無線充電器技術(shù)及低成本設(shè)計(jì)方案

感應(yīng)式無線電力傳輸變得越來越流行。最近，許多手機(jī)制造商宣布他們生產(chǎn)的新型手機(jī)將支持無線充電功能。大多數(shù)新型手機(jī)都使用了基于感應(yīng)電力傳輸?shù)臒o線充電技術(shù)。這種技術(shù)也可用于其他便攜設(shè)備。為了令無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加簡單，無線充電聯(lián)盟(WPC)孕育而生，并提出了一個(gè)低功耗標(biāo)準(zhǔn)。

本文將介紹無線電力傳輸?shù)幕纠碚摬⒏攀鯳PC提出的“Qi”標(biāo)準(zhǔn)。最后，將介紹一個(gè)符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的低成本分立式無線充電器解決方案。

基本理論

基于感應(yīng)電源的無線電力傳輸?shù)幕纠碚摲浅：唵?。眾所周知，交流電場將產(chǎn)生磁場，交流磁場也將產(chǎn)生電場。在發(fā)射機(jī)中，直流電源轉(zhuǎn)換為交流電，并產(chǎn)生交流電場。在接收機(jī)處，線圈拾取來自交流磁場的電源，并將交流電轉(zhuǎn)換成直流電作為輸出負(fù)載。

發(fā)射線圈和接收線圈彼此分離，泄漏電感大且耦合系數(shù)小。因此，傳輸效率非常低。為提高傳輸效率，必須采用一個(gè)補(bǔ)償電路。常用方法就是在發(fā)送機(jī)側(cè)和接收機(jī)側(cè)分別放置一個(gè)補(bǔ)償電容，形成一個(gè)帶有發(fā)送線圈和接收線圈的諧振電路，用于改善電源傳輸。圖1顯示了兩個(gè)補(bǔ)償電路方法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通常情況下，在發(fā)送機(jī)側(cè)放置一個(gè)電容以形成帶有發(fā)送線圈的串聯(lián)諧振電路，而在接收機(jī)側(cè)有兩種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一種是形成帶有接收線圈的串聯(lián)諧振電路的電容，另一種是形成帶有接收線圈的平行諧振電路的電容。

圖1 -兩個(gè)諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

電壓傳輸函數(shù)如下所示：

Cp和Lp為發(fā)射機(jī)側(cè)發(fā)送線圈的串聯(lián)電容值和電感值，而Cs和Ls為接收機(jī)側(cè)接收線圈的串聯(lián)或平行電容值和串聯(lián)電感值。M為互感系數(shù)。ω0為諧振頻率。ωn為標(biāo)準(zhǔn)化工作頻率。n為兩個(gè)線圈電感的比率。Q為品質(zhì)因子。K為耦合系數(shù)。α為發(fā)射串聯(lián)電容與接收電容的比率。R為輸出負(fù)載。

圖2帶有電感串聯(lián)電阻的串聯(lián)諧振電路。

在方程式2中，沒有考慮線圈的串聯(lián)電阻。如果變更電路模型，如圖2所示，串聯(lián)諧振電路的電壓傳輸函數(shù)亦會發(fā)生變更，如下所示。

而且，平行諧振電路的方程式相似。

有些參數(shù)對無線充電器系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在無線充電器應(yīng)用中，大多數(shù)系統(tǒng)接收機(jī)使用串聯(lián)諧振電路。因此，下文將僅討論串聯(lián)諧振電路。

(1)品質(zhì)因子：

在方程式6中，Q被稱為品質(zhì)因子。發(fā)射線圈或輸出電阻的變更會影響Q值。在無線充電器系統(tǒng)中，工作點(diǎn)被設(shè)定在諧振頻率處。發(fā)射諧振頻率和接收諧振頻率總是相同。所以，我們感興趣的是諧振頻率的電壓傳遞函數(shù)值(ωn=1)。圖3顯示了Q值的系統(tǒng)電壓傳輸函數(shù)變化。

圖3具有不同質(zhì)量因子的電壓傳輸函數(shù)。

從該圖可以看出，當(dāng)Q值變小時(shí)，在諧振頻率點(diǎn)的電壓傳輸函數(shù)曲線變得更明顯。在這種情況下，電壓傳輸函數(shù)對頻率非常敏感，且輸出不易于保持穩(wěn)定。另一方面，當(dāng)Q值變大時(shí)，諧振頻率處的曲線變化變慢，但電壓傳輸函數(shù)變得非常低。為了得到相同的輸出電壓，必須在導(dǎo)致極低效率的發(fā)射機(jī)處施加更大的輸入電壓和電流。因此，需要慎重選擇合適的Q值。通常，Q值范圍從4到6.

