姚國平

（深圳市瑞祥達電子有限公司，廣東深圳 518000）

1 緒論

1.1 研究背景

電子設備傳統(tǒng)的有線充電方法是一臺電子設備配上一臺充電器，導致了充電器和數(shù)據(jù)線數(shù)量過多，造成了資源耗費。若選擇無線充電，就能減少一部分耗費。另外，有線充電本身需要預留專門的充電接頭，在進行多次插拔磨損后，這種連接方式很容易破損。而選擇無線充電方案，就不存在充電接口安全問題，生廠商就能直接把接收端封裝到電子產(chǎn)品內部，進行安全可靠的充電。使用無線充電可以進一步改善人類的日常生活，為消費者提供更為前衛(wèi)和現(xiàn)代化的使用感受。

1.2 無線設備發(fā)展現(xiàn)狀

無線充電技術來源于電感耦合非接觸式電能傳輸技術，目前國內研發(fā)該工藝技術的主要有重慶大學、北京郵電大學等。

梁美富[1]對無線充電器的電路構成和補償電路做了比較細致的分析，并確立了發(fā)射端電路的閉環(huán)控制方式，使電路始終能工作于諧振點周圍，以便改善整個系統(tǒng)的傳輸效能。

孫軒[2]在對無線充電設備中的高頻逆變控制系統(tǒng)和諧振轉換電路拓撲結構開展系統(tǒng)分析研究的基礎上，對系統(tǒng)中在單負荷和多負荷的情形下開展了模型解析，并以設備線性負荷的情形為例，對系統(tǒng)中電路參數(shù)改變與設備電壓增益改變之間的關聯(lián)關系展開深入研究，從而提出了一個基于設備電流增益變化的系統(tǒng)參數(shù)分析模型。

王歡[3]對應用無線充電控制系統(tǒng)中的電能發(fā)送線圈展開深入研究，系統(tǒng)分析了線圈的尺寸、匝數(shù)、路徑長度、線圈距離等因素對線圈自感與互感的影響，并對線圈的電磁場進行了模擬與分析。

楊唐純[4]對無線充電系統(tǒng)電路等效模式在進行系統(tǒng)分析的基礎上，設計了鎖相變頻環(huán)節(jié)跟隨電池負荷發(fā)生變化，使發(fā)送終端能夠按照電池負荷的變化大小調整傳送功率的高低，進而改善了系統(tǒng)的傳送效果。

朱美杰[5]對無線充電控制系統(tǒng)的能量發(fā)射機構與屏蔽方式，開展了深入研究。文章首先對線圈自感與互感關系的計算做出了理論解析，并在此基礎上利用模擬分析，研究了線圈外形、與接收線圈之間的垂直距離、與中心點水平距離和偏角等對互感關系的影響，進而對系統(tǒng)的電磁屏蔽原理做了比較細致的理論解析，并提供了模擬結果加以證明。

1.3 需求分析及設計要求

1.3.1 需求分析

隨著智能手機的流行，由于電量耗費較快，充電時間較長，每天都要通過數(shù)據(jù)接口完成充電，因此設計了無線充電設備。其能夠隨放隨充，隨取隨停，極大地方便了整個充電流程。即，設計的無線充電系統(tǒng)通常電量收發(fā)終端小型、輕薄，安放在桌面上而不占用空間，甚至還能夠簡單地嵌入或擺放在公眾場所的桌面上；能量接收端內嵌在手機里，而不會明顯地增加手機的尺寸與容積；無線充電器發(fā)送端能自行識別手機并補充電量，在手機充滿電量后有相應的提醒；在充電過程中的電流平穩(wěn)，不對手機電池產(chǎn)生傷害。

1.3.2 主要設計要求

無線充電系統(tǒng)的設計要求如下：①系統(tǒng)輕薄小巧，不占空間；②發(fā)射端的輸入為220 V 工頻交流電；③接收端輸出電壓為固定的5 V 直流電，而額定最大輸出電流為0.5 A；④工作在額定狀態(tài)時，有較高的傳輸效率；⑤當發(fā)送端表面上沒有接收端或發(fā)送端不需要充電時，自動進入待機狀態(tài)；⑥待機功耗較低；⑦根據(jù)不同的工作狀況有不同的指示燈提醒，在充電不順利時也會有報警聲。

