電感無線功率傳輸越來越普遍。最近，許多移動電話制造商宣布其新手機將支持無線充電功能。其中多數(shù)制造商使用基于電感功率傳輸?shù)臒o線充電技術(shù)。此技術(shù)也可用于其他便攜設(shè)備。為了簡化無線充電系統(tǒng)設(shè)計，創(chuàng)立了無線充電聯(lián)盟(WPC)并提出了低功率標(biāo)準(zhǔn)。

本文將介紹無線功率傳輸?shù)幕纠碚摬⒏攀鯳PC的“Qi”標(biāo)準(zhǔn)。最后，將引入可與Qi標(biāo)準(zhǔn)兼容的低成本分立式無線充電器解決方案。

基本理論

基于電感功率的無線功率傳輸?shù)幕纠碚摲浅：唵?。眾所周知，交變電場將產(chǎn)生磁場，而交變磁場也將產(chǎn)生電場。在發(fā)射器上，直流電已轉(zhuǎn)換為交流電，并且產(chǎn)生交變電場。在接收器上，線圈獲取交變磁場的電源，并將交流電轉(zhuǎn)換為直流電用于輸出負(fù)載。

發(fā)射器線圈和接收器線圈是分開的，具有大漏電感和小耦合因數(shù)，因此傳輸效率極低。要提高傳輸效率，必須采用補償電路。常見方法是在發(fā)射器端和接收器端同時放置補償電容，與發(fā)射器線圈和接收器線圈形成諧振電路以改進(jìn)功率傳輸。圖1顯示兩個補償電路方法的拓?fù)洹Ｍǔ?，電容放在傳輸端與發(fā)射器線圈形成串聯(lián)諧振電路，而在接收器端有兩種具有不同拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)類型。一種是與接收器線圈形成串聯(lián)諧振電路的電容，另一種是與接收器線圈形成并聯(lián)諧振電路的電容。

圖1–兩種諧振電路拓?fù)?/p>

電壓傳遞函數(shù)如下所示，

Cp和Lp是發(fā)射器端發(fā)射器線圈的串聯(lián)電容值和電感值，而Cs和Ls是接收器端接收器線圈的串聯(lián)或并聯(lián)電容值及其串聯(lián)電感值。M是互感。ω0是諧振頻率。ωn是標(biāo)準(zhǔn)化工作頻率。n是兩個線圈電感的比率。Q是品質(zhì)因數(shù)。K是耦合因數(shù)。α是發(fā)射器串聯(lián)電容和接收器電容的比率。R是輸出負(fù)載。

等式2中未考慮線圈的串聯(lián)電阻。如果更改電路模型，如圖2，將改變串聯(lián)諧振電路的電壓傳遞函數(shù)，如下所示。

圖2具有電感串聯(lián)電阻的串聯(lián)諧振電路

和，并聯(lián)諧振電路上的等式與之類似。

有一些參數(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，多數(shù)系統(tǒng)接收器中使用串聯(lián)諧振電路，因此我們僅討論以下這種電路。

(1)品質(zhì)因數(shù)

在等式6中，Q稱為品質(zhì)因數(shù)。發(fā)射器線圈或輸出電阻改變會影響Q值。在無線充電器系統(tǒng)中，工作點設(shè)置在諧振頻率上。發(fā)射器諧振頻率和接收器諧振頻率始終相同。因此諧振頻率上的電壓傳遞函數(shù)值(ωn=1)就是我們感興趣的。圖3說明系統(tǒng)電壓傳遞函數(shù)相對于Q值改變。

圖3具有不同品質(zhì)因數(shù)的電壓傳遞函數(shù)

從該圖中我們可以看出，當(dāng)Q值變小時，諧振頻率點的電壓傳遞函數(shù)曲線變化更明顯。在這種情況下，電壓傳遞函數(shù)對頻率極為敏感，無法輕松地將輸出保持穩(wěn)定。另一方面，當(dāng)Q值變大時，諧振頻率的曲線變化變慢，但電壓傳遞函數(shù)變得極低。要獲得相同的輸出電壓，我們必須在發(fā)射器上施加更大的輸入電壓和電流，而這會顯著降低效率。因此我們需要仔細(xì)選擇合適的Q值。和往常一樣，范圍為4至6之間。