(2)耦合系數(shù)

在方程式7中，K被稱為耦合系數(shù)。眾所周知，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生磁通。到達(dá)接收機(jī)的磁通越多，說明線圈耦合得越好。耦合系數(shù)用來測量該耦合級別。耦合系數(shù)取值在0和1之間，其中0表示發(fā)射線圈和接收線圈獨(dú)立，1表示發(fā)射線圈和接收線圈完全耦合。當(dāng)線圈完全耦合時(shí)，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁通完全被接收線圈搜集。

圖4具有不同耦合系數(shù)的電壓傳輸函數(shù)。

圖4顯示了耦合系數(shù)如何影響電壓傳輸函數(shù)曲線。從該圖中可以發(fā)現(xiàn)，有一個(gè)k值，在此處電壓傳輸函數(shù)達(dá)到峰值，這表示已實(shí)現(xiàn)最佳性能。因此，良好的線圈耦合對獲得更好的系統(tǒng)性能非常重要。

WPC無線充電器標(biāo)準(zhǔn)

無線充電聯(lián)盟成立的宗旨是建立一個(gè)關(guān)于短距離移動裝置無線電力傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)被稱為「Qi」標(biāo)準(zhǔn)。WPC標(biāo)準(zhǔn)定義了低功率無線裝置中的感應(yīng)耦合工作方法，以及電力發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的通訊協(xié)議。它還規(guī)定，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的最大功率為5瓦，發(fā)射線圈與接收線圈之間的典型距離為5毫米?；鞠到y(tǒng)示意圖如圖5所示。WPC標(biāo)準(zhǔn)下的任何裝置均可與其他符合WPC標(biāo)準(zhǔn)的任何裝置一起使用。在Qi標(biāo)準(zhǔn)V1.1中，增加了異物偵測(FOD)功能。

圖5基本系統(tǒng)。

(1)電力發(fā)射機(jī)

在WPC標(biāo)準(zhǔn)中，有三種電力發(fā)射機(jī)類型：引導(dǎo)定位、移動線圈自由定位及線圈矩陣自由定位，如圖6所示。

圖6三種電力發(fā)射機(jī)定位類型。[!--empirenews.page--]

對于引導(dǎo)定位，接收線圈中心必須與發(fā)射線圈中心對準(zhǔn)。否則，傳輸電源和傳輸效率均將顯著降低。因此，發(fā)射線圈和接收線圈使用兩個(gè)磁體對齊并匯聚磁力線。

自由定位發(fā)射機(jī)是一款很好的發(fā)射機(jī)類型，因?yàn)樗勺屢话闶褂谜叩臒o線充電更加便捷。有兩個(gè)子類型來實(shí)現(xiàn)這一功能。一個(gè)是移動發(fā)射線圈，另一個(gè)是發(fā)射線圈矩陣。在第一類型中，當(dāng)接收機(jī)位于發(fā)射機(jī)表面上時(shí)，發(fā)射機(jī)移動線圈以對齊接收線圈，然后進(jìn)行電力傳輸。在第二類型中，發(fā)射線圈由線圈矩陣形成。當(dāng)接收機(jī)位于發(fā)射機(jī)上時(shí)，接收線圈周圍的一個(gè)或多個(gè)線圈將被啟動，并將電力傳輸?shù)浇邮諜C(jī)。

電力發(fā)射機(jī)有一個(gè)直流-交流區(qū)塊。例如，一個(gè)半橋被連接到一個(gè)串聯(lián)諧振電路。對于不同的發(fā)射機(jī)，Cp和Lp參數(shù)及輸入電壓會有所不同。直流-交流切換開關(guān)的操作頻率在110 KHz時(shí)正常，但有可能會變化至205 KHz以進(jìn)行電力控制。諧振回路也用于優(yōu)化電力傳輸。

電力發(fā)射機(jī)還有一個(gè)通訊區(qū)塊，用于解調(diào)從接收機(jī)收到的電力傳輸控制信息。該通訊區(qū)塊由電壓或電流感測電路形成。

(2)電力接收機(jī)

電力接收機(jī)通常是一款便攜設(shè)備，其硬件設(shè)計(jì)比發(fā)射機(jī)更加簡化。它通常包括四個(gè)部份：電力拾取區(qū)塊、全橋整流電路、電壓調(diào)節(jié)區(qū)塊和通訊控制區(qū)塊。

電力拾取區(qū)塊由包含一個(gè)接收線圈(Ls)和一個(gè)串聯(lián)諧振電容(Cs)的串聯(lián)諧振電路組成。諧振回路用于優(yōu)化電力接收。平行電容提供一個(gè)平行諧振電路，用于偵測接收機(jī)。

