【技術文章】WPC Qi 無線充電標準入門介紹與測試

Granite River Labs, GRL
蔡宗儒 Vince Tsai

 

          雖然目前大多數的電子產品,仍是採用有線的方式進行充電,但是隨著人們對於便利性的需求提升,採用無線充電技術的產品如雨後春筍般地出現。無線充電技術使電子產品不但打破了傳統線路上的限制,更實現「隨放即充」的理想。

          然而,在突破性發展的背後,勢必會為消費者帶來一些隱憂,市面上琳琅滿目的產品不見得都能以正確的方式進行無線充電的功率傳輸,因此消費者容易對該類產品使用上的安全性和相容性產生疑慮,而由WPC (Wireless Power Consortium,無線充電聯盟)所制定的Qi無線充電標準,正是為了消除疑慮而制定的規範。

 

» WPC – Wireless Power Consortium

          WPC無線充電聯盟,成立於2008年,其主要目的為推廣無線充電產品,盡可能地使世界上所有應用無線充電技術的產品皆可相容。目前的會員人數已經超過400名,會員據點遍佈世界各地,公司性質也不盡相同,可以看出無線充電技術在各行各業已被廣泛應用,因此WPC依照瓦數及使用範圍制定了多種無線充電標準:

  • Qi standard:以中低瓦數(5W~15W)之可攜式手機及其周邊產品為主,目標為達成安全性以及全面相容性。
  • Ki Cordless Kitchen standard:以高瓦數(2200W以上)之烹飪用具為主,目標為推廣無線功率輸出應用更加融入生活。
  • Light Electric Vehicle:以電動腳踏車或電動機車市場為主,目標為提供電動載具市場更快速、便捷和安全的充電環境。
  • Industry standard:以工業應用之自動化機器為主,主要為提供更安全且有效率的充電方式。

 

          上述無線充電標準,又以Qi standard最廣為人知,目前在市場上通過Qi認證的產品已經超過5000個,且為了防範未達標準卻宣稱有Qi功能的產品擾亂市場,WPC更是規定,只有通過Qi認證之產品,才能使用Qi Logo,而且會定期在市場抽查擁有Qi Logo的產品是否仍符合標準,亦或是有違規使用Qi Logo的情形,以此達到推廣無線充電技術的最終目的;以下為Qi以及WPC無線充電聯盟之標誌(圖一):

圖1: Qi Logo 和 WPC Logo

 

» Qi – Wireless Charging Standards

          Qi(讀作“氣”或“chee”),是由WPC所制定的無線充電標準;主要目的是為了避免無線充電產品在使用上會產生的安全性以及相容性的問題,因此WPC希望所有產品都能依照Qi 無線充電標準為基準來生產,並達到推廣無線充電市場的目標;為了達成此目的,WPC規定任何Qi認證的產品,都必須通過以下兩種測試:

1. Compliance Testing

DUT需被送往ATL(Authorized Test Lab)並依照WPC所制定的Qi Specification來進行驗證,確保所有通過Qi認證的產品,都是按照目前所制定的最新標準來取得認證,測試內容如下表。

表1

 

2. Interoperability Testing(IOP)

完成Compliance Testing後,待測物需被送往IOC(Interoperability Testing Center)並與上百種先前取得Qi 認證之品進行相容性的測試,確保所有在市面上有Qi Logo的Transmitter與Receiver之間能夠建立無線充電通信協議,測試內容如下表。

表2

 

– 除了上述功能性測試之外,Qi的完整認證過程如下:

Step 1. Manufacturer填寫產品資料並選擇Authorized Test Lab 與 Interoperability Testing Center。

Step 2. 由LLA(Logo License Administrator)驗證Step 1所填資料正確無誤。

Step 3. 由ATL進行Compliance Test並上傳測試結果。

Step 4. 由IOC進行Interoperability Test並上傳測試結果。

Step 5. 由Manufacturer再次確認產品資料、型號及外觀。

Step 6. 由LLA驗證上述測試結果及資料皆正確後,該測試產品即會在已認證產品頁面上出現。

圖2: Qi認證流程

 

» Qi Power Profile Version – BPP & EPP

          隨著無線充電產品的普及,市場對於充電效率的要求也大為提升,因此WPC在制定Qi無線充電標準時,也按照輸出功率的大小將產品區分為小瓦數的BPP(Baseline Power Profile),以及中瓦數的EPP(Extended Power Profile);更由於中瓦數的EPP功率輸出較大,若在使用上與不符合Qi標準的產品進行充電,容易造成安全上的疑慮,因此在2021年初WPC發佈了Qi–V.1.3,跟以往Qi–V.1.2.4最主要的差別在於提高了測試的嚴謹度,以及透過Authentication的方式解決安全性的疑慮,以下將對不同輸出功率的產品定義以及Authentication部分進行介紹:

