干货收藏！你不可不知道的无线充FOD异物检测

什么是FOD？

FOD即异物检测，是英文Foreign Object Detection的缩写，是无线充电过程中，为避免意外来物导致系统温升过高的一种技术检测手段。

无线充电不同于有线充电，后者物理硬连接后才可以工作，而无线充电是通过磁场将独立的两个物体进行连接，因此路径中有可能存在异物。如果异物是金属等导体，那么在交变的磁场中势必会产生感应电动势，在导体内部形成感应电流，而此时金属相当于一个电阻，由此高热产生，引发危害。

因此FOD技术在无线充电应用中必不可少，并且相当重要。举个例子：

左图中，充电发射端（Transmitter，以下简称TX）带FOD功能，当放置一枚硬币后，TX通过FOD检测，判断有异物后，退出充电模式。

右图中，TX不带FOD功能，当放置一枚硬币后，TX不会因为异物存在而停止发射磁场，硬币在TX持续建立的交变磁场中产生涡流发热，很容易引发事故。

FOD的几种检测方式

异物检测的方式有很多，比如可以通过检测Power loss和Q值等等。

Qi协议中，只对无线充电中接收端（Receiver, 以下简称RX）的温升做了规定，认证实验室中测试规定：RX温升不得超过环境温度的12℃。但其并未规定必须使用何种方式来实现，目前普遍方案如下表所列：

什么是Power Loss 检测？

PLOSS：300 mW is an appropriate threshold value for limiting heating of Foreign Objects

如图，TX通过计算PLOSS来判断是否发生FOD，PLLOSS =PPT – PPR。

其中：

PPT = PIN - PPTLOSS，PIN等于输入功率，PPTLOSS为TX端所有的必要传输损耗功率，包括不限于初级线圈和电容的等效阻抗，逆变电路和PCB走线等产生的功耗，TX端金属器件产生的涡流损耗和系统功耗等。

PPR = POUT + PPRLOSS，POUT等于输出功率，PPRLOSS为RX端所有的必要传输损耗功率，包括不限于次级线圈和电容的等效阻抗，整流电路和PCB走线等产生的功耗，RX端金属器件产生的涡流损耗和系统功耗等。

采用Power Loss方式检测异物是否存在，其可靠性主要依赖TX和RX报的功率是否准确。考虑到一些不可测因素，比如自由度影响，不同负载下TX和RX上报的功率有个offset，能量部分发散到空气中等，为了防止TX误报FOD，通常RX端上报的Preceived= PPR + PΔ，其中PΔ作为对前述因素的补偿。

这表明当TX表面没有异物时，RX报的功率总是等于或比TX的传输功率PPT大。根据输出功率大小的不同，PΔ也不同，其值一般取最大输出功率的5%，Qi中推荐的PΔ值如下表：

该方案的优点是在功率传输过程中可以实时检测FOD，但它也有缺点。由于PPT和PPR分别是由TX和RX端各自估算的，那么即使在没有异物存在的情况下也有可能存在系统性偏差，影响TX的FOD准确性。

举个例子，没有异物时，理想情况下TX端计算的发射功率PPT为5W，RX端计算的接收功率PPR也等于5W，但由于检测和估算误差，TX端实际PPT为5.1W（或4.9W）, RX端实际PPR等于4.9W（或5.1W），那么PLOSS就由标准的0偏到200mW（-200mW），原本有300mW的裕量变为100mW（500mW），降低了系统的容差阈值。此时如果TX放宽其阈值会导致异物检测不灵敏，收缩阈值又可能发生误检测。

功率校准

为了提高power loss检测方法的有效性，TX端可采用功率矫正方式来解决其系统偏差问题，但功率矫正的前提是TX表面无异物，该问题可通过下节Q值检测来判断有无异物。

根据上节介绍，系统偏差跟传输功率等级有关，理想情况下，应在输出功率的全范围内分段校准，但由于该方法不好实现，所以采取一个折中的方案：在calibration阶段，TX和RX会根据 “light” load 和 “connected” load各自确定自己的输出和接收功率，基于这两种负载状态，TX可采用如下线性插值方法来校准输出或接收功率。

Q值检测

Q值是衡量电感器件的主要参数，是指电感在某一频率的交流电压下工作时，其呈现的感抗与等效损耗电阻之比，Q值越高，电感器损耗越小。TX线圈的Q值会受外部环境影响，比如当其表面有其他金属时，那么就会导致TX线圈的电感减小，而等效阻抗增加，所以Q值就会减小。

Qi的EPP协议里规定，TX在negotiation phase必须包含Q值检测功能，以此判断表面是否有异物。为了确保TX能正确判断出Q值减小的原因是RX线圈还是异物导致的，RX应通过0x22包提供一个参考Q值给TX，TX再根据该值确定出合理的Q值裕量，最终与实测值比较，判断是否存在异物。

Q值检测的方式有多种，Qi中提供了一种测量方案，但并未对其做限定，下图为Qi的参考方案。如图所示，左侧是检测电路的原理图，除了线圈外，它还包括1个正弦电压源和1个谐振电容。在选择谐振电容时应结合电路的合理工作范围，确定谐振频率后再选择。此例中谐振频率为100kHz，线圈的Q值等于线圈两端的有效电压值与驱动电源的有效电压值之比，即Q=V2/V1。

下图是伏达采用的一种Q值检测方案，供参考。Q值检测时先对振荡电路预充电，即同时打开S5和Q4管，当电压达到预设值Initial时断开S5，导通Q3，此时电容电感电路中的电流会产生振荡并逐渐衰减至0。有无异物会导致电流衰减时间发生变化，取固定阈值Ith1和Ith2，测量ΔT，就能计算出Q值。

Without FOD  50us/div

With FOD  20us/div

总结

希望本文对从事充电设计的工程师有所帮助，帮助大家在进行FOD检测时，更精准、更高效，这样设计出的产品才能让用户更放心。

关于伏达半导体

伏达半导体(NuVolta Technologies)成立于2014年，是无线充电领域领先的半导体公司，专注于电源管理芯片及方案的研发及创新。伏达通过对工艺、设计、封装及电源系统构架的不断创新，持续为客户输出高性能、高效率、高可靠性的芯片产品及整体解决方案。

伏达半导体的产品涵盖无线充电接收和发射芯片、有线快充芯片、显示电源芯片与汽车电源管理芯片等，助力客户持续拓展消费类电子、汽车电子、工业医疗等市场。伏达致力于让更多的用户感受科技创新所带来的便捷与乐趣。欲了解更多信息，请访问公司网站www.nuvoltatech.com 或发送邮件[e-mail]。

文章来源：伏达半导体

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