【Silver 能量站】无线充电 FOD 的基本原理与功能演示

2022-7-29 13:13| 发布者: 闪电| 查看: 3| 评论: 0

摘要: 一、前言FOD（Foreign Object Detection，异物检测）应用在无线充电中，用来侦测充电过程中 TX（发射端）与 RX（接收端）之间是否有金属异物，并采取断充措施等。在无线充电的过程中，如果 TX 与 RX 之间存在金属异 ...

一、前言

FOD（Foreign Object Detection，异物检测）应用在无线充电中，用来侦测充电过程中 TX（发射端）与 RX（接收端）之间是否有金属异物，并采取断充措施等。在无线充电的过程中，如果 TX 与 RX 之间存在金属异物，将会在交变的磁场中产生感应电动势，在导体内部形成感应电流，消耗 TX 输出的能量，产生大量的热量，严重影响无线充电效率，很容易引发事故。

本文首先简单介绍 FOD 检测的原理，之后使用大联大世平集团推出的一款 CPSQ8100 50W 车载无线快充方案为平台来演示 FOD 功能。CPSQ8100 是一款专为无线充电系统设计的一款高效的、符合 Qi 认证标准的磁感应式无线功率发射芯片，它支持基于 Q 值检测的 FOD 和基于功率损耗计算的 FOD。我之前对这款方案做过详细介绍，感兴趣的朋友可点击我的头像查看之前的博文，也欢迎大家在下方评论区留言，有问必答哦。话不多说，上正文！

二、 FOD 检测

WPC 在 2018 年 3 月份执行新的 Qi V1.2.4 认证标准后，认证产品按照负载功率不同分为 BPP（Baseline Power Profile ≤ 5W）和 EPP（Extend Power Profile ≤ 15W）。从系统控制的角度来看，EPP 标准从 TX 到 RX 的功率传输包括如图七个阶段（摘自 WPC V1.2.4协议 Part1&2——Figure18）。

FOD 主要包含 QFOD（Q 值检测）和 Ploss FOD（Power Loss 检测）两大类。我们可以看到 QFOD 和 Ploss FOD 两种机制执行时所在的通信阶段，QFOD 在 Nego 阶段检测，Ploss FOD 在功率传输时持续检测。

1. QFOD 原理简介

品质因数 Q 可以用来指示谐振腔损耗的大小。Q值测定时，需要向谐振腔注入一个很小的不足以唤醒RX的能量，此时谐振腔内会产生一股谐振电流，谐振电流会因为能量在谐振过程中的损耗而衰减，Q值越大代表线圈的损耗越小，反之，其损耗越大。随后计数一定时间内，符合指定脉宽数量的脉冲数 CNT，通过特定算法计算即可得到。

如果 TX-RX 界面存在金属异物时，谐振腔 LC 震荡的能量会被金属异物部分吸收，这导致 TX 测量得到的当前系统的 Q 值（Qm）将显著低于RX 在 Nego 阶段上报的 Q 值（Qr，这个值由测试TX 在无异物时取得），通过合适的算法可以计算得到一个恰当的阈值 Qth，当 Qm 低于 Qth 时，可以认为系统中存在异物。

Q 值计算公式：

其中 V(t1) 为 3.3V，V(t2) 为 0.2V，CountN 为 Pulse Counter 基于 LC 振荡计算出来的 CNT 值。

在本例无线快充方案中，Qm 使用 CPSQ8100 内部的 Q 值检测电路搭配外部全桥，谐振电路可测得，等效电路图如下。Qr 则由 RX 上报，通过调制解调电路解调 ASK 数据包得到。

Qm 值获取方式：

S1, Q5, Q4 导通，Q1, Q2, Q3, Q6 关断，通过芯片内部的 3V 给谐振电容充电
S1, Q1, Q3, Q5, Q6 关断，Q2, Q4 导通，通过谐振腔（谐振电容和电感）放电
利用CPSQ8100内部检测电路，配置合适的比较器参考电压，记录 LC 振荡的次数（CNT）和宽度（Width）
Q 值计算。

