楊培凱，石　雄

（武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢430023）

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一種無線充電管理系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)*

楊培凱，石雄

（武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢430023）

摘要：針對傳統(tǒng)有線充電方式的弊端，開發(fā)一種由無線充電發(fā)射模塊、無線充電接收模塊、電源管理模塊組成的無線充電管理方案。發(fā)射模塊通過發(fā)射線圈發(fā)射能量，接收模塊產(chǎn)生電磁感應(yīng)以后將接收到的電能輸出。當(dāng)接收模塊接收到的電能功率較小時，電源管理器能夠采集毫瓦級的電能，為充電電池進(jìn)行充電。整個系統(tǒng)能夠滿足各種電子產(chǎn)品及無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電需求。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)；無線充電；電源管理

1　引言

自從電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)至今，傳統(tǒng)的電能傳輸大多通過有線介質(zhì)進(jìn)行，比如現(xiàn)在廣泛使用的電纜、漆包線等，這種方式需要導(dǎo)線之間直接接觸才能進(jìn)行電能的傳輸[1]。而在易燃易爆行業(yè)，采用導(dǎo)線輸電不僅限制了使用范圍，而且裸露的導(dǎo)線與金屬設(shè)備之間會形成高壓靜電，極易損壞設(shè)備。因此，研究一種無接觸的新型輸電方式顯得迫在眉睫。在眾多研究方案中，基于電磁感應(yīng)原理的無線電能傳輸技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景，符合科技發(fā)展當(dāng)前階段的研究情況。

在近幾年的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中已經(jīng)使用了短距離無線充電技術(shù)。無線充電聯(lián)盟（WPC）為無線充電技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的努力，他們推出了一種全球標(biāo)準(zhǔn)——Qi標(biāo)準(zhǔn)。符合該標(biāo)準(zhǔn)的充電技術(shù)充電時完全無需借助電線，當(dāng)進(jìn)行充電時，發(fā)射電路將電能通過發(fā)射芯片轉(zhuǎn)換成振蕩電流并且通過線圈產(chǎn)生電磁場，電磁場在空間傳播，遇到接收線圈后就會在接收模塊內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。接收到的電流經(jīng)過無線接收芯片進(jìn)行整流穩(wěn)壓后就可以直接給充電電池充電或者為小功率設(shè)備供電[2]。

本次設(shè)計(jì)采用在接收模塊的輸出端加上電源管理模塊的方法，用來采集接收模塊的輸出電流，能夠很好地提高無線充電的效率，縮短充電時間。同時，對無線充電系統(tǒng)進(jìn)行改裝，將無線充電接收端嵌入到傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，不僅可以解決密封的傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源供電的問題，也可以增加傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的使用時間，減少更換節(jié)點(diǎn)帶來的成本增加。

2　無線充電系統(tǒng)的組成原理

無線充電技術(shù)的電能發(fā)射端到接收端采用無接觸方式，因此與傳統(tǒng)輸電方式相比，提高了用電設(shè)備獲取電能的靈活性。無線充電系統(tǒng)需要借助發(fā)射端發(fā)出的電磁波與接收端的接受線圈產(chǎn)生磁耦合才能進(jìn)行能量的傳輸。當(dāng)線圈之間的耦合系數(shù)較小時，會有較大的磁漏，故電壓增益下降，傳輸效率低，而且其耦合系數(shù)是隨著磁芯之間的距離以及有效感應(yīng)面積而變化的，因此，這些問題是目前無線充電技術(shù)急需攻克的難關(guān)。

無線電能傳輸是一種借助于電磁波進(jìn)行能量傳遞的技術(shù)，按照電能傳輸原理的不同，無線電能傳輸可以分為電場耦合方式、電磁感應(yīng)方式、磁共振方式、無線電波方式[3]。其中電磁感應(yīng)充電是目前最為常用和成熟的，通過發(fā)射端和接收端的線圈進(jìn)行能量耦合，從而實(shí)現(xiàn)電能傳輸?；陔姶鸥袘?yīng)原理的無線充電管理系統(tǒng)由3個模塊組成，分別是無線充電發(fā)射器、無線充電接收器、電源管理器。該無線充電管理系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1　無線充電管理系統(tǒng)方框圖

