Một bộ sạc không dây ghi “hiệu suất 75%”. Con số đó gần như vô nghĩa nếu không kèm theo bốn thông tin: đo ở mặt phẳng nào, ở mức công suất nào, với cuộn thu nào, và lệch trục bao nhiêu milimét. Đo hiệu suất sạc không dây khó không phải vì phép đo công suất khó, mà vì hệ thống có ít nhất bốn mặt phẳng có thể gọi là “vào” và “ra”, và vì tổn hao thay đổi mạnh theo vị trí đặt máy. Bài này đi qua vật lý của ghép cảm ứng, cách chọn mặt phẳng đo, và những chỗ số liệu dễ bị thổi phồng.
Hiệu suất là tỉ số của hai đại lượng — nhưng của hai đại lượng nào?
Trong một hệ Qi điển hình, năng lượng đi qua chuỗi: nguồn xoay chiều lưới → bộ đổi nguồn của đế sạc → mạch nghịch lưu và cuộn phát → khe hở không khí → cuộn thu → mạch chỉnh lưu và điều áp của thiết bị → mạch nạp pin. Mỗi khâu có tổn hao riêng, và “hiệu suất” có thể được tính giữa bất kỳ cặp điểm nào trong chuỗi đó.
Ba định nghĩa hay gặp và cho ba con số rất khác nhau:
- Hiệu suất ổ cắm tới pin: công suất tác dụng lấy từ lưới so với công suất một chiều đi vào pin. Đây là con số người dùng cảm nhận được, và luôn thấp nhất.
- Hiệu suất một chiều tới một chiều: công suất một chiều cấp cho tầng nghịch lưu so với công suất một chiều tại ngõ ra của mạch chỉnh lưu bên thu. Đây là con số kỹ sư thiết kế quan tâm vì nó cô lập phần truyền năng lượng.
- Hiệu suất cuộn tới cuộn: chỉ tính riêng khâu ghép từ. Con số này cao nhất và thường bị mượn để quảng cáo.
Nguyên tắc bất di bất dịch: mọi so sánh chỉ có nghĩa khi hai phép đo dùng cùng một cặp mặt phẳng, vì mỗi cặp bao hàm một tập tổn hao truyền năng lượng khác nhau. Cách xác lập mặt phẳng đo và kiểm tra cân bằng năng lượng giống với bài toán đo hiệu suất bộ nghịch lưu ba pha, chỉ khác ở chỗ khâu ghép nằm giữa là không khí.
Ghép cảm ứng: hệ số ghép quyết định phần năng lượng đi tới đâu
Nguyên lý vật lý nền tảng của hệ truyền năng lượng không dây Qi là cảm ứng từ: từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra sức điện động trong một cuộn dây đặt đúng vị trí. Đại lượng mô tả mức độ “đúng vị trí” đó là hệ số ghép, thường ký hiệu k, bằng hỗ cảm chia cho căn bậc hai của tích hai tự cảm. Giá trị k nằm giữa 0 và 1.
Điều quan trọng với người làm đo: phần từ thông không móc vòng qua cuộn thu không biến mất — nó vẫn tạo dòng trong cuộn phát và vẫn sinh nhiệt trên điện trở cuộn. Hệ số ghép giảm không chỉ làm giảm công suất truyền được, mà còn làm tăng dòng tuần hoàn để giữ nguyên công suất ra. Đó là lý do hiệu suất rơi nhanh hơn nhiều so với cảm giác trực quan khi đặt lệch máy.
Tài liệu giới thiệu đặc tả Qi của Wireless Power Consortium liệt kê bốn điều kiện cho ghép cao nhất và truyền năng lượng hiệu quả nhất: hai bên dùng đúng cùng một loại cuộn; hai cuộn thẳng hàng hoàn hảo; khoảng cách giữa hai cuộn nhỏ hơn đường kính cuộn; và cuộn được che chắn bằng ferrite ở mặt ngoài. Ngược lại, ghép giảm khi cuộn phát và cuộn thu khác kích thước hoặc hình dạng, khi lệch trục, khi khoảng cách quá lớn, và khi có vật lạ nằm trên đế sạc.