(2)耦合因數(shù)。

在等式7中，K稱為耦合因數(shù)。正如我們所知，發(fā)射器產(chǎn)生磁通量。到達(dá)接收器的磁通量越多，線圈耦合的越好。耦合因數(shù)用于測量此耦合度。耦合因數(shù)值介于0和1之間，其中0是指發(fā)射器線圈和接收器線圈是獨立的，而1是指它們完美耦合。當(dāng)線圈完美耦合時，發(fā)射器線圈產(chǎn)生的磁通量全部被接收器線圈收集。

圖4具有不同耦合因數(shù)的電壓傳遞函數(shù)

圖4顯示耦合因數(shù)如何影響電壓傳遞函數(shù)曲線。從該圖中，可以發(fā)現(xiàn)有一個k值，其中電壓傳遞函數(shù)達(dá)到峰值，這表示實現(xiàn)了最大性能。因此良好耦合的線圈對于獲得更佳的系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

WPC無線充電器標(biāo)準(zhǔn)

為設(shè)立一個稱為“Qi”的短距離移動設(shè)備無線功率傳輸標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建了無線充電聯(lián)盟。WPC標(biāo)準(zhǔn)定義低功率無線設(shè)備中的電感耦合工作方法以及功率發(fā)射器和接收器之間的通信協(xié)議。它還定義從發(fā)射器到接收器傳輸?shù)淖畲蠊β蕿?W，發(fā)射器線圈與接收器線圈之間的典型距離為5mm?；鞠到y(tǒng)原理圖如圖5所示。依據(jù)WPC標(biāo)準(zhǔn)工作的任何設(shè)備都可與任何其他符合WPC標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備配合使用。在Qi標(biāo)準(zhǔn)V1.1中，添加了異物檢測(FOD)功能。

圖5基本系統(tǒng)

(1)功率發(fā)射器

WPC標(biāo)準(zhǔn)中有三種功率發(fā)射器類型：導(dǎo)向定位、具有移動線圈的自由定位以及具有線圈矩陣的自由定位如圖6中所示。

圖6三種功率發(fā)射器定位類型

使用導(dǎo)向定位，接收器線圈中心必須與發(fā)射器線圈中心對齊。否則，傳輸功率和傳輸效率將顯著降低。因此，發(fā)射器線圈和接收器線圈中使用了兩個磁體以便對準(zhǔn)和會聚磁力線。

自由定位是較好的發(fā)射器類型，因為它使最終用戶能夠方便地進(jìn)行無線充電。有兩個子類型來實現(xiàn)此功能。一個是移動發(fā)射器線圈，另一個是發(fā)射器線圈矩陣。在第一種類型中，當(dāng)接收器放在發(fā)射器表面時，發(fā)射器通過移動線圈與接收器線圈對齊，然后傳輸功率。在第二種類型中，發(fā)射器線圈由線圈矩陣形成。當(dāng)接收器放在發(fā)射器上時，將會激活接收器線圈周圍的一個或多個線圈，并向接收器傳輸功率。

功率發(fā)射器有一個DC或AC塊，例如，一個半橋連接至串聯(lián)諧振電路。Cp和Lp參數(shù)及輸入電壓因發(fā)射器不同而異。DC至AC開關(guān)的工作頻率在110KHz時為正常，為控制功率可能會變?yōu)?05KHz。諧振回路也用于優(yōu)化功率傳輸。

功率發(fā)射器也有一個通信塊以解調(diào)接收器的功率傳輸控制信息。其由電壓或電流檢測電路形成。

(2)功率接收器

功率接收器通常是便攜設(shè)備，其硬件設(shè)計比發(fā)射器更簡化。通常包括四個部件：功率提取塊、全橋整流電路、電壓調(diào)節(jié)塊和通信控制塊。

功率提取塊由包括接收器線圈(Ls)和串聯(lián)諧振電容(Cs)的串聯(lián)諧振電路組成。諧振電路用于優(yōu)化功率接收。并聯(lián)電容提供并聯(lián)諧振電路用于檢測接收器。

