http://www.goldeneagle-cn.com无线充电器      感应式无线电力传输变得越来越盛行。近来，很多手机制造商宣告他们出产的新式手机将支撑无线充电功用。大多数新式手机都运用了依据感应电力传输的无线充电技能。这种技能也可用于别的便携设备。为了令无线充电体系的规划愈加简略，无线充电联盟 (WPC) 孕育而生，并提出了一个低功耗规范。

本文将介绍无线电力传输的根本理论并概述 WPC 提出的“Qi”规范。最终，将介绍一个契合 Qi 规范的低成本分立式无线充电器解决方案。

 

根本理论

 

      依据感应电源的无线电力传输的根本理论十分简略。尽人皆知，沟通电场将发作磁场，沟通磁场也将发作电场。在发射机中，直流电源变换为沟通电，并发作沟通电场。在接纳机处，线圈拾取来自沟通磁场的电源，并将沟通电变换成直流电作为输出负载。

 

   发射线圈和接纳线圈互相别离，泄漏电感大且耦合系数小。因而，传输功率十分低。为进步传输功率，有必要选用一个抵偿电路。常用办法就是在发送机侧和接纳机侧别离放置一个抵偿电容，构成一个带有发送线圈和接纳线圈的谐振电路，用于改进电源传输。图 1 显现了两个抵偿电路办法的拓扑构造。一般状况下，在发送机侧放置一个电容以构成带有发送线圈的串联谐振电路，而在接纳机侧有两种不一样的拓扑构造。一种是构成带有接纳线圈的串联谐振电路的电容，另一种是构成带有接纳线圈的平行谐振电路的电容。

图 1 - 两个谐振电路拓扑结构。

 

电压传输函数如下所示：

 

Cp 和 Lp 为发射机侧发送线圈的串联电容值和电感值，而 Cs 和 Ls 为接纳机侧接纳线圈的串联或平行电容值和串联电感值。 M 为互感系数。ω0 为谐振频率。ωn 为规范化作业频率。n 为两个线圈电感的比率。 Q 为质量因子。 K 为耦合系数。α 为发射串联电容与接纳电容的比率。 R 为输出负载。

图 2 带有电感串联电阻的串联谐振电路。

 

在方程式 2 中，没有考虑线圈的串联电阻。假如改变电路模型，如图 2 所示，串联谐振电路的电压传输函数亦会发作改变，如下所示。

 

并且，平行谐振电路的方程式类似。

 

有些参数对无线充电器体系发作影响。在无线充电器运用中，大多数体系接纳机运用串联谐振电路。因而，下文将仅评论串联谐振电路。

 

(1) 质量因子：

 

在方程式 6 中，Q 被称为质量因子。发射线圈或输出电阻的改变会影响 Q 值。在无线充电器体系中，作业点被设定在谐振频率处。发射谐振频率和接纳谐振频率老是一样。所以，咱们感兴趣的是谐振频率的电压传递函数值 (ωn=1)。图 3 显现了 Q 值的体系电压传输函数改变。

 

图 3 具有不一样质量因子的电压传输函数。

 

从该图能够看出，当 Q 值变小时，在谐振频率点的电压传输函数曲线变得更明显。 在这种状况下，电压传输函数对频率十分灵敏，且输出不易于坚持安稳。另一方面，当 Q 值变大时，谐振频率处的曲线改变变慢，但电压传输函数变得十分低。为了得到一样的输出电压，有必要在致使极低功率的发射机处施加更大的输入电压和电流。因而，需求稳重挑选合适的 Q 值。 一般，Q 值规模从 4 到 6。

 

(2) 耦合系数

 

在方程式 7 中，K 被称为耦合系数。尽人皆知，发射机发作磁通。抵达接纳机的磁通越多，阐明线圈耦合得越好。耦合系数用来丈量该耦合等级。耦合系数取值在 0 和 1 之间，其间 0 表明发射线圈和接纳线圈独立，1 表明发射线圈和接纳线圈彻底耦合。当线圈彻底耦合时，发射线圈发作的磁通彻底被接纳线圈收集。

图 4 具有不一样耦合系数的电压传输函数。

 

图 4 显现了耦合系数怎么影响电压传输函数曲线。从该图中能够发现，有一个 k 值，在此处电压传输函数到达峰值，这表明已完结最好功用。因而，杰出的线圈耦合对取得非常好的体系功用十分重要。

 

WPC 无线充电器规范

 

