安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 馬赟馨 謝 妍

基于磁耦合共振傳輸技術(shù)的手機(jī)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 馬赟馨 謝 妍

利用磁耦合共振傳輸技術(shù)對(duì)無線充電系統(tǒng)進(jìn)行電能-磁場(chǎng)能-電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)的無接觸充電。從磁耦合共振的原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成模塊、工作流程、A4WP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、影響無線充電傳輸效率的因素以及該系統(tǒng)的創(chuàng)新特色分別進(jìn)行研究。

磁耦合共振；手機(jī)無線充電系統(tǒng)；設(shè)計(jì)與研究

0 引言

有線充電因?yàn)閿[脫不了電源線的束縛，不同移動(dòng)設(shè)備接口的適配器不同等原因在使用上會(huì)有諸多不便，在處理手機(jī)耗電量快的問題上，僅僅增加電池的容量是一種治標(biāo)不治本的體現(xiàn)，對(duì)于充電困難方面并沒有很好的解決。因而，無線充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在很大程度上滿足了人們的充電需求。本論文主要研究基于磁耦合共振傳輸技術(shù)的手機(jī)無線充電系統(tǒng)的系統(tǒng)各組成模塊、工作流程的設(shè)計(jì)和影響無線充電傳輸效率的因素、A4WP 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及系統(tǒng)的創(chuàng)新特色等。

1 磁耦合共振的原理和結(jié)構(gòu)

無線充電技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了兩種模式，分別是磁感應(yīng)模式和磁共振模式。磁感應(yīng)要求充電板與充電設(shè)備必須緊密耦合，只能一對(duì)一充電；相反，磁共振是松散耦合，有極大的空間自由，可以被多臺(tái)充電設(shè)備使用。磁耦合共振傳輸技術(shù)是一種新興的磁共振傳輸技術(shù)。

1.1 磁耦合共振傳輸技術(shù)的原理

磁耦合共振傳輸技術(shù)的原理如圖1所示。磁耦合共振傳輸技術(shù)是將發(fā)射端和接收端的線圈制作成磁共振體系，當(dāng)發(fā)射電路線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)振動(dòng)頻率與接收電路的固有頻率一致的時(shí)候，在相距一定的距離，由于磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生共振，從而進(jìn)行電能和磁能的能量傳遞。

圖1 磁共振的原理圖

1.2 磁耦合共振傳輸技術(shù)的結(jié)構(gòu)

磁耦合共振無線充電系統(tǒng)由電能輸送模塊和電能接收模塊兩部分組成。電能輸送模塊包括交流電源、直流電源、基準(zhǔn)電壓、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、控制保護(hù)裝置、功率放大器輸出、振蕩結(jié)構(gòu)以及發(fā)射電磁線圈；電能接收模塊包括接收電磁線圈、供電負(fù)載和高頻整流濾波裝置。磁耦合共振無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類似于電磁感應(yīng)的結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于磁耦合共振多了一個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)電源設(shè)備來供電，加載在有電磁線圈和電容器的LC共振電路中，并非簡(jiǎn)單的用普通電磁線圈構(gòu)成電能輸送和電能接收的兩個(gè)模塊。當(dāng)電源輸送模塊接上電源時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交變磁束幀使電能接收模塊產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，為負(fù)載持續(xù)不斷地供電。

2 磁耦合共振無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁耦合共振無線充電系統(tǒng)框圖如圖2所示，該系統(tǒng)包括直流電輸入模塊、交流電輸入模塊、電源管理模塊、發(fā)射電路模塊、接收轉(zhuǎn)換電路模塊、充電電路模塊等六大模塊。

圖2 磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)框圖

2.1 發(fā)射電路

該系統(tǒng)的發(fā)射端等同于傳統(tǒng)充電系統(tǒng)的充電器端。發(fā)射電路主要由驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、阻抗匹配、驅(qū)動(dòng)線圈、發(fā)射線圈以及DDS、MCU與RFID閱讀器和AD/DC轉(zhuǎn)換器組成。

（1）驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)放大丙類信號(hào)的功能，過零比較器可以把DDS產(chǎn)生的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)變成方波信號(hào)，方波通過驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管。

（2）DDS

DDS由丙類功放電路的大功率信號(hào)調(diào)控，使得正弦信號(hào)和線圈共振的頻率調(diào)為一致，再通過過零比較器，將正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)變成方波信號(hào)，再把方波信號(hào)送到發(fā)射電路中。

