最新版的Qi规范仅对无线电力联盟(WPC)的成员开放。有一些测试规范是仅对WPC会员开放的,这些文档仅对WPC成员开放,并没有包含在公众可以下载的资料包中。
Qi 2.0标准是无线充电联盟(WPC)于2023年10月发布的第二代Qi规范升级版,致力于为无线充电设备建立统一的技术标准和测试要求,确保不同设备间的互操作性和兼容性。Qi 2.0标准深入探讨了从物理层至应用层的无线充电技术诸多方面,包括但不限于功率传输、通信协议、安全机制、异物检测(FOD)、NFC标签保护、功率传输效率、机械与热力学设计、认证协议、参考设计以及符合性测试等方面。
Qi-v2.0-authentication.pdf:详细阐述了Qi认证协议的密码学原理,包括加密算法、身份验证流程和安全通信机制。
Qi-v2.0-comms-physical-layer.pdf:介绍了Qi通信系统的物理层技术内容,如电磁波传播、信号调制与解调技术细节。
Qi-v2.0-comms-protocol.pdf:详述了Qi通信协议架构、数据传输机制以及通信协议的测试与验证方法。
Qi-v2.0-fod.pdf:专门讲解Qi规范中的异物检测(FOD)功能,包括原理、实现方式和测试要求。
Qi-v2.0-glossary.pdf:作为术语表,提供了Qi标准所采用的专业术语和缩写词的定义及解释。
Qi-v2.0-introduction.pdf:对Qi规范进行了概括性介绍,概述了Qi标准的背景、目标与应用领域。
Qi-v2.0-mech-therm-user.pdf:讨论了Qi系统在机械和热力学方面的用户指南,内容涵盖设备机械设计、热设计以及安全性和可靠性。
Qi-v2.0-mpp-comms-protocol.pdf:聚焦于MPP通信协议规范,详细说明了协议层级结构、数据传输机制及测试验证过程。
Qi-v2.0-mpp-prx-compliance-tests.pdf:描述了MPP接收器(PRx)的符合性测试方法,包括测试步骤、所需设备及测试结果判断。
Qi-v2.0-mpp-prx-test-tools.pdf:提供了适用于MPP接收器测试的工具选择和使用方法。
Qi-v2.0-mpp-ptx-compliance-tests.pdf:讲述了MPP发射器(PTx)的符合性测试方法及相关细节。
Qi-v2.0-mpp-ptx-test-tools.pdf:列举了MPP发射器测试所需的工具及使用指南。
Qi-v2.0-mpp-system.pdf:全面解读了MPP系统的规范,包括系统架构、组成部分以及相互接口等内容。
Qi-v2.0-nfc-tag-protect.pdf:集中关注NFC标签保护措施,含标签加密、身份验证机制以及安全防护策略。
Qi-v2.0-power-delivery.pdf:探讨了Qi功率传输系统的相关技术细节,如功率等级、传输效率、功率控制及电磁兼容性。
Qi-v2.0-prx-compliance-tests.pdf:概述了接收器符合性测试的方法、设备与判定规则。
Qi-v2.0-prx-design-examples.pdf:展示了接收器设计实例,包括多种场景下的设计和实现方案。
Qi-v2.0-prx-test-tools.pdf:推荐了用于接收器测试的工具及其选用和使用方法。
Qi-v2.0-ptx-compliance-tests.pdf:详细介绍了发射器符合性测试的步骤、测试设备以及结果判定标准。
Qi-v2.0-ptx-ref-designs.pdf:提供了发射器的参考设计资料,涵盖了不同应用场景下的设计与实现案例。
Qi-v2.0-ptx-test-tools.pdf:指明了发射器测试所需的工具选取与使用指导。
1. 无线电力联盟与Qi规范概述
无线电力联盟(WPC)简介
Qi 2.0 规范的目标与应用
制定和推广全球无线充电标准
应用领域:智能手机、平板电脑等设备,支持Baseline Power Profile(5W以内)和Extended Power Profile(超过5W)
Qi 2.0 规范结构
通用文档、系统描述文档、参考设计文档、合规性测试文档
发布时间和版本历史
2. Qi 2.0 认证(鉴权)协议
认证协议的目的与结构
认证过程
合规性要求与安全机制
技术细节与示例
3. Qi 2.0 通信协议
协议阶段划分与功能模块
设备识别与功率转移
安全特性与兼容性
时间参数与状态机示例
4. 技术细节举例
数据样本展示
证书样本解析
协议消息序列与认证挑战响应示例
5. Qi 2.0 特性与应用
动态调整功能(如Clocking机制)
异物检测(FOD)改进
耦合系数k值测量
角色互换(反向充电)支持
6. 成员资格与认证流程
成员类型与权利义务
Qi认证产品注册流程
产品单元证书样例及解析
测试与合规性要求
在Qi 2.0协议中,Clocking机制是一种独特的功率传输暂停与恢复过程,它是无线充电系统中的一种高级功能,主要用于设备在充电过程中实现临时的功率中断和恢复而不影响充电状态的追踪。该机制允许发射器(PTx)和接收器(PRx)在维持通讯的同时,灵活地管理无线功率传输,以适应不同的应用场景需求。
具体来说,Clocking机制体现在以下几个方面:
