楊 軍，閆德鑫，彭云喆

（湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽 421009）

1 磁耦合共振的原理概述

1.1 磁耦合傳輸法

磁耦合共振也可以稱為感應(yīng)耦合，主要是通過兩個可以產(chǎn)生互感的線圈，通過電磁感應(yīng)的方式實現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出之間的影響和調(diào)節(jié)，兩個線圈內(nèi)部可以實現(xiàn)電磁的共振疊加。磁耦合共振裝置包括與終端相連的受電線圈、與電源相連的送電線圈。兩個線圈在磁場內(nèi)部以相同的頻率發(fā)生共振，并利用磁感應(yīng)來實現(xiàn)電能傳輸[1]。

1.2 耦合共振模型

首先，根據(jù)實際使用情況的不同，電源輸送的可能是交流電或直流電，必須要對其進行調(diào)節(jié)，滿足受電端的實際需求，將其調(diào)節(jié)為系統(tǒng)的基準(zhǔn)工作電壓。電源模塊內(nèi)部需要有一定的驅(qū)動和保護裝置，作為整個充電系統(tǒng)的電能來源，必須要和其他的各類元器件進行搭配使用，為受電端不斷提供電動勢。其次，在發(fā)射電路中需要有電磁線圈和震蕩結(jié)構(gòu)，使其和接受轉(zhuǎn)化模塊中的受電電磁線圈相匹配，二者相互靠近時可以產(chǎn)生電磁感應(yīng)。在磁耦合共振的作用之下實現(xiàn)電力的傳輸，多余的電能可存儲在受電端的電池中。最后，為了保證線路能夠更好地完成電能轉(zhuǎn)化的需求，還需要在其中設(shè)計一些匹配電路保障安全和功能的多樣性。

2 手機無線充電系統(tǒng)概述

2.1 無線充電優(yōu)勢

無線充電技術(shù)采用了電磁感應(yīng)的方式進行充電信號的快速傳輸，相比傳統(tǒng)線充的應(yīng)用優(yōu)勢更加突出。無線充電技術(shù)為非接觸式的一對多充電設(shè)備，與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時亦避免了接口不適用、接觸不良等現(xiàn)象，老年人也能很方便地使用。無線充電器的應(yīng)用范圍更加廣泛，供電與受電的端口只需要按照同一電磁標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計就可以使用。

2.2 應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

盡管手機無線充電具有較好的發(fā)展前景，但是目前研究仍然較為有限，需要進一步對其進行優(yōu)化和升級。首先，無線充電器充電傳輸距離短，有效傳輸距離通常在10 mm以內(nèi)，需要將手機完全放置在充電器上，較線充模式限制了使用者的移動距離。但這一缺點主要是由于電磁感應(yīng)傳輸導(dǎo)致的，在具體的研究應(yīng)用中還未能找到較好的解決方式。其次，無限充電器的工作功率比較低，大部分的無限充電器和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了10 w，15 w左右。但市面上一些常見的有線快充的工作功率可達(dá)到18 w，48 w，手機的充電效率能夠得到較好的保障。目前的大部分手機沒有實現(xiàn)無線充電的普及，需要增加無線充接收片才能體驗無線充的功能。在這樣的應(yīng)用現(xiàn)狀之下，加強對無線充電系統(tǒng)的設(shè)計分析和功能開發(fā)十分重要，是推動手機充電模式革新的重要發(fā)展方向。

3 該技術(shù)在充電系統(tǒng)的設(shè)計分析

3.1 信號發(fā)射電路

在信號的發(fā)射端口需要設(shè)計一定的驅(qū)動電路和功放模塊，提升電能的傳輸效率，為了更加精準(zhǔn)的識別手機，還需要加設(shè)RFID保證通信穩(wěn)定。電源的電能需要經(jīng)過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為能夠被電磁線圈識別并使用的方波頻率，需要利用比較器完成，驅(qū)動電路中可以用方波信號帶動發(fā)電線圈。在功放結(jié)構(gòu)中可以調(diào)節(jié)兩個線圈中的電磁頻率，使其保持一致產(chǎn)生共振，為后續(xù)的電能傳輸做好前期準(zhǔn)備。功放中使用的電力信號也需要經(jīng)過比較器轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲āＴ谧R別待充電設(shè)備時需要利用天線對經(jīng)過磁感應(yīng)區(qū)域的金屬進行檢測，其頻率信號會發(fā)生相應(yīng)的變化，且能夠發(fā)出對應(yīng)的射頻信號。RFID系統(tǒng)中能夠檢測到這種信號并利用交直流的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)為受電端提供電動勢。

3.2 接收轉(zhuǎn)換電路

在手機上需要進行電能的接受和轉(zhuǎn)化，保證受電線圈能夠穩(wěn)定工作。首先，該設(shè)備的工作原理主要是在電磁感應(yīng)的網(wǎng)中實現(xiàn)頻率的一致，從而保證振幅的疊加，提升受電端的電能接受能力。在構(gòu)建接收電路的共振網(wǎng)絡(luò)時需要使用一些電感、電容等元件將從電磁場中獲得的電動勢轉(zhuǎn)化為高頻交流電進行傳輸，有利于減少在傳遞過程中的損耗。接收電路中有交直流轉(zhuǎn)換器可以對高頻交流電進行整流和轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚬┦謾C等受電端使用和存儲的直流電。在工作過程中要按照一定的頻次對終端設(shè)備進行檢驗，合理判斷充電過程的進行，若充電接觸則可以向設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的信號結(jié)束充電工作。

