無線充電器技術(shù)及低成本設(shè)計方案

感應(yīng)式無線電力傳輸變得越來越流行。最近，許多手機制造商宣布他們生產(chǎn)的新型手機將支持無線充電功能。大多數(shù)新型手機都使用了基于感應(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)計更加簡單，無線充電聯(lián)盟 (WPC) 孕育而生，并提出了一個低功耗標(biāo)準(zhǔn)。

本文將介紹無線電力傳輸?shù)幕纠碚摬⒏攀?WPC 提出的“Qi”標(biāo)準(zhǔn)。最后，將介紹一個符合 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)射機中，直流電源轉(zhuǎn)換為交流電，并產(chǎn)生交流電場。在接收機處，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，必須采用一個補償電路。常用方法就是在發(fā)送機側(cè)和接收機側(cè)分別放置一個補償電容，形成一個帶有發(fā)送線圈和接收線圈的諧振電路，用于改善電源傳輸。圖 1 顯示了兩個補償電路方法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通常情況下，在發(fā)送機側(cè)放置一個電容以形成帶有發(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 - 兩個諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

電壓傳輸函數(shù)如下所示：

C_p和 L_p為發(fā)射機側(cè)發(fā)送線圈的串聯(lián)電容值和電感值，而 C_s和 L_s為接收機側(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。ω_n為標(biāo)準(zhǔn)化工作頻率。n 為兩個線圈電感的比率。 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，在諧振頻率點的電壓傳輸函數(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，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)射機產(chǎn)生磁通。到達(dá)接收機的磁通越多，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，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 k 值，在此處電壓傳輸函數(shù)達(dá)到峰值，這表示已實現(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)射機與接收機之間的通訊協(xié)議。它還規(guī)定，從發(fā)射機到接收機的最大功率為 5 瓦，發(fā)射線圈與接收線圈之間的典型距離為 5 毫米。基本系統(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

在 WPC 標(biāo)準(zhǔn)中, 有三種電力發(fā)射機類型：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)射機定位類型。

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磁體對齊并匯聚磁力線。

自由定位發(fā)射機是一款很好的發(fā)射機類型，因為它可讓一般使用者的無線充電更加便捷。 有兩個子類型來實現(xiàn)這一功能。一個是移動發(fā)射線圈，另一個是發(fā)射線圈矩陣。在第一類型中，當(dāng)接收機位于發(fā)射機表面上時，發(fā)射機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)接收機位于發(fā)射機上時，接收線圈周圍的一個或多個線圈將被啟動，并將電力傳輸?shù)浇邮諜C。

電力發(fā)射機有一個直流-交流區(qū)塊。例如，一個半橋被連接到一個串聯(lián)諧振電路。對于不同的發(fā)射機，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)射機還有一個通訊區(qū)塊，用于解調(diào)從接收機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

電力接收機通常是一款便攜設(shè)備，其硬件設(shè)計比發(fā)射機更加簡化。它通常包括四個部份：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)塊由包含一個接收線圈 (Ls) 和一個串聯(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。平行電容提供一個平行諧振電路，用于偵測接收機。

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)射機的傳輸電力控制信息（例如，控制錯誤包），以調(diào)整電力發(fā)射機的電力傳輸操作點或其他狀態(tài)。

(3) 通訊

根據(jù) WPC 標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射機和接收機之間的通訊是單向通訊。通訊方向是從接收機到發(fā)射機。電力接收機通過變更阻抗（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，將傳輸一個數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)報由一個位同步前導(dǎo)碼（>11 位 1）、一個表示數(shù)據(jù)報類型的字節(jié)訊息頭、訊息信息（1.. 27 個字節(jié)）和一個總合檢查字節(jié)組成。 一個數(shù)據(jù)字節(jié)是一個 11 位串行格式。 此格式由 1 位起始位、8 個數(shù)據(jù)位、1 個奇偶校驗位和 1 位停止字節(jié)成。起始位是一個 0。數(shù)據(jù)位的順序是最低位最先。奇偶校驗位是奇數(shù)，停止位是一個 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)射機到電力接收機的電力傳輸包括 WPC 標(biāo)準(zhǔn)所定義的四個階段，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)射機檢測其表面物體的放置或移除情況。 電力發(fā)射機可通過多種方法實現(xiàn)這個功能。如果電力發(fā)射機偵測到一個或多個物體，它將嘗試定位這些物體并區(qū)分潛在的電力接收機和異物。在一些情況下，電力發(fā)射機應(yīng)嘗試選擇一個原電池和一個電力接收機，用于電力傳輸。如果電力發(fā)射機選擇一個原電池和一個電力接收機，它應(yīng)進(jìn)入 ping 測試階段。 另一方面，如果電力發(fā)射機無法識別潛在的電力接收機或逾時，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是否為電力接收機或該接收機是否需要電力傳輸。因此，電力發(fā)射機在 65ms 的最大時期內(nèi)在初級線圈提供電力。電力接收機必須在該時間內(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)射機將識別電力接收機，且電力接收機將傳輸組態(tài)信息，如電力接收機的基本裝置標(biāo)識符、電力接收機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)射機的最大功率量。電力發(fā)射機接收此信息，并調(diào)整工作點，然后進(jìn)入電力傳輸階段。 如果電力發(fā)射機不能從電力接收機處正確接收識別和組態(tài)信息，無論何種原因，如電力接收機可能沒有發(fā)送數(shù)據(jù)報或電力發(fā)射機可能沒有解調(diào)所需信息，電力發(fā)射機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)射機將向電力接收機提供連續(xù)電力，并調(diào)整電力傳輸工作點，以響應(yīng)從電力接收機收到的控制數(shù)據(jù)。在電力傳輸階段，電力發(fā)射機應(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)射機從電力接收機處收到結(jié)束傳輸包時將結(jié)束電力傳輸。例如，當(dāng)電池充滿時，電力接收機不需要再對電池充電。 此時，它應(yīng)發(fā)送結(jié)束電力傳輸包信息到電力發(fā)射機，以結(jié)束電力傳輸。 然后，系統(tǒng)將返回到選擇階段。 系統(tǒng)將保持在前三個階段，直到新的電力接收機放置于電力發(fā)射機上或組態(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)射機側(cè)，微控制器單元 (MCU) 用于控制整個發(fā)射機的功能。該 MCU 產(chǎn)生一個脈寬調(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)從接收機收到的錯誤控制包控制這兩個參數(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 N 信道 MOSFET 產(chǎn)品實現(xiàn)。 發(fā)射線圈由交流波驅(qū)動。 串聯(lián)電容用于形成一個帶有發(fā)射線圈的串聯(lián)諧振電路，以實現(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。我們也可使用一個感應(yīng)電阻和一個電壓放大器，以檢查發(fā)射線圈的電流變化。

在接收機側(cè)，也使用一個 MCU 來控制接收機的所有動作。帶有接收線圈的串聯(lián)諧振電路由一個電容形成。當(dāng)接收線圈位于發(fā)射線圈上時，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 N 信道 MOSFET 產(chǎn)品和兩個二極管的全橋整流器實現(xiàn)。直流電壓在該電路輸出端實現(xiàn)。該電壓可通過穩(wěn)壓電容實現(xiàn)穩(wěn)定。 此電壓通過直流-直流轉(zhuǎn)換器 (FAN8303) 實現(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，它控制兩個 MOSFET 產(chǎn)品與發(fā)射機進(jìn)行通訊。整個無線系統(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)射機和接收機的簡要流程圖。

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。

編輯：admin  最后修改時間：2018-01-05