（3）RFID

RFID是一種無線自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過發(fā)射信號(hào)來識(shí)別目標(biāo)產(chǎn)物，并由此分析得到所需數(shù)據(jù)。其最大的優(yōu)勢(shì)就是不需要人員的控制，并且通過耦合來實(shí)現(xiàn)閱讀器和電子標(biāo)簽間的不接觸無線數(shù)據(jù)通信。RFID的原理圖如圖3所示。

圖3 RFID的原理圖

當(dāng)RFID技術(shù)運(yùn)用到無線充電系統(tǒng)中時(shí)，閱讀器經(jīng)過磁感應(yīng)產(chǎn)生電流并轉(zhuǎn)化成一種具有特別頻率的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)在被電子標(biāo)簽收到之后，同時(shí)產(chǎn)生射頻信號(hào)并做出回應(yīng)，這樣閱讀器就不需要接觸目標(biāo)產(chǎn)物來間接分析出電子數(shù)據(jù)，進(jìn)而識(shí)別出身份，最終確認(rèn)目標(biāo)。確認(rèn)目標(biāo)后，電能的發(fā)射端驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生小范圍的電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)弱且頻率變化快。當(dāng)電能的接收端進(jìn)入這個(gè)電磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)射端因磁通量的改變產(chǎn)生感應(yīng)交流電動(dòng)勢(shì)，接收端的橋式整流就會(huì)產(chǎn)生作用把交流電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)變成直流電動(dòng)勢(shì)，但這個(gè)時(shí)候輸出的直流電混有其他雜亂的信號(hào)，需要借助電容進(jìn)行過濾，才能得到所需的直流電動(dòng)勢(shì)，來為負(fù)載電路供電，完成無線電的傳輸。

2.2 接收轉(zhuǎn)換電路

該系統(tǒng)的接收端等同于手機(jī)等便攜式待充電設(shè)備。接收轉(zhuǎn)換電路主要由諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配、AD/DC轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電路、接收電路、負(fù)載電路和有RFID 標(biāo)簽電路組成。

（1）諧振網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)的接收轉(zhuǎn)換電路的諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)換，首先將電能發(fā)射端的諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)換成電能，然后將該電能轉(zhuǎn)換成高頻交流電。電能接收端的諧振網(wǎng)絡(luò)作用是增強(qiáng)從電磁場(chǎng)獲取電能的能力，提高電能傳輸能力，其中的補(bǔ)償電容的組成部分是一個(gè)耦合電感Ls和補(bǔ)償電容Cs。

（2）AC/DC轉(zhuǎn)換

AC/DC轉(zhuǎn)換也是實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，它把接收端接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)換成較為穩(wěn)定的直流電，并輸送給負(fù)載電路。

電能接收端的流程如圖4所示，當(dāng)接收端接收到電能后，與發(fā)射端進(jìn)行及時(shí)通信，若發(fā)射端沒有終止傳輸電能，則繼續(xù)發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)包、身份標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包和配置數(shù)據(jù)包這三種數(shù)據(jù)包，并開始發(fā)送第四種數(shù)據(jù)包，即控制誤差數(shù)據(jù)包。然后通過檢測(cè)電路反饋給控制器的信號(hào)，判斷整流濾波后的輸出電壓是否正常。當(dāng)整流后的電壓不正常時(shí)，控制器立即向電能發(fā)射端發(fā)送終止傳輸電能的信號(hào)，終止電能傳輸；當(dāng)整流電壓正常時(shí)，控制器檢查反饋的設(shè)備信息，來判斷充電是否完成。如果充電完成，那么控制器向電能發(fā)射端發(fā)送結(jié)束充電的信號(hào)，充電過程結(jié)束；如果充電未完成，那么發(fā)射端發(fā)送控制誤差信號(hào)，通過調(diào)節(jié)，繼續(xù)步驟。

圖4 電能接收端的流程圖

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

3 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖5所示。首先進(jìn)入待機(jī)模式，發(fā)送端開始探尋待充電設(shè)備，若探尋成功，則檢測(cè)是否為可充電設(shè)備，若檢測(cè)為可充電設(shè)備，則發(fā)送端檢測(cè)待充電設(shè)備信息，檢測(cè)后充電并讀取設(shè)備信息；若檢測(cè)到不是可充電設(shè)備，則回到初始待機(jī)模式。讀取設(shè)備信息完成后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備信息，若設(shè)備充電完成，則充電結(jié)束；若充電沒有完成，則繼續(xù)充電，直到充電完成。

