姚國(guó)平
(深圳市瑞祥達(dá)電子有限公司,廣東深圳 518000)
電子設(shè)備傳統(tǒng)的有線充電方法是一臺(tái)電子設(shè)備配上一臺(tái)充電器,導(dǎo)致了充電器和數(shù)據(jù)線數(shù)量過多,造成了資源耗費(fèi)。若選擇無線充電,就能減少一部分耗費(fèi)。另外,有線充電本身需要預(yù)留專門的充電接頭,在進(jìn)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(nèi)部,進(jìn)行安全可靠的充電。使用無線充電可以進(jìn)一步改善人類的日常生活,為消費(fèi)者提供更為前衛(wèi)和現(xiàn)代化的使用感受。
無線充電技術(shù)來源于電感耦合非接觸式電能傳輸技術(shù),目前國(guó)內(nèi)研發(fā)該工藝技術(shù)的主要有重慶大學(xué)、北京郵電大學(xué)等。
梁美富[1]對(duì)無線充電器的電路構(gòu)成和補(bǔ)償電路做了比較細(xì)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(diǎn)周圍,以便改善整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效能。
孫軒[2]在對(duì)無線充電設(shè)備中的高頻逆變控制系統(tǒng)和諧振轉(zhuǎn)換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開展系統(tǒng)分析研究的基礎(chǔ)上,對(duì)系統(tǒng)中在單負(fù)荷和多負(fù)荷的情形下開展了模型解析,并以設(shè)備線性負(fù)荷的情形為例,對(duì)系統(tǒng)中電路參數(shù)改變與設(shè)備電壓增益改變之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系展開深入研究,從而提出了一個(gè)基于設(shè)備電流增益變化的系統(tǒng)參數(shù)分析模型。
王歡[3]對(duì)應(yīng)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(zhǎng)度、線圈距離等因素對(duì)線圈自感與互感的影響,并對(duì)線圈的電磁場(chǎng)進(jìn)行了模擬與分析。
楊唐純[4]對(duì)無線充電系統(tǒng)電路等效模式在進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了鎖相變頻環(huán)節(jié)跟隨電池負(fù)荷發(fā)生變化,使發(fā)送終端能夠按照電池負(fù)荷的變化大小調(diào)整傳送功率的高低,進(jìn)而改善了系統(tǒng)的傳送效果。
朱美杰[5]對(duì)無線充電控制系統(tǒng)的能量發(fā)射機(jī)構(gòu)與屏蔽方式,開展了深入研究。文章首先對(duì)線圈自感與互感關(guān)系的計(jì)算做出了理論解析,并在此基礎(chǔ)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(diǎn)水平距離和偏角等對(duì)互感關(guān)系的影響,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的電磁屏蔽原理做了比較細(xì)致的理論解析,并提供了模擬結(jié)果加以證明。
1.3.1 需求分析
隨著智能手機(jī)的流行,由于電量耗費(fèi)較快,充電時(shí)間較長(zhǎng),每天都要通過數(shù)據(jù)接口完成充電,因此設(shè)計(jì)了無線充電設(shè)備。其能夠隨放隨充,隨取隨停,極大地方便了整個(gè)充電流程。即,設(shè)計(jì)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(jiǎn)單地嵌入或擺放在公眾場(chǎng)所的桌面上;能量接收端內(nèi)嵌在手機(jī)里,而不會(huì)明顯地增加手機(jī)的尺寸與容積;無線充電器發(fā)送端能自行識(shí)別手機(jī)并補(bǔ)充電量,在手機(jī)充滿電量后有相應(yīng)的提醒;在充電過程中的電流平穩(wěn),不對(duì)手機(jī)電池產(chǎn)生傷害。
1.3.2 主要設(shè)計(jì)要求
無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí),有較高的傳輸效率;⑤當(dāng)發(fā)送端表面上沒有接收端或發(fā)送端不需要充電時(shí),自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài);⑥待機(jī)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(shí)也會(huì)有報(bào)警聲。
智能無線充電數(shù)據(jù)中心技術(shù)可以滿足人們對(duì)無線充電器在安全性、便利性、擴(kuò)展性、通用性的需求。
1.4.1 安全性
NFC 技術(shù)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(shí)間等特點(diǎn),可以存儲(chǔ)被充電終端的充電參數(shù),設(shè)備認(rèn)證消息等特點(diǎn)。
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(nèi)部總線等方式,數(shù)據(jù)中心可以是PC 端、WIFI 路由器、Internet 服務(wù)器等數(shù)據(jù)中心,在無線充電的過程中實(shí)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(rèn)證至關(guān)重要,從而保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊?/p>
1.4.3 擴(kuò)展性
將無線充電模塊可以嵌入筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)面板中,通過內(nèi)部總線與PC 通訊,充電設(shè)備可以隨時(shí)進(jìn)行充電的同時(shí)與PC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)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(shí)隨地充電及數(shù)據(jù)交互、無線充電模塊,也可以單獨(dú)存在。作為數(shù)據(jù)中心的NFC 延伸,其既可以實(shí)現(xiàn)無線充電,也可以實(shí)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(jià)格低廉,普及性強(qiáng)。