Lệch trục, khe hở và kích thước cuộn
Hệ truyền năng lượng trong đặc tả Qi dựa trên một cuộn phát đường kính ngoài 50 mm và một cuộn thu đường kính ngoài 40 mm. Các sản phẩm thực tế được phép lệch khỏi kích thước này miễn là qua được các phép thử hợp chuẩn. Về dung sai đặt máy, tài liệu nêu rằng lý tưởng thì hai cuộn phải thẳng hàng hoàn hảo, nhưng lệch vài milimét không phải là vấn đề.
Chữ “vài milimét” là chỗ cần đo chứ không nên tin. Một quy trình đo lệch trục tối thiểu nên gồm:
- Cố định mọi biến khác trước. Cùng cuộn thu, cùng mức công suất yêu cầu, cùng nhiệt độ ban đầu, cùng trạng thái pin hoặc tải giả. Hiệu suất phụ thuộc mạnh vào điểm làm việc, nên đo ở 5 W rồi so với 15 W là so hai thứ khác nhau.
- Quét lệch theo lưới hai chiều, không chỉ một trục. Cuộn dây và lớp ferrite hiếm khi đối xứng tròn hoàn hảo, nên lệch theo trục X và trục Y có thể cho hai đường cong khác nhau.
- Quét cả khe hở dọc trục, mô phỏng độ dày ốp lưng. Đây là biến mà người dùng cuối thay đổi thường xuyên nhất và nhà sản xuất ít kiểm soát nhất.
- Ghi lại tần số làm việc tại từng điểm. Tần số là biến điều khiển, không phải hằng số — xem mục sau.
Để nới dung sai đặt máy, đặc tả cho phép đế sạc dùng nhiều cuộn nối thành mảng, như ở các giá sạc ba cuộn làm việc được với thiết bị có kích thước và vị trí cuộn khác nhau.
Chọn mặt phẳng đo và cái bẫy tần số 87–205 kHz
Tần số làm việc của hệ Qi tiêu biểu nằm trong dải 87 đến 205 kHz. Đế sạc có thể — nhưng không bắt buộc — dùng tần số làm việc để điều khiển lượng công suất truyền sang thiết bị: đáp ứng tần số của hệ thường có cộng hưởng gần đầu dưới của dải, nên tần số thấp hơn cho công suất truyền lớn hơn và tần số cao hơn cho công suất nhỏ hơn.
Hệ quả cho phép đo rất cụ thể và hay bị bỏ sót: dạng sóng trên cuộn dây là tín hiệu xoay chiều hàng trăm kilohertz, không phải một chiều. Muốn tính công suất tác dụng ở mặt phẳng cuộn dây, bạn phải lấy tích thức thời của điện áp và dòng rồi lấy trung bình trên số nguyên chu kỳ — nhân giá trị hiệu dụng của điện áp với giá trị hiệu dụng của dòng sẽ cho công suất biểu kiến và thổi phồng kết quả, vì dòng qua cuộn lệch pha rất nhiều so với điện áp.
Cũng vì vậy, chức năng số hoá dạng sóng của một máy phân tích nguồn DC — tiêu biểu tới 200 kHz — là công cụ đúng cho hai đường một chiều ở hai đầu chuỗi, chứ không đủ để dựng lại dạng sóng cuộn dây. Ở mặt phẳng cuộn dây, hãy dùng máy hiện sóng với đầu dò dòng, và luôn khử lệch thời gian giữa kênh áp và kênh dòng trước khi tính công suất. Một sai lệch thời gian nhỏ giữa hai kênh biến thành sai số pha lớn ở trăm kilohertz, và sai số pha đi thẳng vào con số công suất tác dụng.
Thêm một chi tiết dễ gây hoang mang khi đọc dạng sóng: bên thu gửi yêu cầu về đế sạc bằng khoá dịch biên độ, tức là điều chế trở kháng phản xạ của chính nó; còn đế sạc gửi thông tin sang bên thu bằng khoá dịch tần số, tức là điều chế tần số làm việc. Những gợn biên độ và bước nhảy tần số nhìn thấy trên dạng sóng là truyền thông của giao thức, không phải nhiễu hay dấu hiệu mất ổn định.