3.3 匹配電路設(shè)計

在進行匹配電路的設(shè)計時主要是考慮到實際電阻、電感等設(shè)備的搭配使用，使無線充電系統(tǒng)的工作更加穩(wěn)定。常見的匹配電路可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的功能，根據(jù)負(fù)載的變化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最大輸出功率的相關(guān)參數(shù)，保證使用的便捷與安全。在對互感電路的輸出特性進行分析時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載電路中的電阻值與線路內(nèi)阻一致時的輸出功率最佳。按照這一思路對匹配電路進行設(shè)計，可以合理調(diào)節(jié)線圈的耦合系數(shù)、線圈位置關(guān)系和電壓、電阻數(shù)值，確保電力轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性和高效性。

3.4 充電效率分析

無線充電器擺脫了數(shù)據(jù)線的連接方式，通過電磁耦合來實現(xiàn)電能傳輸和數(shù)據(jù)交換，必須要對其充電的效率與穩(wěn)定性進行分析，保證電能供應(yīng)服務(wù)。在該系統(tǒng)中可能會對電能傳輸造成影響的因素主要包括系統(tǒng)的信號傳輸耦合參數(shù)和電能損耗參數(shù)。首先，電磁的耦合主要是通過兩個線圈相互接觸實現(xiàn)的，其間隔距離、線圈半徑和匝數(shù)等都會影響整個系統(tǒng)的耦合程度。一般來說距離越近、半徑越大、匝數(shù)越多，耦合程度越高。在進行系統(tǒng)設(shè)計時要根據(jù)線路的互感公式和耦合參數(shù)公式進行合理計算，考慮充電器的尺寸限制等因素，提升其充電效率。其次，在線路中的電阻、電感會造成電流傳遞的損失，損耗參數(shù)。從公式中可以發(fā)現(xiàn)，線路的等效電阻和損耗呈現(xiàn)正相關(guān)，等效電感和損耗呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。技術(shù)人員在進行參數(shù)設(shè)計和元件連接規(guī)劃時要充分考慮損耗因素，確保電能傳輸更加高效。

3.5 行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

在進行手機無線充電系統(tǒng)設(shè)計的過程中必須要遵從一定的設(shè)計規(guī)范要求，確保能夠與市面上現(xiàn)有的手機型號和配置相互匹配，實現(xiàn)更加高效便捷的充電應(yīng)用。A4WP規(guī)范當(dāng)中對手機和充電設(shè)備使用的共振頻率做出了規(guī)范要求，其數(shù)量級能夠較好地匹配弱感應(yīng)感磁場中的信號檢驗，實現(xiàn)電力供應(yīng)的需求。對于一些保持稍遠(yuǎn)距離的手機充電情況下也可以實現(xiàn)連接與供電，也是目前手機無線充電設(shè)計當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛的一種設(shè)備頻率[2]。隨著手機的不斷深入研發(fā)和更新?lián)Q代，無線充電系統(tǒng)的研究也應(yīng)該與時俱進，推動行業(yè)的不斷發(fā)展與進步，為消費者提供更加便捷的充電服務(wù)，適應(yīng)更多品牌、型號的手機充電需求。

3.6 系統(tǒng)創(chuàng)新優(yōu)化

根據(jù)手機無線充電的實際應(yīng)用需求，還需要對其磁耦合傳輸?shù)膮?shù)進行進一步的優(yōu)化和創(chuàng)新，確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。首先，手機電池和無線充電器之間主要是通過磁耦合共振的方式實現(xiàn)信號的傳輸，在擴大其能量的容載率的同時也可能會造成一些電磁干擾的問題，需要在系統(tǒng)中增加一些零件設(shè)備提升其靈敏度。其次，在充電系統(tǒng)的信號發(fā)送端，主要是通過金屬元件進行識別的，在充電的過程中會因為電磁感應(yīng)的問題而產(chǎn)生一些熱效應(yīng)，不利于維護手機使用的安全性。在進行信號識別時要注意提升其識別的精準(zhǔn)性，避免出現(xiàn)手機的外殼或其他芯片設(shè)備中的金屬部分造成過熱情況[3]。最后，為了實現(xiàn)無線充電設(shè)備的低功耗，可以在進行系統(tǒng)工作模式設(shè)計時引入睡眠模式等。在充電設(shè)備無法在30分鐘內(nèi)檢測到有效的待充電設(shè)備時，可以自動切斷工作實現(xiàn)待機，通過手動喚醒的方式延續(xù)工作。

4 結(jié)語

總之，應(yīng)用磁耦合技術(shù)可以實現(xiàn)全新的手機充電模式，較好的擺脫了數(shù)據(jù)網(wǎng)和接口等問題對手機電力的影響。在磁耦合技術(shù)當(dāng)中主要是通過電磁感應(yīng)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞和電力傳輸，不需要經(jīng)過明線完成，對提升手機充電效率有較大幫助。