利用R&S示波器RTO/RTE测量Qi无线充电系统

随着电子设备的移动应用越来越重要，更持久与方便的充电技术也备受厂家关注。许多公司企业已结成联盟，进军无线充电的领域，发展相关的技术及制订技术标准。目前无线充电标准有三大阵营，包括 Wireless Power Consortium (WPC), Power Matter Alliance (PMA) 及 Alliance for Wireless Power (A4WP)，各有不同厂商在后支持，互相竞逐一席之地。其中，目前比较广泛使用的是无线充电联盟 WPC的 Qi (“气”) 标准。Qi 暂时主要以低功率型5 瓦以下的设备为主，包括智能手机、无线遥控器等等。将来规格将提升到支持中等功率型125瓦。该文章将把重点集中在Qi 的测量上。

2 技术概述

无线能量的传输技术，早在尼古拉斯•特斯拉(Nicholas Tesla) 的年代已获得认同并衍生出今日的无线电通信。不同的是，无线电技术着眼于信息的传输，而无线充电技术注重于能量的传输。通过交变电场与磁场的感应、电磁辐射（激光、微波），能量是可以不通过物理媒介，传输到另一端，而其最大的瓶颈是能量传输的效率。

图1. 英特尔工程师展示无线电把灯泡亮起。

3 Qi “气” 标准基础

Qi “气” 采用非接触式近距离的线圈的电磁感应原理传输能量。把具有次级线圈（secondary coil）装置的设备贴近充电器的初级线圈（primary coil），初级线圈产生交变的磁场将在次级线圈感应出具有相同频率的交流电压。这也称之为电磁感应功率传输。在近距离，大部分磁通量将局限于圈线之间，线圈可以有效地在大约5瓦功率较低频的100k~205k赫兹范围内实现电能传输

图2. 符合Qi （气）规格的接受与发射设备可以通用。

为了确保电磁感应在近距离进行，必须把初级与次级线圈对齐。装置可以是固定位置：以单一的初级线圈和次级线圈对应；或者是任意定位的设计：以多个阵列的初级线圈检测次级线圈的位置。
当两个线圈贴近时，初级线圈将能检测到次级线圈对磁场产生的负载效应，以监测它的存在。随后，透过简单的协议沟通，互相确认对方的身份，核对充电标准。确认是可以支持的设备后，充电器将把全面控制的权力移交到次级线圈的设备上。

4 Qi系统概述

无线电力传输基于电磁感应原理：
• 充电平台： 提供无线功率（发射机）
• 移动设备： 消耗无线功率（接收器）

4.1 Qi 系统: 功率发射器

Qi 功率发射器有两大功能：
• 功率转换单元在初级线圈产生电磁场
• 通讯与控制单元根据接收器的需求调节转换功率

4.2 Qi 系统: 功率接收器

Qi 功率接收可以：
• 功率接收单元在次级线圈上感应交变磁场并转换为电能
• 通讯与控制单元会调节功率的需求量

移动设备子系统将感应负载（电池）的容量和水平，反馈给通讯与控制单元，以调节或切断功率接收单元的输出。通过调整次级线圈的负载，功率接收单元可以把电池讯息反映给充电平台。充电平台读取后，也会依照原先设定的供电协议，决定如何调节初级线圈的能量。

5 Qi 测量面对的问题

5.1 时域与频域的相关性

Qi 本身就是一个嵌入式系统。一个基本的Qi充电系统的设计就包含了：射频部分、PCB设计、协议层控制、电力传输与电磁干扰屏蔽。面对数个领域的设计与分析，当需要不止一种仪器时，要进行有意义的数据分析，需要花费很多的时间和资金投入。

5.2 微弱信号的分析

Qi线圈之间的幅度调制相当微弱。要更仔细地观察调制细节，模数转换器（ADC）的分辨率必须要足以分析调制数据。要在高幅度的载波频率信号找出微弱的幅度调制，工程师往往会把信号放大而导致ADC饱和的状态。这时候仪器的过载恢复能力也变得相当重要。

5.3 电路板上的射频噪音

当系统在侦测状态时，Qi充电平台会定时发送高功率模拟和数字射频信号侦测接收设备。高功率的射频信号也会产生强烈的电磁干扰，并影响电路板上的组件。

5.4 射频信号的解调

Qi 系统通过负载的调制引起射频信号的变化来进行设备之间的通信。要解调信号，必须要把载波频率给滤掉。这通常就须要高端频谱仪进行解调。

5.5 调制信号的触发

传统示波器具有的模拟触发系统，信号需要达到触发的最低电压范围才能启动触发机制。然而，对微弱的幅度调制波形来说，这将是一个具挑战性的梦魇。

6 被测物与测量仪器

在此应用说明文章里，德州仪器的BQ51013AEVM-765接收（充电）平台与BQ500211EVM-054发射（移动）设备的评估板作为测量对象。

图4. 德州仪器的 Qi 系统评估板 BQ51013AEVM-765 （上）与 BQ500211EVM-054

图5. RTO /RTE系列示波器作为测量仪器

RTO 和RTE系列示波器在测量信号时，可同时实现