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？
图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。
图2: PRx 与 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’ 和 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。）
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- Ping Phase：
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。
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- Configuration Phase：
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】）
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- Negotiation Phase（只有EPP才有这阶段的沟通）：
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）
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- Power Transfer Phase：
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）
图3: PTx 与 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。