4 無線充電傳輸效率的影響因素

無線充電傳輸可以采用增加耦合的方式來提高效率，所以耦合系數(shù)在傳輸電能的過程中起著至關(guān)重要的作用，而損耗系數(shù)在能量無線傳輸中的作用也不可磨滅，兩者一同決定著傳輸系統(tǒng)的共振程度。

4.1 傳輸系統(tǒng)的耦合系數(shù)

當(dāng)兩個(gè)螺旋線圈之間的距離d,遠(yuǎn)小于諧振波長(zhǎng)λ，但又遠(yuǎn)大于線圈半徑r時(shí)，兩個(gè)線圈之間的互感M可表示為：

則兩線圈之間的耦合系數(shù)k可表示為：

由上述公式可知，當(dāng)d>>r時(shí)，耦合系數(shù)k將隨距離以d3衰減，故傳輸效率跟耦合系數(shù)有很大的關(guān)系。

4.2 傳輸系統(tǒng)的損耗系數(shù)

損耗系數(shù)可以由下列計(jì)算式算出

其中R為等效電阻，L是線圈的等效電感，由此可見線圈寄生電阻和線圈感數(shù)對(duì)于損耗系數(shù)的影響是很大的。當(dāng)系統(tǒng)處于高頻環(huán)境下，產(chǎn)生的感應(yīng)電流通過導(dǎo)電線圈時(shí)會(huì)沿著導(dǎo)線截面而分布不均，這就是所謂的集膚效應(yīng)。

5 A4WP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

A4WP標(biāo)準(zhǔn)是Alliance for Wireless Power標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)稱，A4MP標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了精準(zhǔn)的共振頻率，能夠在極弱的感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生共振，給負(fù)載充電。A4WP采用“電磁諧振無線充電技術(shù)”，可以實(shí)現(xiàn)稍遠(yuǎn)距離的無線充電，是基于磁耦合共振的第一標(biāo)準(zhǔn)，被稱為明天的無線充電標(biāo)準(zhǔn)。

6 系統(tǒng)的創(chuàng)新特色

（1）基于磁耦合共振傳輸技術(shù)的手機(jī)無線充電系統(tǒng)能量傳輸率高、自由度大、無輻射和無電磁干擾；

（2）系統(tǒng)電能發(fā)射端采用RFID技術(shù)具有識(shí)別功能，防止因誤加熱充電器以外的金屬，且無需人工干預(yù)。

（3）超低待機(jī)功耗，若充電器長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)不到物體，系統(tǒng)則進(jìn)入深度睡眠模式，降低功耗，提高整體效率。

7 結(jié)束語

本文提出的基于磁耦合共振傳輸技術(shù)的手機(jī)無線充電系統(tǒng)解決了有線充電帶來很大的不便，且相比于電磁感應(yīng)的無線充電技術(shù)，它的優(yōu)勢(shì)是無線充電的距離更遠(yuǎn)，并且可以自動(dòng)識(shí)別充電器以外的金屬，智能地分配能量，達(dá)到節(jié)能的目的。只要制定統(tǒng)一的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，就能使所有符合該標(biāo)準(zhǔn)的可充電設(shè)備使用同一無線充電器充電。

綜合來看，本文研究的磁耦合共振無線手機(jī)充電系統(tǒng)擺脫了手機(jī)充電時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)線的依賴，不是通過物理連接而是通過空間中的電磁變化來提供電能給手機(jī)電池充電，這種充電靈活、方便、通用性好的特點(diǎn)使得無線充電技術(shù)具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，對(duì)于推動(dòng)無線充電技術(shù)上具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值，為后續(xù)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了可靠的參考和借鑒。

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馬赟馨（1997—），女，安徽阜陽人，大學(xué)本科，學(xué)士，現(xiàn)就讀于安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，主要研究方向：硬件電路設(shè)計(jì)與仿真、無線通信。

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201610370154）。

謝妍（1996—），女，安徽馬鞍山人，大學(xué)本科，學(xué)士，現(xiàn)就讀于安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，要研究方向：軟件算法設(shè)計(jì)、嵌入式開發(fā)。