1.4 智能無線充電（NFC）的特性

智能無線充電數(shù)據(jù)中心技術可以滿足人們對無線充電器在安全性、便利性、擴展性、通用性的需求。

1.4.1 安全性

NFC 技術非常成熟，具有非接觸式、通信距離l0 cm，數(shù)據(jù)帶寬多樣化，建立時間等特點，可以存儲被充電終端的充電參數(shù)，設備認證消息等特點。

1.4.2 便利性

將無線充電終端連接到數(shù)據(jù)中心，連接方式可以采用USB、WIFI、IPv4、內部總線等方式，數(shù)據(jù)中心可以是PC 端、WIFI 路由器、Internet 服務器等數(shù)據(jù)中心，在無線充電的過程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互傳輸。而在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中NFC 認證至關重要，從而保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊?/p>

1.4.3 擴展性

將無線充電模塊可以嵌入筆記本電腦、臺式機面板中，通過內部總線與PC 通訊，充電設備可以隨時進行充電的同時與PC 進行數(shù)據(jù)交互。同時無線充電模塊亦可以嵌入各類電器中、辦公器材中，方便快捷、隨時隨地充電及數(shù)據(jù)交互、無線充電模塊，也可以單獨存在。作為數(shù)據(jù)中心的NFC 延伸，其既可以實現(xiàn)無線充電，也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1.4.4 通用性

NFC 模塊和無線充電模塊價格低廉，普及性強。

2 無線充電原理

2.1 電磁感應無線充電

通過法拉第電磁感應理論可以得出，電線在磁通量發(fā)生變化的電磁中也會形成感知電動勢。若該電線為完全封閉的電路中的一部分時，也會形成感應電流。而電磁耦合式的無線網(wǎng)絡充電設備也正是按照這種理論設計的，與傳統(tǒng)交流變壓器原理很相似。其不同點就是交流變壓器的原副邊線圈內部的耦合也是緊耦合，即原副邊內部的耦合十分牢固，因此經(jīng)常把原副邊線圈環(huán)繞在同一個磁殼上，磁芯也可以提高磁導通率減少電流損耗，所以交流變壓器的輸出效率更高輸出功率也可以做得較大。也正是因為把原副邊環(huán)繞在同一個磁殼上，才導致了交流變壓器的原副邊相位改變比較穩(wěn)定，但可靠性較差；而由于無線電容控制系統(tǒng)的原副邊內部都是松耦合，原副邊線圈內部的耦合相對較微弱。為減輕整個控制系統(tǒng)的容積和重力，所以一般都不使用磁殼。同時，由于原副邊線圈內部位置的不穩(wěn)定，副邊可以在規(guī)定區(qū)域內隨意移動，不過因為空氣磁阻遠超過磁殼，很大部分電動勢降都分布在空磁路上，易造成傳輸效果較差。因為松耦合結構漏磁大、原邊電流線圈與副邊電流線圈相互之間的耦合關系較小，從而不符合交流變壓器中原副邊電流線圈壓力與電流相互的匝比關聯(lián)。

通過楞次定律和電磁傳感器的理論研究可知，應該利用增加原邊線圈電壓變化率，或增加原邊線圈電流密度頻率，從而提高與原副邊輸入導線連接的電磁傳感器強度，以增加傳輸功率密度，從而減少能量損失，增加系統(tǒng)效能。但由于頻率過高也會增加電磁輻射，為電磁屏蔽的設計帶來了麻煩，所以一般還需要對原邊的能量發(fā)射機構與副邊能量接收機構之間的耦合接收線圈進行補償。