Cloaking(隐蔽模式): PRx可以选择请求暂时停止无线充电,也就是进入Cloak阶段。在这个阶段,PTx会暂时移除无线充电信号,以减少热效应或其他原因引起的功耗。例如,PRx可能在进行NFC操作或电池温度过高时要求进入Cloak状态,以避免干扰或防止过热。
Cloaking周期可以通过SRQ/cloakl和cloakh命令由PRx与PTx协商确定。
PRx还可以请求在Cloak阶段启用Detect Ping机制,以便在长时间Cloak期间及时检测设备的存在。
Cloak Detect Ping(检测唤醒): 在Cloak期间,为了及时检测设备是否仍然在位,PRx和PTx可以协商并实施短暂的功率脉冲(Detect Ping)。在tcloakdetect时间内,PTx会发出短时间的功率信号,PRx则需在tdetecttimeout窗口内响应,如果没有成功响应,PTx将会重试N次,直到PRx回应或超时放弃Cloak阶段转回Ping阶段。
定时参数管理:tcloakdetect和tcloak代表了Cloak期间Detect Ping的时间间隔和总的Cloak持续时间。这两个参数通过特殊请求报文协商并应用于系统中,确保设备正确地执行Cloak和退出Cloak动作。
状态转换:在Cloak状态中,根据接收到的指令或者检测结果,PTx和PRx可以平稳地切换到不同的状态。例如,PTx在收到合法的ASK通信包时,会从Cloak状态恢复到Cloak Ping状态;而如果在预定时间内未能收到PRx的响应,则会自动终止Cloak阶段,恢复正常的无线充电。
FOD(Foreign Object Detection)在无线充电系统中至关重要,因为它涉及异物被放置在发射端(TX)和接收端(RX)之间可能引发的安全问题,如过热、火灾或短路。
Qi V2.0标准采用了两种FOD检测方法:开放空气Q测试(Open-air Q-Test)和MPP功率损耗分析(MPLA)。这两种方法相互补充,共同确保无线充电过程的安全性。
开放空气Q测试:用于检测放置在发射端表面的异物,其优点是不受接收端设备的影响。检测过程在发射端启动并接收输入功率之后,但在接收端连接之前进行。此外,开放空气ping检测是Qi-v2.0-mpp协议的一部分,用于在系统功率传输阶段检测PRx的存在。
MPP功率损耗分析(MPLA):通过测量功率损耗来评估FO的存在。当检测到可能存在FO时,可以采取降低功率或关闭电源的措施。MPLA方法需要确定一个“损失分割”模型,以区分系统中不同物理部分(如线圈铜、友好金属和异物)之间功率损耗。
MPP功率损耗分析(MPLA)方法FO检测阈值是根据 开放空气Q测试(在功率传输之前的FOD方法)的结果来设定的。
情景1:如果Q测试 (a) 没有实施,(b) 无法检测到开放空气,或 (c) 检测到异物(FO),那么MPLA(可能是某种功率限制或管理算法)将单独负责确定一个安全的功率水平。在这种情况下,根据Qi v2.0规范的5.1节,已经通过实验确定,如果异物吸收的功率低于530mW,则异物不会过热。
情景2:如果Q测试确定在PRx(可能是接收器)与PTx(可能是发射器)配对时没有异物存在,那么可以使用一个不太严格的要求(IEC 62368-1标准)。实验表明,为了防止过热,异物功率低于770mW是足够的。
由于情景1对MPLA的准确性要求更高,因此可能需要降低最大传输功率,以确保对P FO的估计误差不会导致错过异物检测。或者,PTx可以允许更高的误报检测,同时将漏报保持在可接受的水平。
在Qi 2.0 的认证流程中,所有认证产品都必须具有鉴权芯片(产品单元证书),鉴权芯片认证则是在WPC指定MCSP(制造商 CA 服务提供商)协助下完成流程。以下为Qi2.0产品认证的主要流程。
如图所示,完整的WPC认证共12个流程。其中提供 Qi ID 和 PTMC 信息给 MCSP、通知 WPC 由哪个 MCSP 提供产品单元证书、MCSP 完成产品单元证书,为 Qi 1.3.3 版本之后的新增认证流程。
MPP(Magnetic Power Profile)继承自Qi v1.3 BPP(Baseline Power Profile)。它通过引入圆形磁铁阵列确保发射器和接收器之间的精确对齐,从而实现了新的无线充电体验。MPP使用户始终处于“充电最佳位置”,并能高效、安全地以最高15W的功率进行充电。此外,MPP还具备防止车辆钥匙扣干扰的功能,通过操作在360kHz的频率上来规避监管问题。与Qi 2.0 BPP产品兼容,并接近向后兼容Qi 1.x BPP产品。
MPP系统规范涵盖MPP通信协议规范、MPP符合性测试规范、MPP测试工具规范等多个部分。MPP通信协议定义了MPP支持的设备之间如何交互,包括设置数字ping级别为360kHz、接收各种信号包等流程。
MPP支持的设备可以同时支持EPP(Extended Power Profile)协议。具体来说,PRx可以选择支持MPP和EPP,通过发送MPP-XID包给PTx并设置配置包来广告自己的支持能力。PRx发送完配置数据包后需要尝试解码FSK,根据解码结果决定使用哪种协议。
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