全橋整流器用作AC至DC電路，將接收波轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電壓。電壓調(diào)節(jié)塊為DC至DC電路，將較高的接收電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的電壓。通信控制塊用于將功率控制信息（如控制錯誤包）傳輸至功率發(fā)射器，以調(diào)節(jié)功率傳輸操作點或功率發(fā)射器的其他狀態(tài)。

(3)開放的溝通

在WPC標(biāo)準(zhǔn)中定義的發(fā)射器和接收器之間的通信為單向通信。通信方向是從接收器到發(fā)射器。功率接收器通過更改其阻抗（如電阻或電容）調(diào)節(jié)功率量，此操作將導(dǎo)致發(fā)射器線圈電流或線圈電壓定期改變。發(fā)射器可檢測線圈電流或線圈電壓變化，用于解調(diào)通信信息。該標(biāo)準(zhǔn)定義發(fā)射器線圈電流幅度的最小幅度差，或邏輯高電平和邏輯低電平之間的線圈電壓。分別為15mA和200mV。

WPC標(biāo)準(zhǔn)還定義通信中的數(shù)據(jù)格式。在每次數(shù)據(jù)傳輸中，將傳輸一個數(shù)據(jù)包。一個數(shù)據(jù)包由一個用于位同步的前同步碼（11位以上1）、指明數(shù)據(jù)包類型的一字節(jié)消息頭、消息信息（1..27字節(jié)）和一個檢驗和字節(jié)組成。一個數(shù)據(jù)字節(jié)為11位串行格式。此格式由一個位起始位、八個數(shù)據(jù)位、一個校驗位和一個位停止位組成。起始位為零。數(shù)據(jù)位的順序從最低有效位開始。校驗位為奇數(shù)，停止位為一。數(shù)據(jù)位采用差分雙相碼編碼，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)功率傳輸系統(tǒng)控制

從功率發(fā)射器到功率接收器的功率傳輸包括WPC標(biāo)準(zhǔn)中定義的四個階段。它們是選擇階段、ping階段、標(biāo)識和配置階段以及功率傳輸階段。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，功率發(fā)射器檢測其表面上是放置物體還是移除。功率發(fā)射器可通過許多方法實現(xiàn)此功能。如果功率發(fā)射器檢測到一個或多個物體，它應(yīng)嘗試找到這些物體并區(qū)分潛在功率接收器和異物。在某種情況下，功率發(fā)射器應(yīng)嘗試選擇一個主單元和一個功率接收器用于功率傳輸。如果功率發(fā)射器選擇一個主單元和一個功率接收器，則應(yīng)進(jìn)入ping階段。另一方面，如果功率傳輸器未識別潛在功率接收器或時間超時，則將進(jìn)入待機工作模式。

B.Ping

在ping階段，功率發(fā)射器應(yīng)執(zhí)行數(shù)字ping。它檢查潛在功率接收器是否為功率接收器或功率接收器是否需要功率傳輸。因此功率發(fā)射器為主線圈供電時間最長達(dá)65ms。功率接收器必須在此時間內(nèi)通過負(fù)載調(diào)制回應(yīng)。完成此操作后，系統(tǒng)將進(jìn)入下一階段，即標(biāo)識和配置階段。如果未完成，系統(tǒng)應(yīng)返回上一階段，即選擇階段。

C.標(biāo)識和配置

在標(biāo)識和配置階段，功率發(fā)射器應(yīng)能識別功率接收器，而功率接收器應(yīng)傳輸配置信息，如功率接收器的基本設(shè)備標(biāo)識符、功率接收器應(yīng)提供給其整流器輸出、功率發(fā)射器的最大功率量。功率發(fā)射器接收此信息并調(diào)節(jié)工作點，然后進(jìn)入功率傳輸階段。如果功率發(fā)射器因任何原因無法從功率接收器正確接收識別和配置信息，如功率接收器無法發(fā)送數(shù)據(jù)包或功率發(fā)射器無法解調(diào)正確信息，功率發(fā)射器應(yīng)返回上一階段，即選擇階段。