上图为线圈端测量到的波形，箭头所指就是上文提到的不足以唤醒 RX 的能量，让我们把它放大看看。

100us/div 无异物时

100us/div 有异物时

对比上图可以看出，有异物时脉冲的幅度曲线衰减速度明显加快。

2. PLoss FOD 原理简介

一个完全没有异物的 WPT 系统也会有一定的功率损耗（Power Loss），这个损耗包括：

下图为无线充电功率传输模型（摘自 WPC V1.2.4协议 Part1&2——Figure 47），我们可以看到，发射端的输入功率设为 PIn ，通过检测输入电压和输入平均电流可以得到。接收端整流桥的输出设为 POut ，通过检测整流桥输出电压和输出电流可以得到。如果传输磁场中有金属异物，则会产生更多损耗，设为 PLOSS 。这些参数之间的关系为：

TX 可通过上面的公式计算出一个 PLoss 值，如果 PLoss 大于某个阈值，则代表磁场消耗能量过大，进而判定传输磁场中有金属异物。此时可以采取断充、警报等措施，避免发生事故。

三、 FOD 功能演示

下面我们使用大联大世平集团推出的 50W 车载无线快充方案来演示 FOD 功能。关于板子的操作方式，可查看我的另一篇博文《CPSQ8100 50W 车载无线充电方案板调试（详细教程）》，本文不再赘述。

测试条件如下：

板子上电，保证使用 HUAWEI Mate40 Pro 手机可以正常充电。

为了分别测试两项 FOD 功能，我们在单独测试 QFOD 功能时，在软件端将 Ploss FOD 功能暂时关闭，反之，测试 Ploss FOD 时，暂时关闭 QFOD 功能。

1. QFOD 功能演示

软件端关闭 Ploss FOD，单独打开 QFOD 功能，使用 CPSGUI 读写寄存器数值。

下图 CNT、WIDTH 分别代表 LC 谐振腔内被注入的能量（不足以唤醒 RX）在一定时间内衰减的脉冲计数值和脉宽累计值，如果两者其一小于寄存器设置的阈值，则触发 QFOD 保护。我们是三线圈方案，所以分成三组参数。另一种检测方法为 ping 电流检测，当全桥开启时，如果桥上电流（IPA）大于寄存器设置阈值，也会触发该线圈的 FOD 保护。

BIGMETAL_CNT_THRSH 为 CNT 阈值，目前设为 18；
BIGMETAL_WIDTH_THRSH 为 WIGTH 阈值，目前设为 200；
BIGMETAL_IPA_THRSH 为 PING IPA 阈值，目前设为 1500mA。

在线圈 2 上面放置一枚硬币，可以看到板上白灯闪烁。这时我们读到 CNT_2 = 16，低于 BIGMETAL_CNT_THRSH 阈值，CURR_ERRCODE 上报异常代码 exp:1，触发了 QFOD 保护。如果在线圈上放置手机，不会开始充电。我们可以看到线圈1和3也都受到了影响，具体参数如下图所示。

2. PLoss FOD 功能演示

软件端关闭 QFOD，单独打开 Ploss FOD 功能，本方案支持 BPP、EPP、APPLE、SAMSUNG、HUAWEI 等类型的 Ploss FOD 功能，我们使用的 RX 接收端是 HUAWEI Mate40 Pro，就以 HUAWEI Ploss FOD 为例。

使用 CPSGUI 读写寄存器数值。

我们需要一些数据来拟合一条 ploss 参数和功率损耗的二次关系式，然后根据实际测试情况调整二次关系式的 A、B、C 参数，达到项目需要的效果。下面列出一些参数代表的含义,具体定义可查询“寄存器列表”和“FOD调试说明”：

线圈峰值电压 = FIT_PRARM * 1000;
补偿参数 A、B、C (HUAWEI_PLOSS_FOD_PARAMx_A、HUAWEI_PLOSS_FOD_PARAMx_B、HUAWEI_PLOSS_FOD_PARAMx_C);
CPloss = Ploss补偿值 = (A/10^7)*线圈峰值电压^2 + B*线圈峰值电压 + C*100;
Ploss = PA_POWER – RP_POWER;
PLOSS_VAL = Ploss – CPloss;