無線充電技術(shù)的發(fā)射和接收利用了電磁感應(yīng)原理，電流通過發(fā)射芯片后產(chǎn)生振蕩的電壓，振蕩電壓流經(jīng)發(fā)射線圈后便會產(chǎn)生電磁場。當(dāng)接收端線圈感應(yīng)到發(fā)射端的電磁場后便會將電磁轉(zhuǎn)換為電壓，電壓經(jīng)過調(diào)制加上負(fù)載變成電流，電流就可以為接收設(shè)備充電。由無線充電管理系統(tǒng)方框圖可以看到：發(fā)射線圈和接收線圈需要配套使用，發(fā)射線圈接在充電板上負(fù)責(zé)發(fā)射能量，接收線圈與傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或者電子產(chǎn)品相連接負(fù)責(zé)接收電能。

發(fā)射模塊產(chǎn)生振蕩的磁場，接收模塊感應(yīng)到磁場后，產(chǎn)生電磁感應(yīng)，由此產(chǎn)生感應(yīng)電壓[4]。由于自由空間的磁干擾，發(fā)射和接收線圈的貼合度等問題，接收模塊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢可能不穩(wěn)定，因此在接收模塊后面加一個電源管理器來穩(wěn)定采集電壓。電源管理器的負(fù)載端直接與手機(jī)充電電池或者無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可充電電池相連，那么充電電池就可以源源不斷地進(jìn)行穩(wěn)定的充電，從而為MCU提供一個穩(wěn)定的電源輸入。

3　無線充電管理系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

整個無線充電管理系統(tǒng)由發(fā)射電路（TX）、接收電路（RX）、電源管理電路組成，相互之間協(xié)同工作。發(fā)射電路經(jīng)過發(fā)射線圈發(fā)射能量，接收電路匹配到發(fā)射能量以后能夠?qū)邮漳芰窟M(jìn)行采集處理。

3.1發(fā)射電路（TX）

無線充電的發(fā)射端為5 V直流供電，比如我們平時使用的5 V手機(jī)充電器就可以直接插在發(fā)射端的接口上，為發(fā)射模塊外部供電。但是發(fā)射端的控制芯片BQ500211的外接電壓為3.3 V，因此需要通過一個穩(wěn)壓芯片TLV70033將5 V電壓降壓為3.3 V。發(fā)射端3.3 V穩(wěn)壓電路原理圖如圖2所示。

5 V電壓由P1口輸入以后，經(jīng)過TLV70033穩(wěn)壓芯片，將會產(chǎn)生3.3 V VCC輸出電壓，同時該電壓通過電阻R3和電容C3組成的RC振蕩電路以后，就會產(chǎn)生3.3V VDC電壓，該電壓作為發(fā)射線圈振蕩電路的輸入振蕩電壓。

圖2　發(fā)射端3.3 V穩(wěn)壓電路原理圖

發(fā)射端的外部振蕩電路通過兩片TPS28225D同步驅(qū)動器芯片驅(qū)動4片N溝道MOS管CSD17308Q3芯片。線圈的兩端有兩套獨(dú)立的半橋振蕩電路，兩個對稱的半橋振蕩電路組成一個全橋振蕩電路[5]。振蕩電路的PWM頻率由BQ500211的DPWM-1A和DPWM-1B接口控制，兩個半橋相移電路相互切換工作，數(shù)字解調(diào)正向輸入端COMM+和數(shù)字解調(diào)反向輸入端COMM-也與BQ500211相連，將整個振蕩電路的狀態(tài)反饋給BQ500211。發(fā)射端振蕩電路框圖如圖3所示。