Vật lạ và phần năng lượng không đi vào tải
Từ trường xoay chiều giữa đế sạc và thiết bị cảm ứng dòng xoáy trong mọi vật dẫn điện nằm trong vùng trường, làm chúng nóng lên. Các chi tiết kim loại thuộc kết cấu sản phẩm thường đã được che chắn khỏi từ trường nên không nóng đáng kể. Đồng xu, chìa khoá, kẹp giấy thì không được che chắn.
Điều đáng chú ý về mặt đo lường: đặc tả Qi định nghĩa loại thông tin mà bên thu phải cung cấp để đế sạc phát hiện vật lạ, nhưng không quy định một phương pháp phát hiện vật lạ duy nhất mà đế sạc buộc phải dùng. Thay vào đó, phép thử hợp chuẩn xác nhận rằng đế sạc không làm nóng một bộ vật lạ tham chiếu trong một bộ kịch bản tham chiếu. Nói cách khác, đây là phép thử theo kết quả chứ không theo cách làm.
Với người đo hiệu suất, điều này có nghĩa: phần công suất chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra không nhất thiết nằm hết trong cuộn dây và bán dẫn. Một phần có thể đang đi vào một vật kim loại mà bạn không để ý. Trước khi kết luận về hiệu suất của thiết kế, hãy dọn sạch bề mặt đế và kiểm tra rằng ốp lưng của thiết bị thử không chứa lớp kim loại hay chi tiết trang trí bằng kim loại.
Chọn thiết bị Keysight cho phép đo hiệu suất sạc không dây
Mặt trước Keysight N6705C với bốn ngõ ra và các pane đo điện áp, dòng đồng thời.
Phép đo cần ba năng lực: cấp và đo chính xác hai đường một chiều ở hai đầu chuỗi, ghi dài để bắt được quá trình sạc thay đổi theo thời gian, và đo công suất tác dụng ở mặt phẳng xoay chiều.
Cho hai đường một chiều, máy phân tích nguồn DC Keysight N6705C gộp bốn vai trò vào một khung: nguồn, đồng hồ vạn năng, bộ số hoá dạng sóng và bộ ghi dữ liệu. Khung bốn khe cho tối đa 600 W, đo điện áp với độ chính xác tới 0,025% cộng 50 µV và đo dòng tới 0,025% cộng 8 nA, độ phân giải tới 18 bit. Chức năng ghi dữ liệu cho khoảng lấy mẫu từ 20 µs đến 60 s và tối đa 500 triệu điểm mỗi lần ghi — đủ để theo trọn một chu trình sạc dài mà vẫn giữ được độ phân giải thời gian ở giai đoạn quá độ.
Khi cần đo dòng nghỉ ở mức micro-ampe của thiết bị thu xen kẽ với dòng sạc hàng ampe trong cùng một bản ghi, mô-đun nguồn-đo hai góc phần tư Keysight N6781A là mô-đun phù hợp để lắp vào khung trên, vì nó vừa cấp vừa hấp thụ dòng và đo được dải động rộng mà không phải đổi thang giữa chừng.
Ở mặt phẳng xoay chiều đầu vào, khi cần con số hiệu suất từ ổ cắm, máy phân tích công suất IntegraVision Keysight PA2201A đo công suất tác dụng, công suất biểu kiến và hệ số công suất trên đầu vào lưới, đồng thời hiển thị dạng sóng áp và dòng để bạn nhìn thấy dạng sóng méo chứ không chỉ nhận một con số.
Kết luận
Đo hiệu suất sạc không dây là bài toán khai báo điều kiện đo trước, đo sau. Hãy công bố cặp mặt phẳng, mức công suất, cuộn thu, độ lệch trục và khe hở kèm theo mọi con số hiệu suất; đo công suất tác dụng bằng tích thức thời chứ không bằng tích hai giá trị hiệu dụng ở mặt phẳng cuộn dây; và nhớ rằng hệ số ghép — chứ không phải chất lượng linh kiện — thường là biến khống chế lớn nhất. Một thiết kế tốt đặt lệch 8 mm vẫn có thể thua một thiết kế trung bình đặt đúng tâm.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Nếu bạn cần dựng cấu hình đo hiệu suất và ghi dài cho sản phẩm sạc không dây, hoặc cần hiệu chuẩn thiết bị đo công suất để số liệu có chuỗi truy xuất chuẩn, hãy gọi 0908 173 345.
