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，ft表示充電系統中只有PTx時的共振頻率、ft’ 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。）
- 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。 - 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」） - 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） - 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
- Foreign Object Detection, Qi Specification V1.3, January 2021
- 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