圖3　發(fā)射端振蕩電路框圖

無線充電發(fā)射端的核心控制芯片選用BQ500211，該芯片特有動態(tài)電源限制(DPL)功能，當(dāng)感應(yīng)到接收端開始充電時，綠色的LED燈開始閃爍，充電結(jié)束后綠色的LED燈常亮。如果出現(xiàn)充電故障，則紅色的LED燈常亮。當(dāng)在發(fā)射線圈的磁場周圍感應(yīng)到接收線圈產(chǎn)生的電磁感應(yīng)時，蜂鳴器會響一聲，提示開始充電。

BQ500211的兩個PWM接口為全橋振蕩電路提供振蕩源，4個COMM口用來監(jiān)測振蕩電路的工作狀態(tài)。發(fā)射端BQ500211控制電路框圖如圖4所示。

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圖4　發(fā)射端BQ500211控制電路框圖

3.2接收電路（RX）

接收電路的核心芯片選為BQ51013B，接收線圈接收到發(fā)射線圈產(chǎn)生的能量后發(fā)生電磁感應(yīng)，從而產(chǎn)生振動電壓，振蕩電壓輸入BQ51013B進(jìn)行調(diào)制后輸出。BQ51013B在WPC v1.1標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)置了一個外部檢測單元（FOD）接口，對接收電壓進(jìn)行管理。BQ51013B自帶輸出電壓調(diào)節(jié)、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、多功能NTC和控制針溫度監(jiān)測等功能，能夠最大程度地保證無線充電時電流的穩(wěn)定和安全[6]。接收端BQ51013B電路原理圖如圖5所示。

圖5　接收端BQ51013B電路原理圖

BQ51013B的AC1和AC2接口分別接A5接收線圈的兩端，負(fù)責(zé)接收發(fā)射線圈發(fā)射出的能量。采集到的能量經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)，由P1口輸出。

3.3電源管理電路

由于無線充電技術(shù)借助線圈進(jìn)行能量的發(fā)射和接收，因此需要使用電源管理芯片對接收模塊采集到的能量進(jìn)行收集管理。無線充電開始時，當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈無法完全軸對稱時，充電空間有較強(qiáng)的電磁干擾，接收端與發(fā)射端距離過大時，接收模塊采集的電流就會不穩(wěn)定且比較小，如果將這種電流直接輸入到充電電池中，不僅充電時間較長，而且充電效率很低，充電效果將大打折扣[7]。

為了解決無線充電過程中電流不穩(wěn)定帶來的影響，因此，本次設(shè)計(jì)考慮在接收模塊的輸出端加上一個電源管理器，進(jìn)行電源管理。該電源管理器芯片選用BQ25504。電源管理電路圖如圖6所示。

P1口直接與無線充電接收端的輸出接口相連接，電源進(jìn)入電源管理器以后，經(jīng)過電源管理器進(jìn)行處理，然后輸入到充電電池中儲存起來或者通過P2口對電子設(shè)備進(jìn)行供電。

圖6　電源管理電路圖

BQ25504還具有過壓和欠壓保護(hù)功能，當(dāng)電壓過低時，為了防止充電電池深放電以及完全耗盡電荷電容存儲元素所帶來的損壞，可以設(shè)置外部電阻欠壓閾值使電池不再放電[8]。當(dāng)外部輸入電壓過高，或者電池充電已經(jīng)飽和時，設(shè)置電源管理器的外部電阻過壓閾值可以使電池不再充電，達(dá)到保護(hù)電源的作用。

4　無線充電管理系統(tǒng)性能測試

按照對應(yīng)的電路圖設(shè)計(jì)出一套無線充電管理系統(tǒng)，并且在無線充電發(fā)射和接收模塊設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行性能測試。本無線充電管理系統(tǒng)主要應(yīng)用于可充電電池或者無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此為小功率無線充電系統(tǒng)，充電時發(fā)射線圈與接收線圈同軸且距離小于1cm[9]。