无线充电联盟树立的主旨是树立一个关于短间隔移动设备无线电力传输的规范，该规范被称为「Qi」规范。 WPC 规范界说了低功率无线设备中的感应耦合作业办法，以及电力发射机与接纳机之间的通讯协议。它还规则，从发射机到接纳机的最大功率为 5 瓦，发射线圈与接纳线圈之间的典型间隔为 5 毫米。根本体系示意图如图 5 所示。 WPC 规范下的任何设备均可与别的契合 WPC 规范的任何设备一同运用。在 Qi 规范 V1.1 中，增加了异物侦测 (FOD) 功用。

 

(1) 电力发射机

 

在 WPC 规范中, 有三种电力发射机类型：引导定位、移动线圈自在定位及线圈矩阵自在定位，如图 6 所示。

 

图 6 三种电力发射机定位类型。

 

关于引导定位，接纳线圈基地有必要与发射线圈基地对准。否则，传输电源和传输功率均将显著下降。因而，发射线圈和接纳线圈运用两个磁体对齐并会聚磁力线。

 

自在定位发射机是一款极好的发射机类型，由于它可让一般运用者的无线充电愈加便捷。 有两个子类型来完结这一功用。一个是移动发射线圈，另一个是发射线圈矩阵。在榜首类型中，当接纳机坐落发射机外表上时，发射机移动线圈以对齐接纳线圈，然后进行电力传输。在第二类型中，发射线圈由线圈矩阵构成。当接纳机坐落发射机上时，接纳线圈周围的一个或多个线圈将被发动，并将电力传输到接纳机。

 

电力发射机有一个直流-沟通区块。例如，一个半桥被连接到一个串联谐振电路。关于不一样的发射机，Cp 和 Lp 参数及输入电压会有所不一样。 直流-沟通切换开关的操作频率在 110 KHz 时正常，但有也许会改变至 205 KHz 以进行电力操控。谐振回路也用于优化电力传输。

 

电力发射机还有一个通讯区块，用于解调从接纳机收到的电力传输操控信息。该通讯区块由电压或电流感测电路构成。

 

(2) 电力接纳机

 

电力接纳机一般是一款便携设备，其硬件规划比发射机愈加简化。它一般包含四个部份：电力拾取区块、全桥整流电路、电压调理区块和通讯操控区块。

​

电力拾取区块由包含一个接纳线圈 (Ls) 和一个串联谐振电容 (Cs) 的串联谐振电路构成。 谐振回路用于优化电力接纳。平行电容供给一个平行谐振电路，用于侦测接纳机。

 

全桥整流器用作沟通至直流变换电路，该电路将接纳到的波变换成安稳电压。电压调理区块是一条直流-直流电路，用于将接纳到的较高电压变换为负载所需的电压。通讯操控区块用于到电力发射机的传输电力操控信息（例如，操控过错包），以调整电力发射机的电力传输操作点或别的状况。

 

(3) 通讯

 

依据 WPC 规范，发射机和接纳机之间的通讯是单向通讯。通讯方向是从接纳机到发射机。电力接纳机经过改变阻抗（例如，电阻或电容）调整功率量，此操作会引起发射线圈电流或线圈电压的周期性改变。发射机可侦测用于解调通讯信息的线圈电流或线圈电压的改变。该规范界说了逻辑高电平和逻辑低电平之间发射线圈电流或线圈电压振幅的最小振幅差，别离为 15mA 和 200mV。

 

WPC 规范还界说了通讯中的数据格局。在每次数据传输中，将传输一个数据报。数据报由一个位同步前导码（>11 位 1）、一个表明数据报类型的字节消息头、消息信息（1.. 27 个字节）和一个总合查看字节构成。 一个数据字节是一个 11 位串行格局。 此格局由 1 位开始位、8 个数据位、1 个奇偶校验位和 1 位中止字节成。开始位是一个 0。数据位的次序是最低位最早。奇偶校验位是奇数，中止位是一个 1。数据位按差分双相代码格局编码，且其速度为 2Kbps。数据格局如图 7 所示。

 

4) 电力传输体系操控

 

从电力发射机到电力接纳机的电力传输包含 WPC 规范所界说的四个期间，别离是挑选期间、Ping 测验期间、辨认和组态期间以及电力传输期间。各期间之间的联系如图 8 所示。

 

图 8 体系操控流程。

 

A. 挑选

 

在此期间中，电力发射机查看其外表物体的放置或移除状况。 电力发射机可经过多种办法完结这个功用。假如电力发射机侦测到一个或多个物体，它将测验定位这些物体并区别潜在的电力接纳机和异物。在一些状况下，电力发射机应测验挑选一个原电池和一个电力接纳机，用于电力传输。假如电力发射机挑选一个原电池和一个电力接纳机，它应进入 ping 测验期间。 另一方面，假如电力发射机无法辨认潜在的电力接纳机或逾时，它将进入操作的待命模式。