全橋整流器用作交流至直流轉(zhuǎn)換電路，該電路將接收到的波轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定電壓。電壓調(diào)節(jié)區(qū)塊是一條直流-直流電路，用于將接收到的較高電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的電壓。通訊控制區(qū)塊用于到電力發(fā)射機(jī)的傳輸電力控制信息(例如，控制錯(cuò)誤包)，以調(diào)整電力發(fā)射機(jī)的電力傳輸操作點(diǎn)或其他狀態(tài)。

(3)通訊

根據(jù)WPC標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的通訊是單向通訊。通訊方向是從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)。電力接收機(jī)通過變更阻抗(例如，電阻或電容)調(diào)整功率量，此操作會引起發(fā)射線圈電流或線圈電壓的周期性變化。發(fā)射機(jī)可偵測用于解調(diào)通訊信息的線圈電流或線圈電壓的變化。該標(biāo)準(zhǔn)定義了邏輯高電平和邏輯低電平之間發(fā)射線圈電流或線圈電壓振幅的最小振幅差，分別為15mA和200mV.

WPC標(biāo)準(zhǔn)還定義了通訊中的數(shù)據(jù)格式。在每次數(shù)據(jù)傳輸中，將傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。數(shù)據(jù)報(bào)由一個(gè)位同步前導(dǎo)碼(>11位1)、一個(gè)表示數(shù)據(jù)報(bào)類型的字節(jié)訊息頭、訊息信息(1…… 27個(gè)字節(jié))和一個(gè)總合檢查字節(jié)組成。一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)是一個(gè)11位串行格式。此格式由1位起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1位停止字節(jié)成。起始位是一個(gè)0.數(shù)據(jù)位的順序是最低位最先。奇偶校驗(yàn)位是奇數(shù)，停止位是一個(gè)1.數(shù)據(jù)位按差分雙相代碼格式編碼，且其速度為2Kbps.數(shù)據(jù)格式如圖7所示。

圖7數(shù)據(jù)格式。

(4)電力傳輸系統(tǒng)控制

從電力發(fā)射機(jī)到電力接收機(jī)的電力傳輸包括WPC標(biāo)準(zhǔn)所定義的四個(gè)階段，分別是選擇階段、Ping測試階段、識別和組態(tài)階段以及電力傳輸階段。各階段之間的關(guān)系如圖8所示。

圖8系統(tǒng)控制流程。

A.選擇

在此階段中，電力發(fā)射機(jī)檢測其表面物體的放置或移除情況。電力發(fā)射機(jī)可通過多種方法實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。如果電力發(fā)射機(jī)偵測到一個(gè)或多個(gè)物體，它將嘗試定位這些物體并區(qū)分潛在的電力接收機(jī)和異物。在一些情況下，電力發(fā)射機(jī)應(yīng)嘗試選擇一個(gè)原電池和一個(gè)電力接收機(jī)，用于電力傳輸。如果電力發(fā)射機(jī)選擇一個(gè)原電池和一個(gè)電力接收機(jī)，它應(yīng)進(jìn)入ping測試階段。另一方面，如果電力發(fā)射機(jī)無法識別潛在的電力接收機(jī)或逾時(shí)，它將進(jìn)入操作的待命模式。

B. Ping測試

在ping測試階段，電力發(fā)射機(jī)應(yīng)執(zhí)行一次數(shù)字訊號ping測試，檢查潛在的電力接收機(jī)是否為電力接收機(jī)或該接收機(jī)是否需要電力傳輸。因此，電力發(fā)射機(jī)在65ms的最大時(shí)期內(nèi)在初級線圈提供電力。電力接收機(jī)必須在該時(shí)間內(nèi)通過負(fù)載調(diào)變的方式進(jìn)行回復(fù)。完成ping測試階段后，系統(tǒng)將進(jìn)入下一階段，即識別和組態(tài)階段。如果沒有完成ping測試階段，系統(tǒng)將返回前一階段，即：選擇階段。

C.識別和組態(tài)

在識別和組態(tài)階段中，電力發(fā)射機(jī)將識別電力接收機(jī)，且電力接收機(jī)將傳輸組態(tài)信息，如電力接收機(jī)的基本裝置標(biāo)識符、電力接收機(jī)期望提供到整流器輸出端的最大功率量以及提供到電力發(fā)射機(jī)的最大功率量。電力發(fā)射機(jī)接收此信息，并調(diào)整工作點(diǎn)，然后進(jìn)入電力傳輸階段。如果電力發(fā)射機(jī)不能從電力接收機(jī)處正確接收識別和組態(tài)信息，無論何種原因，如電力接收機(jī)可能沒有發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)或電力發(fā)射機(jī)可能沒有解調(diào)所需信息，電力發(fā)射機(jī)都將返回到前一階段，即：選擇階段。