– 以輸出功率定義的產品類型

表 3

 

– Authentication(V.1.3)

WPC以安全性考量為出發點,在Qi–V.1.3中制訂了Authentication機制,使Receiver可藉由該過程確認Transmitter是否為Qi認證產品後,再決定要與Transmitter進行何種的充電協議。這表示當Receiver向Transmitter發起的Authentication驗證機制如未能完整地執行時,Receiver可以拒絕與Transmitter進行任何溝通或是僅可以透過最低的充電功率(5W)進行充電,藉此來確保市場上多種無線充電產品之間使用上之安全性;由於該安全性的疑慮只會在高瓦數的功率傳輸下出現,因此我們可以透過上表看到,不同輸出功率的產品,對於Authentication的規範也有所不同;舉例來說,只要是支援中瓦數EPP的Power Transmitter在Qi–V.1.3的認證中,就必須支援Authentication,而支援低瓦數BPP的Transmitter或Receiver都不需支援Authentication。

 

– Qi 認證種類

現階段來說,WPC仍可針對不同版本之產品進行Qi認證,可細分如下:

  • Qi–V.1.2.4 BPP
  • Qi–V.1.2.4 EPP
  • Qi–V.1.3 BPP
  • Qi–V.1.3 EPP5
  • Qi–V.1.3 EPP

然而,以WPC積極想推廣無線充電市場的決心,勢必會將目標更著重在安全性,因此在不久後的將來,可能更改為只開放以支援Authentication的Qi–V1.3進行認證測試,以確保消費者能夠安心使用無線充電技術相關產品。

 

» Qi無線充電基礎內容

– 無線充電運作原理

Qi無線充電的原理是基於電磁感應所產生的電流,進而達到無線充電的效果,其過程如下圖:

  1. Transmitter線圈透過交流電產生電流的變化
  2. Transmitter線圈電流的變化,根據電磁感應原理,產生磁場
  3. Receiver線圈感應到磁場的出現,進而產生電流
  4. Receiver透過線圈生成的電流,通過整流器以直流電輸出,達到充電的效果

圖3: 電磁感應

 

– Transmitter 與 Receiver 的溝通過程

根據不同產品的類型,其Receiver線圈之電阻與需要之功率都不相同,因此需透過訊號溝通的方式,進行供電前的確認,以及供電後電流輸出的大小,以下會透過實例來講解,實際上Transmitter與Receiver之間在無線充電協議上如何進行溝通。以下將以GRL Qi 無線充電測試儀(GRL-WP-BST-C3)測試中的Log進行解說:

1. Ping Phase(圖五)

  • Transmitter: 持續傳輸Digital Ping,進行Object Detection。
  • Receiver: 持續監測來自Transmitter的Digital Ping。

當Transmitter確認此Object為Receiver時,則會進入下一個階段。

圖5: Ping Phase

 

2. Identification & Configuration Phase(圖六)

  • Transmitter:辨認Receiver的資訊,例如所能承受的最大功率輸入等等。
  • Receiver:準備建立Power Transfer Contract。

當Transmitter取得Receiver的資訊後,則會進入下一個階段,並停止發送Digital Ping。

圖6: Identification & Configuration

 

3. Power Transfer Phase(圖七)

  • Transmitter:建立Power Transfer Contract,並透過觀測Receiver回傳的Control data來調整電流的輸出。
  • Receiver:透過傳輸Control Data告知Transmitter輸入電流是否達到需求。

圖7: Power Transfer

 

4. Control Data

Control Data中的Control Error是Receiver用來告知Transmitter輸入電流應提升或下降的Packet,區分方式如下:

  • Positive:應提高電流。
  • Zero:應維持電流。
  • Negative:應降低電流。

 

» 結論

          從複雜的Compliance Testing至耗時的Interoperability,都一再體現Qi測試規範的嚴格;而在實用性上,從低瓦數(5W)的BPP至中瓦數(5W~15W)的EPP,已基本涵蓋目前常用的無線充電功率範圍;最後針對安全性以Authentication機制,將功率輸出的權利交付給Receiver,以避免功率輸出過大導致的安全性問題。

          透過上述介紹,可以看出WPC在Qi認證上費盡心思,以WPC的用心加上嚴謹的Qi認證,我們可以期待日後無線充電產品能在實際應用在各個領域上。

 

 

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作者
GRL 台灣 FAE工程師 蔡宗儒 Vince Tsai

畢業於國立成功大學航太系。

具 Power Delivery 相關測試經驗,熟悉 USB-IF PD Compliance 測試規範。希望能夠協助客戶 PD 方面的問題,以順利取得認證。

 

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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 2021/11/26 AN-211126-TW