測試時，穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)定的5 V直流電壓作為發(fā)射模塊的輸入電壓，將接收模塊的輸出端直接與功率10 W阻值分別為1 Ω、2 Ω、4 Ω、6 Ω、8 Ω……20 Ω的水泥電阻直接相連，電阻阻值用萬用表測試后存在5％的誤差。每種阻值的電阻作為負(fù)載上電后分別記錄此時的輸入電流和輸出電流（由于電壓均為5 V，所以電壓不再記錄），每種阻值測試3組，然后取平均值，再根據(jù)電流電壓與功率計(jì)算公式計(jì)算出此時的輸入功率和輸出功率。無線充電測試結(jié)果如表1所示。

表1　無線充電測試結(jié)果

由歐姆定律可知，將電壓與電流相乘得到相應(yīng)的輸入功率和輸出功率，再用輸出功率除以輸入功率便得到無線充電的效率。無線充電效率與輸出功率之間的關(guān)系圖如圖7。

從無線充電效率與輸出功率之間的關(guān)系圖可以看出，充電效率隨著輸出功率的增加而不斷增加，當(dāng)輸出功率為3 W左右時，充電效率達(dá)到峰值，約為80％，隨著輸出功率的增加，充電效率開始下降。

當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離增大時，接收端的感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓就會開始逐漸降低，這個時候無線接收模塊的輸出功率將會降到毫瓦級以下。如果將這種毫瓦級的電能直接給用電設(shè)備或者充電電池使用，那么充電將會由于電量太小而終止。當(dāng)在接收模塊后面加上這種毫瓦級的電源管理器時，電源管理器就可以開始收集這種微弱的電流，并且持續(xù)為充電電池充電。

圖7　輸出功率與無線充電效率關(guān)系圖

5　結(jié)論

電磁感應(yīng)式無線充電通過磁場輸送能量，充電設(shè)備的效能接收在75％左右，隨著更深層次的研究以及科技不斷的進(jìn)步，這個效能接收率還在不斷提高[10]。整個充電系統(tǒng)具備充電完成后自動關(guān)閉功能，不僅避免了不必要的能量損耗，而且可以有效地防止電池因?yàn)槌潆娺^量而帶來發(fā)熱甚至爆炸的危險。無線充電技術(shù)對于不同的電子產(chǎn)品，只要符合Qi標(biāo)準(zhǔn)，電源接口都能自動對應(yīng)，需要充電時只需將充電設(shè)備置于充電板上，發(fā)射器和接收芯片會同時自動開始工作，充滿電時就會自動關(guān)閉。

本方案將無線充電系統(tǒng)中加入電源管理模塊，當(dāng)電流非常微弱時，雖然給用電設(shè)備充電很慢，但是為埋入式傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的充電找到了方法。與將傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)取出并更換電池相比，無線充電不僅方便而且節(jié)約大量的人力物力。

無線電能傳輸效率與功率都完全滿足日常電子產(chǎn)品對無線充電的要求，同時由于BQ25504的加入，也可以應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及埋入式圖像采集糧蟲檢測系統(tǒng)中，能很好地解決電源供給的問題。對于無線充電技術(shù)還要克服效率、充電距離、電磁輻射等問題，因此作為一種發(fā)展中的技術(shù)，還有很長的路要走。

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楊培凱（1989—），男，河南信陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)。

A kind of Circuit Design of Wireless Charging Management System

YANG Peikai，SHI Xiong
(School of Electric and Electronic Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

Abstract：Developing a kind of wireless charging management program consisting of wireless charging transmitter module, wireless charging receiver module, power management module for the shortages of the traditional wired charging mode. Transmitter module transmits energy through the transmitting coil, and then the receiver module develops electromagnetic induction and outputs the energy. When the receiving module receives electrical power is very small, the power manager can collect the degree of milliwatt energy charging for the rechargeable batteries. The whole system can support the power needs of a variety of electronic products and wireless sensor network.

Keywords:electromagnetic induction; wireless charging; power management

作者簡介：

*基金項(xiàng)目：武漢輕工大學(xué)校立科研項(xiàng)目(2013d19)，武漢輕工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2014cx006）

收稿日期：2015-12-24

中圖分類號：TN431.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1681-1070（2016）04-0029-05