身參考共振頻率（ft’ ^(ref)）與參考共振強度（Qt’ ^(ref)），這是因為某單一PRx造成的共振改變，有可能跟另一組PRx + FO造成的共振改變相同。

注意：這邊的 ft’ ^(ref) 和 Qt’ ^(ref) 並不代表PRx的共振數值，相反的，它們反映出PRx是如何影響PTx與整個系統中的共振數值。這兩個參考值可以藉由將PRx放在一個參考的PTx系統中進行測量，並根據公式計算得出。對細節有興趣者，可參考Foreign Object Detection, Qi Specification V1.3。

因此，根據以上的敘述，充電開始前的FOD方法，可以整理成以下的步驟：

Step.1 PTx 量測充電系統中的共振數值，也就是 ft’ 和 Qt’

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

Step.3 PTx 比對以上的數值，並判斷 FO 存在的可能性

Step.4 PTx 告訴 PRx FO 存在的可能性是否超過某個特定的門檻

Step.5 若系統判斷 FO 存在的可能性過高，則會降低供電瓦數或是不進行充電

- In-Power FOD

上述的作法，適用在還沒開始充電前，若已經在充電的過程中，FO才不小心被放入整個系統中，這時則需要另一種FOD的方法。這個方法仰賴PRx以固定的規律，向PTx 回傳自己接收到的電量，PTx再藉由PRx提供的數值，去估算出被分散到FO的能量多寡，若PTx估算出來的值，在某些時間段內，有機會超過某個特定的門檻（通常是500 mW），這樣的能量很有可能將FO加熱至一個不安全的溫度，因此PTx會有以下的解決方法：

• 要求 PRx 降低索取的電量
• 不管 PRx 索取的電量，直接降低供電的電量
• 中斷供電

FOD的溝通過程

PTx和PRx的溝通過程，主要有四個不同的階段：“Ping Phase” 、 “Configuration Phase” 、 “Negotiation Phase” 、 “Power Transfer Phase”。以下會簡單介紹四個階段中，PTx和PRx分別的任務，以及FOD會在不同的階段進行哪些相對應的溝通。（四個階段的溝通內容，將在未來文章中進行更詳細的介紹，請持續關注GRL發行的技術文章。）

1. Ping Phase：
   PTx在正式開始溝通之前，會先送出一個微弱的電訊號，以偵測目前充電系統中的共振頻率與共振強度（Pre-Power FOD的步驟1），最後PTx再傳送 Digital Ping 來嘗試喚醒PRx。
2. Configuration Phase：
   PRx向PTx表明自己的需求，隨後兩者建立BPP（小瓦數）的溝通，最後，PTx決定是否要進入EPP（中高瓦數）的溝通。（BPP與EPP的介紹，請參考另一篇文章「WPC Qi 無線充電標準入門介紹與測試」）
3. Negotiation Phase（只有EPP才有這階段的溝通）：
   PRx 提供自身參考共振頻率與參考共振強度，PTx 用這兩個值與在 “Ping Phase” 量測出的值，判斷 FO 存在的可能性，並將結果告知 PRx，若判斷出 FO 的可能性過高，則離開 “Negotiation Phase” 並維持 BPP 的溝通，或是不進行充電。（Pre-Power FOD Step.2-5）
4. Power Transfer Phase：
   PTx開始對PRx進行充電，PRx以一定的規律向PTx告知自身得到的電量，PTx根據得到的值，估算被FO分散掉的電量，若計算出的值超過一定的門檻，則降低充電瓦數或是中斷供電。（In-Power FOD）

圖3: PTx與PRx的溝通過程

結論

無線充電的技術，為人類生活帶來極大的便利，然而，不像有線充電，可以限定只有被充電線接著的才是被充電的產品，無線充電不能限定被充電的物品，可能會有將能量意外傳輸給異物的風險，然後將異物加熱到危險的溫度而引發意外。這也是為什麼無線充電必須有配套措施，來偵測異物存在的可能性，並在發現異物時降低充電瓦數，或是直接中斷充電。為了達成這項任務，需要PRx在開始充電前，就先提供自身共振頻率的相關資訊，讓PTx進行比對；或是在充電進行過程中，PRx以一定的規律告訴PTx自己接收到多少電量，讓PTx計算異物是否吸收過多的電量，以免造成危險。

參考文獻

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

作者
GRL 資深測試工程師 蔡禮全 Allen Tsai

國立清華大學材料所。熟悉 Thunderbolt Host與Device的Functional功能性測試規範、TCM 的使用流程與相容性測試問題解析，並負責Qi無線充電產品的測試，希望能夠協助客戶共同解決問題。

本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                         

發佈日期 2022/07/06 AN-220706-TW