 

B. Ping 测验

 

在 ping 测验期间，电力发射机应履行一次数字信号 ping 测验，查看潜在的电力接纳机是不是为电力接纳机或该接纳机是不是需求电力传输。因而，电力发射机在 65ms 的最大期间内涵初级线圈供给电力。电力接纳机有必要在该时间内经过负载调变的方法进行回复。 完结 ping 测验期间后，体系将进入下一期间，即辨认和组态期间。假如没有完结 ping 测验期间，体系将回来前一期间，即：挑选期间。

 

C. 辨认和组态

 

在辨认和组态期间中，电力发射机将辨认电力接纳机，且电力接纳机将传输组态信息，如电力接纳机的根本设备标识符、电力接纳机希望供给到整流器输出端的最大功率量以及供给到电力发射机的最大功率量。电力发射机接纳此信息，并调整作业点，然后进入电力传输期间。 假如电力发射机不能从电力接纳机处准确接纳辨认和组态信息，不管何种缘由，如电力接纳机也许没有发送数据报或电力发射机也许没有解调所需信息，电力发射机都将回来到前一期间，即：挑选期间。

 

D. 电力传输

 

在电力传输期间，电力发射机将向电力接纳机供给连续电力，并调整电力传输作业点，以响应从电力接纳机收到的操控数据。在电力传输期间，电力发射机应监测电力传输参数。假如任何参数超出限定值，它将中断电力传输并回来到挑选期间。最终，电力发射机从电力接纳机处收到完毕传输包时将完毕电力传输。例如，当电池充满时，电力接纳机不需求再对电池充电。 此刻，它应发送完毕电力传输包信息到电力发射机，以完毕电力传输。 然后，体系将回来到挑选期间。 体系将坚持在前三个期间，直到新的电力接纳机放置于电力发射机上或组态信息改变

 

分立式无线充电器解决方案

 

咱们能够运用一些分立式设备轻松规划出契合上述 Qi 规范的无线充电器体系。图 9 显现了无线充电器分立式解决方案之一。

 

在发射机侧，微操控器单元 (MCU) 用于操控全部发射机的功用。该 MCU 发作一个脉宽调变 (PWM) 波来驱动闸极驱动器。PWM 的频率和占空比由 MCU 操控。MCU 依据从接纳机收到的过错操控包操控这两个参数。FAN73932 是一款半桥闸极驱动器，它把收到的矩形波变换成两个非重迭信号，以驱动低端和高端 MOSFET 商品。 直流-沟通功用经过该设备和两个 N 信道 MOSFET 商品完结。 发射线圈由沟通波驱动。 串联电容用于构成一个带有发射线圈的串联谐振电路，以完结非常好的电力传输功用。可经过这种方法传输电力。FAN8303 是一个为 MCU 电源供给 5V 电压的直流-直流变换器。别的有些用于通讯。电容用于捕捉来自线圈的电压，并将该电压送到 MCU ADC，以获取通讯信息。咱们也可运用一个感应电阻和一个电压放大器，以查看发射线圈的电流改变。

 

在接纳机侧，也运用一个 MCU 来操控接纳机的一切动作。带有接纳线圈的串联谐振电路由一个电容构成。当接纳线圈坐落发射线圈上时，能够在该串联谐振电路结尾取得沟通电压。 沟通-直流功用经过具有两个 N 信道 MOSFET 商品和两个二极管的全桥整流器完结。直流电压在该电路输出端完结。该电压可经过稳压电容完结安稳。 此电压经过直流-直流变换器 (FAN8303) 完结变换，并在 FAN8303 设备的输出端可取得用于 MCU 电源的 5V 安稳电压。 当 MCU 上电时，它操控两个 MOSFET 商品与发射机进行通讯。全部无线体系经过这种方法进行组态。完结准确组态后，MCU 将翻开输出开关。 输出电压也可用于为便携设备充电。 充电电流和输出电压由 MCU 监测，以获悉何时需求完毕充电。

 

在软件方面，图 10 显现了无线充电器发射机和接纳机的扼要流程图。

 

图 10 软件流程图。

 

经过这种无线充电器体系，体系可取得功率约为 69% 的 5W 充电电源。

 

定论

 

无线充电器是传统技能在便携设备市场的新式运用。WPC Qi 规范有利于无线充电器的遍及。 凭借该规范，咱们可轻松规划出无线充电器体系。本文扼要介绍了几款用于该体系的分立式设备。此外，Qi 规范的一切功用均可完结。该体系是一种可广泛运用的低成本无线充电器解决方案。