D.功率傳輸

在功率傳輸階段，功率發(fā)射器將向功率接收器提供持續(xù)功率，并響應(yīng)從功率接收器接收的控制數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)功率傳輸工作點。在功率傳輸階段，功率發(fā)射器應(yīng)監(jiān)控功率傳輸參數(shù)。如果任何參數(shù)超出限制，將中止功率傳輸并返回選擇階段。最后，從功率接收器接收了終止傳輸數(shù)據(jù)包時，功率發(fā)射器將終止功率傳輸。例如，當(dāng)電池滿電時，功率接收器無需再對電池充電。它應(yīng)將終止功率傳輸數(shù)據(jù)包信息發(fā)送至功率發(fā)射器，以終止功率傳輸。然后，系統(tǒng)將返回選擇階段。它將保持在前三個階段，直到功率發(fā)射器上放置新的功率接收器或更改了配置信息。

分立式無線充電器解決方案

我們可以輕松設(shè)計一個具有一些分立式設(shè)備的無線充電器系統(tǒng)，其與以上所示的Qi標(biāo)準(zhǔn)兼容。圖9顯示其中一個無線充電器分立式解決方案。

圖9分立式無線充電器解決方案

在發(fā)射器端，微控制器單元(MCU)用于控制發(fā)射器的整個功能。MCU生成脈寬調(diào)制(PWM)波以驅(qū)動柵極驅(qū)動器。PWM的頻率和占空比由MCU控制。MCU根據(jù)從接收器接收的錯誤控制數(shù)據(jù)包控制這兩個參數(shù)。FAN73932為半橋柵極驅(qū)動器，它將接收的矩形波轉(zhuǎn)換為兩個非重疊信號，以驅(qū)動低端和高端MOSFET。DC至AC功能由此設(shè)備和兩個N-MOSFET實現(xiàn)。發(fā)射器線圈由AC波驅(qū)動。串聯(lián)電容用于與發(fā)射器線圈形成一個串聯(lián)諧振電路，以實現(xiàn)更好的功率傳輸性能。功率可以此方式傳輸。FAN8303為DC-DC轉(zhuǎn)換器，為MCU電源提供5V電壓。另一部分為通信部分。電容用于從線圈獲取電壓，并將此電壓發(fā)送至MCUADC以獲取通信信息。我們也可使用感測電阻和電壓放大器來檢查發(fā)射器線圈的電流變化。

在接收器端，也采用MCU來控制接收器的所有操作。具有接收器線圈的串聯(lián)諧振電路由電容構(gòu)成。當(dāng)接收器線圈放在發(fā)射器線圈上時，我們可在此串聯(lián)諧振電路的末端獲得AC電壓。AC至DC功能由具有兩個N-MOSFET和兩個二極管的全橋整流器實現(xiàn)。DC電壓在此電路輸出端獲取。該電壓可通過調(diào)節(jié)器電容使其穩(wěn)定。此電壓通過DC-DC轉(zhuǎn)換器(FAN8303)傳輸，在FAN8303設(shè)備的輸出端獲取穩(wěn)定的5V，用于MCU電源。MCU上電時，它控制兩個MOSFET，以便與發(fā)射器通信。整個無線系統(tǒng)采用此方式配置。MCU將在完成正確配置后打開輸出開關(guān)。輸出電壓也可用于對便攜設(shè)備充電。充電電流和輸出電壓由MCU監(jiān)控，以了解何時需要終止充電。

在軟件方面，圖10顯示無線充電器發(fā)射器和接收器的簡要流程圖。

通過此類無線充電器系統(tǒng)，系統(tǒng)可獲取5W充電電源，效率約為69%。

結(jié)論

無線充電器是采用舊技術(shù)的便攜設(shè)備市場新應(yīng)用。WPCQi標(biāo)準(zhǔn)有益于無線充電器的普及。借助此標(biāo)準(zhǔn)，我們可輕松設(shè)計無線充電器系統(tǒng)。本文僅提及系統(tǒng)中使用的幾種分立式設(shè)備。此外，Qi標(biāo)準(zhǔn)的所有功能都可實現(xiàn)。此系統(tǒng)是可以廣泛使用的低成本無線充電器解決方案。