能量發(fā)送部分包含了整流濾波處理環(huán)、DC-DC轉換環(huán)節(jié)高頻逆變環(huán)，以及能量發(fā)送機構。能量接收機構通常由一諧振網(wǎng)絡系統(tǒng)構成，該諧振網(wǎng)絡系統(tǒng)中的諧振電感能夠從發(fā)送端所形成的交變電磁中拾取能量，并轉換為高頻的交換電，該能量在通過能量轉換環(huán)節(jié)（如整流、濾波等）后，再供應給用電裝置。電磁感應無線充電如圖1所示。

圖1 電磁感應無線充電

2.2 磁場共振式無線充電

電磁共振無線充電系統(tǒng)利用的原理是，用電方與受電方通過二端的共振器形成電磁共振，同樣是把電磁能量轉化為電子能量，并以此實現(xiàn)能量傳遞。只要這兩臺設備都是在一個相同的頻段上同時產(chǎn)生振動，雙方就可實現(xiàn)能量交變。其好處是傳播距離較遠，但缺點是效能低下，而且目前還在研發(fā)中，尚未投放國際市場。磁場共振式無線充電如圖2所示。

圖2 磁場共振式無線充電

2.3 無線電波式無線充電

無線電波方式無線充電設備類似于早期應用的礦石收音機，主要是由微波發(fā)送設備以及微波模式的設備所構成。它能夠捕捉到從墻上彈回的無線電波傳播能力，并隨負荷而進行調節(jié)的并且保持穩(wěn)定的工作直流壓力。此種方法僅需要一臺裝在插頭上的發(fā)送機，或者可以放置在其他較低工作電壓產(chǎn)品上的“蚊型”接收機即可。其好處是能夠進行短距離數(shù)據(jù)傳輸，而且效率也比較高；缺點則是穩(wěn)定性、安全性都較低，并且需要相當?shù)某杀局С帧?/p>

3 結論

隨著無線電能傳輸技術的進展，無線充電技術也引起了研發(fā)機構和公司的普遍重視。由于無線充電技術利用電磁耦合使能量直接由用電終端傳遞到供電裝置上來給其電池充電，因此具備了充電方式靈活、簡單、通用性較好等優(yōu)點，并具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬?。筆者利用對無線充電技術的深入研究，設想了一個適用于手機的無線充電系統(tǒng)，其研發(fā)工作可以進一步帶動無線充電技術的發(fā)展與應用，為今后無線充電系統(tǒng)的設計工作提供了參照與借鑒，具有相當?shù)睦碚撘饬x與實用性。

（1）利用的高頻逆變電路和諧振網(wǎng)絡拓撲，系統(tǒng)分析了各類拓撲的特性，并針對無線充電系統(tǒng)設計的實際需要制定了合理的集成電路拓撲，完成了發(fā)送端與接收端之間的主控芯片選型。首先闡述了無線網(wǎng)絡充電系統(tǒng)的基本控制方式和在電力傳輸不同階段的控制目標，然后又詳盡地剖析了發(fā)送端的控制過程，重新設計了發(fā)送端的電源控制電路、收發(fā)線圈電流測量電路和逆變器輸入電壓測量電路，并詳盡地剖析了發(fā)送端的監(jiān)控過程。

（2）為使無線充電控制系統(tǒng)的接收端將其電量需求信息，以及有關電池充電狀況等的信息及時反饋回發(fā)送端，以便于對發(fā)送終端實現(xiàn)更加精確的管理，從而達到電能與信息的同時傳送，文章在對常見的通訊信號調節(jié)集成電路開展了系統(tǒng)分析的基本上，選擇了適合于無線充電控制系統(tǒng)的通訊信號調節(jié)集成電路。

（3）為解決傳統(tǒng)的繞線型耦合機構生產(chǎn)成本高昂，制造與安裝工序繁瑣，質量一致性較差等弊端，設計一款應用于無線充電系統(tǒng)中的PCB 耦合機構。

（4）提供了具體的試驗裝置，對在各種負荷時無線充電系統(tǒng)的最大輸出電流和傳輸效率、發(fā)射端的待機模式功率、額定工作時間藕和機構的溫升等參數(shù)都進行了試驗，而測試結果所設定的無線充電系統(tǒng)也可以達到一般的工作過程需要。