通過法拉第電磁感應(yīng)理論可以得出,電線在磁通量發(fā)生變化的電磁中也會(huì)形成感知電動(dòng)勢(shì)。若該電線為完全封閉的電路中的一部分時(shí),也會(huì)形成感應(yīng)電流。而電磁耦合式的無線網(wǎng)絡(luò)充電設(shè)備也正是按照這種理論設(shè)計(jì)的,與傳統(tǒng)交流變壓器原理很相似。其不同點(diǎn)就是交流變壓器的原副邊線圈內(nèi)部的耦合也是緊耦合,即原副邊內(nèi)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(gè)磁殼上,磁芯也可以提高磁導(dǎo)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?yàn)榘言边叚h(huán)繞在同一個(gè)磁殼上,才導(dǎo)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(nèi)部都是松耦合,原副邊線圈內(nèi)部的耦合相對(duì)較微弱。為減輕整個(gè)控制系統(tǒng)的容積和重力,所以一般都不使用磁殼。同時(shí),由于原副邊線圈內(nèi)部位置的不穩(wěn)定,副邊可以在規(guī)定區(qū)域內(nèi)隨意移動(dòng),不過因?yàn)榭諝獯抛柽h(yuǎn)超過磁殼,很大部分電動(dòng)勢(shì)降都分布在空磁路上,易造成傳輸效果較差。因?yàn)樗神詈辖Y(jié)構(gòu)漏磁大、原邊電流線圈與副邊電流線圈相互之間的耦合關(guān)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(guān)聯(lián)。
通過楞次定律和電磁傳感器的理論研究可知,應(yīng)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(dǎo)線連接的電磁傳感器強(qiáng)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(huì)增加電磁輻射,為電磁屏蔽的設(shè)計(jì)帶來了麻煩,所以一般還需要對(duì)原邊的能量發(fā)射機(jī)構(gòu)與副邊能量接收機(jī)構(gòu)之間的耦合接收線圈進(jìn)行補(bǔ)償。
能量發(fā)送部分包含了整流濾波處理環(huán)、DC-DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)高頻逆變環(huán),以及能量發(fā)送機(jī)構(gòu)。能量接收機(jī)構(gòu)通常由一諧振網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成,該諧振網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換為高頻的交換電,該能量在通過能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)(如整流、濾波等)后,再供應(yīng)給用電裝置。電磁感應(yīng)無線充電如圖1所示。
圖1 電磁感應(yīng)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(zhuǎn)化為電子能量,并以此實(shí)現(xiàn)能量傳遞。只要這兩臺(tái)設(shè)備都是在一個(gè)相同的頻段上同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng),雙方就可實(shí)現(xiàn)能量交變。其好處是傳播距離較遠(yuǎn),但缺點(diǎn)是效能低下,而且目前還在研發(fā)中,尚未投放國(guó)際市場(chǎng)。磁場(chǎng)共振式無線充電如圖2所示。
圖2 磁場(chǎng)共振式無線充電
無線電波方式無線充電設(shè)備類似于早期應(yīng)用的礦石收音機(jī),主要是由微波發(fā)送設(shè)備以及微波模式的設(shè)備所構(gòu)成。它能夠捕捉到從墻上彈回的無線電波傳播能力,并隨負(fù)荷而進(jìn)行調(diào)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(tái)裝在插頭上的發(fā)送機(jī),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(jī)即可。其好處是能夠進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)傳輸,而且效率也比較高;缺點(diǎn)則是穩(wěn)定性、安全性都較低,并且需要相當(dāng)?shù)某杀局С帧?/p>
隨著無線電能傳輸技術(shù)的進(jìn)展,無線充電技術(shù)也引起了研發(fā)機(jī)構(gòu)和公司的普遍重視。由于無線充電技術(shù)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(jiǎn)單、通用性較好等優(yōu)點(diǎn),并具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。筆者利用對(duì)無線充電技術(shù)的深入研究,設(shè)想了一個(gè)適用于手機(jī)的無線充電系統(tǒng),其研發(fā)工作可以進(jìn)一步帶動(dòng)無線充電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,為今后無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作提供了參照與借鑒,具有相當(dāng)?shù)睦碚撘饬x與實(shí)用性。
(1)利用的高頻逆變電路和諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?,系統(tǒng)分析了各類拓?fù)涞奶匦裕⑨槍?duì)無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要制定了合理的集成電路拓?fù)?,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(luò)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(biāo),然后又詳盡地剖析了發(fā)送端的控制過程,重新設(shè)計(jì)了發(fā)送端的電源控制電路、收發(fā)線圈電流測(cè)量電路和逆變器輸入電壓測(cè)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(guān)電池充電狀況等的信息及時(shí)反饋回發(fā)送端,以便于對(duì)發(fā)送終端實(shí)現(xiàn)更加精確的管理,從而達(dá)到電能與信息的同時(shí)傳送,文章在對(duì)常見的通訊信號(hào)調(diào)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(hào)調(diào)節(jié)集成電路。
(3)為解決傳統(tǒng)的繞線型耦合機(jī)構(gòu)生產(chǎn)成本高昂,制造與安裝工序繁瑣,質(zhì)量一致性較差等弊端,設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于無線充電系統(tǒng)中的PCB 耦合機(jī)構(gòu)。
(4)提供了具體的試驗(yàn)裝置,對(duì)在各種負(fù)荷時(shí)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(jī)模式功率、額定工作時(shí)間藕和機(jī)構(gòu)的溫升等參數(shù)都進(jìn)行了試驗(yàn),而測(cè)試結(jié)果所設(shè)定的無線充電系統(tǒng)也可以達(dá)到一般的工作過程需要。