陳劍波 胡聰 翁偉明 羅偉烈 楊鴻禧

摘 要：隨著越來越多的移動(dòng)通信設(shè)備配備無線充電功能，無線充電技術(shù)開始成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)和研究的對(duì)象。本設(shè)計(jì)利用了法拉第電磁感應(yīng)原理，分為發(fā)射端和接收端兩部分電路，發(fā)射端電路采用內(nèi)部電壓驅(qū)動(dòng)，不需要額外的控制電路來驅(qū)動(dòng)。由Lx和Cx構(gòu)成的LC振蕩電路發(fā)射穩(wěn)定的電磁波，電磁波經(jīng)過接收線圈后，由整流電路轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，最后由MP2307控制輸出穩(wěn)定電壓給電池充電。本設(shè)計(jì)最終可輸出5±0.2V電壓，最大電流可達(dá)1000mA。

關(guān)鍵詞：無線充電 充電器 電磁感應(yīng)

中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（c）-0038-03

電子信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展促使著各式各樣的便攜式電子產(chǎn)品如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、平板電腦等越來越多地出現(xiàn)。手機(jī)產(chǎn)品是便攜類產(chǎn)品的一個(gè)大類，每個(gè)手機(jī)都需要有一個(gè)對(duì)應(yīng)的充電器，每換一次電子產(chǎn)品，舊的充電器就基本要被廢棄。大量舊充電器廢棄后的處理也會(huì)增加對(duì)環(huán)境造成更重的負(fù)擔(dān)。其中主要問題是大部分充電器都不能通用，即使如果使電源部分一樣，但接口也不一樣，甚至相同品牌的不同產(chǎn)品所使用的充電器都不能兼容。對(duì)使用者而言，攜帶有線充電器和利用它充電都不是很方便。隨著人們對(duì)無線通信需求的增長，手機(jī)技術(shù)的發(fā)展和電子元器件成本的逐漸下降使手機(jī)產(chǎn)品得到了快速的普及?？梢哉f手機(jī)發(fā)展到今天，人們已經(jīng)離不開它，而支持無線充電功能的手機(jī)將會(huì)使人們的生活更加便捷[1]。

無線充電方式主要包括4種方式：電磁感應(yīng)方式、磁共振方式、電場(chǎng)耦合方式和電波接收方式[2]。Qi是全球首個(gè)推動(dòng)無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織——無線充電聯(lián)盟，簡稱WPC。其推出的“無線充電”標(biāo)準(zhǔn)，具備便捷性和通用性兩大特征。Qi標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)電磁感應(yīng)的，目前Qi廣泛應(yīng)用于手機(jī)、MP3、照相機(jī)等手持低功率設(shè)備中。已有多款電子產(chǎn)品采用了Qi無線充電技術(shù)，代表產(chǎn)品有Nokia Lumia 920、Nokia Lumia 820等。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理，通過線圈進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，其大小均與它們的變化率有關(guān)系，而正弦函數(shù)的變化率是另外一個(gè)正弦函數(shù)，所以電磁波能夠傳播出去，而感應(yīng)電壓的產(chǎn)生與磁通量的變化相關(guān)，所以線圈內(nèi)部變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而完成充電過程。

該方式和變壓器原理一樣，通過初、次級(jí)線圈的相互感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能的傳輸[3]。在發(fā)射端和接收端各有一個(gè)線圈，發(fā)送端的線圈稱為初級(jí)線圈，或發(fā)射線圈；接收端的線圈稱為接收線圈或次級(jí)線圈。當(dāng)交流電通過發(fā)射線圈后，便會(huì)向外產(chǎn)生磁場(chǎng)，接收線圈接收到磁場(chǎng)之后產(chǎn)生電磁感應(yīng)，進(jìn)而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，有了電壓之后線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過整流后的電流就可以為手機(jī)充電。

在本設(shè)計(jì)中的無線充電裝置由發(fā)射端和接收端組成。發(fā)射端由直流電源、驅(qū)動(dòng)器、發(fā)射線圈組成；接收端由接收線圈、整流電路、DC-DC模塊、手機(jī)負(fù)載組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 發(fā)射端