D.電力傳輸

在電力傳輸階段，電力發(fā)射機(jī)將向電力接收機(jī)提供連續(xù)電力，并調(diào)整電力傳輸工作點(diǎn)，以響應(yīng)從電力接收機(jī)收到的控制數(shù)據(jù)。在電力傳輸階段，電力發(fā)射機(jī)應(yīng)監(jiān)測電力傳輸參數(shù)。如果任何參數(shù)超出限定值，它將中斷電力傳輸并返回到選擇階段。最后，電力發(fā)射機(jī)從電力接收機(jī)處收到結(jié)束傳輸包時(shí)將結(jié)束電力傳輸。例如，當(dāng)電池充滿時(shí)，電力接收機(jī)不需要再對電池充電。此時(shí)，它應(yīng)發(fā)送結(jié)束電力傳輸包信息到電力發(fā)射機(jī)，以結(jié)束電力傳輸。然后，系統(tǒng)將返回到選擇階段。系統(tǒng)將保持在前三個(gè)階段，直到新的電力接收機(jī)放置于電力發(fā)射機(jī)上或組態(tài)信息變更。

分立式無線充電器解決方案

我們可以使用一些分立式裝置輕松設(shè)計(jì)出符合上述Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線充電器系統(tǒng)。圖9顯示了無線充電器分立式解決方案之一。

圖9.分立式無線充電器解決方案。

在發(fā)射機(jī)側(cè)，微控制器單元(MCU)用于控制整個(gè)發(fā)射機(jī)的功能。該MCU產(chǎn)生一個(gè)脈寬調(diào)變(PWM)波來驅(qū)動閘極驅(qū)動器。PWM的頻率和占空比由MCU控制。MCU根據(jù)從接收機(jī)收到的錯(cuò)誤控制包控制這兩個(gè)參數(shù)。FAN73932是一款半橋閘極驅(qū)動器，它把收到的矩形波轉(zhuǎn)換成兩個(gè)非重迭訊號，以驅(qū)動低端和高端MOSFET產(chǎn)品。直流-交流功能通過該裝置和兩個(gè)N信道MOSFET產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。發(fā)射線圈由交流波驅(qū)動。串聯(lián)電容用于形成一個(gè)帶有發(fā)射線圈的串聯(lián)諧振電路，以實(shí)現(xiàn)更好的電力傳輸性能?？赏ㄟ^這種方式傳輸電力。FAN8303是一個(gè)為MCU電源提供5V電壓的直流-直流轉(zhuǎn)換器。其他部分用于通訊。電容用于捕捉來自線圈的電壓，并將該電壓送到MCU ADC，以獲取通訊信息。我們也可使用一個(gè)感應(yīng)電阻和一個(gè)電壓放大器，以檢查發(fā)射線圈的電流變化。

在接收機(jī)側(cè)，也使用一個(gè)MCU來控制接收機(jī)的所有動作。帶有接收線圈的串聯(lián)諧振電路由一個(gè)電容形成。當(dāng)接收線圈位于發(fā)射線圈上時(shí)，可以在該串聯(lián)諧振電路末端獲得交流電壓。交流-直流功能通過具有兩個(gè)N信道MOSFET產(chǎn)品和兩個(gè)二極管的全橋整流器實(shí)現(xiàn)。直流電壓在該電路輸出端實(shí)現(xiàn)。該電壓可通過穩(wěn)壓電容實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。此電壓通過直流-直流轉(zhuǎn)換器(FAN8303)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，并在FAN8303裝置的輸出端可獲得用于MCU電源的5V穩(wěn)定電壓。當(dāng)MCU上電時(shí)，它控制兩個(gè)MOSFET產(chǎn)品與發(fā)射機(jī)進(jìn)行通訊。整個(gè)無線系統(tǒng)通過這種方式進(jìn)行組態(tài)。完成正確組態(tài)后，MCU將打開輸出開關(guān)。輸出電壓也可用于為便攜設(shè)備充電。充電電流和輸出電壓由MCU監(jiān)測，以獲知何時(shí)需要結(jié)束充電。

在軟件方面，圖10顯示了無線充電器發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的簡要流程圖。

圖10軟件流程圖。

通過這種無線充電器系統(tǒng)，系統(tǒng)可獲得效率約為69%的5W充電電源。

結(jié)論

無線充電器是傳統(tǒng)技術(shù)在便攜設(shè)備市場的新型應(yīng)用。WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)有利于無線充電器的普及。借助該標(biāo)準(zhǔn)，我們可輕松設(shè)計(jì)出無線充電器系統(tǒng)。本文簡要介紹了幾款用于該系統(tǒng)的分立式裝置。此外，Qi標(biāo)準(zhǔn)的所有功能均可實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)是一種可廣泛使用的低成本無線充電器解決方案。