發(fā)射端電路原理圖如圖2所示，圖片來源于Linear Technology公司的LTC4120芯片手冊(cè)。發(fā)射端采用電流反饋式推挽電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈，可提供較大的驅(qū)動(dòng)電流。該發(fā)射端通常會(huì)在發(fā)射線圈產(chǎn)生一個(gè)2.5ARMS交流線圈電流[4]，

2.5ARMS為電流有效值。發(fā)射端的輸出功率隨著Cx的增加而增加，當(dāng)大于300nF時(shí)，效果不明顯。當(dāng)采用Lx=5uH，Cx=300nF時(shí)，由Cx、Lx匹配構(gòu)成LC諧振電路，可以獲得較大的發(fā)射功率。發(fā)射端的頻率計(jì)算公式為：

經(jīng)過測(cè)試，MOS管柵源級(jí)間電壓并沒有超過16V，因此去掉了圖2中的D1，D4的16V穩(wěn)壓管。對(duì)線圈的制作，因?yàn)楦哳l電流具有趨膚效應(yīng)，因此應(yīng)使用多股漆包線。

使用N溝道，快速切換場(chǎng)效應(yīng)管4800B，代替系統(tǒng)中的M1、M2。發(fā)射端電路原理圖如圖3所示。4800B作為開關(guān)使用，應(yīng)選擇低柵極電容的MOS管，以減小高頻開關(guān)損耗。

1.2 接收端

接收端電路主要由三部分組成：接收線圈、整流電路、DC-DC模塊（如圖4所示）。將接收端放置在發(fā)射端產(chǎn)生交變磁場(chǎng)中，將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過整流的電流再通過DC-DC模塊將輸出電壓（5±0.2）V。

整流電路采用全波整流電路，DC-DC模塊采用MP2307芯片，同步降壓穩(wěn)壓器。MP2307集成了可調(diào)MOSFET，可在4.75V至23V的輸入電壓范圍下提供3A的連續(xù)負(fù)載電流。接收端電路原理圖如圖5所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)物充電圖如圖6所示。

測(cè)試指標(biāo)包括：發(fā)射端輸入電壓Vin，輸入電流Iin；接收端輸出電壓Vout，輸出電流Iout。測(cè)試工具有游標(biāo)卡尺，直流穩(wěn)壓電源，手機(jī)負(fù)載。由公式（2）計(jì)算充電效率Pc，如表1所示。由表1可知該裝置的平均充電效率為50%。

隨著線圈的垂直距離的增加，充電的功率下降，即垂直距離和充電功率正反比。當(dāng)距離超過6mm時(shí)，該裝置充電的功率直接降低為0W。本方案的最大功率可達(dá)4.92W。

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)主要研究無線手機(jī)充電在充電效率優(yōu)化的方案，發(fā)射端采用了Linear Tecnology公司LTC4120無線功率收發(fā)器方案中的發(fā)射器方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，該發(fā)射器為電流反饋式推挽發(fā)射器，采用內(nèi)部的電壓驅(qū)動(dòng)，不需要額外的驅(qū)動(dòng)電路。通過改變Cx和Lx的耦合來達(dá)到最大的發(fā)射功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cx與Lx在130kHz的時(shí)候該驅(qū)動(dòng)器達(dá)到最大輸出功率。接收端采用了整流電路和基于MP2307芯片的DC-DC模塊的方案代替了基于LTC4120芯片的接收端方案，經(jīng)過測(cè)試，該充電裝置的平均充電效率達(dá)到50%，可輸出5±0.2V電壓，最大電流可達(dá)1000mA。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟慶奎.手機(jī)無線充電技術(shù)的研究[D].北京郵電大學(xué)，2012.

[2] 陳新，張桂香.電磁感應(yīng)無線充電的聯(lián)合仿真研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014，28（4）：434-440.

[3] 賈紅梅.手機(jī)無線充電系統(tǒng)的研究[D].安徽工業(yè)大學(xué)，2017.

[4] Trevor Barcelo.Wireless Power User Guide[D].Linear Technology，2013.