磁耦合無線充電器的研究

陳瑞霞++田壯壯++忽曉偉

摘 要：介紹了一種智能型磁耦合無線充電器的設計方案，它可以通過功率發(fā)射端與接收端的通信確定充電狀態(tài)，并且以Ping命令錯誤判斷功能判別異物及移動設備是否需要充電，減少功率浪費。該文闡述了無線充電系統(tǒng)的原理和結構，通過軟件設計使無線充電更加智能、實用、節(jié)能。

關鍵詞：無線充電 磁耦合 Ping命令

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0036-02

電力電子技術所涉及的兩個主要方面則是電能傳輸和信號傳遞，兩者往往共同存在與同一個電力電子應用系統(tǒng)中。電能用來給系統(tǒng)運行提供能量和動力，而信號用來檢測系統(tǒng)操作狀態(tài)或者傳遞控制指令。如果沒有信號，系統(tǒng)運行狀態(tài)將難以知曉或難以控制，但是沒有電能，系統(tǒng)將完全不能運行[1]。自從1840年科學家解釋電磁感應現(xiàn)象以來，就已經采用導線直接接觸的方式解決了電能和信號的傳輸問題?，F(xiàn)在，信號的傳輸以移動手機為例，不需要直接接觸，利用空氣可以實現(xiàn)遠距離的傳遞，為人們在生活上提供了極大的方便。而電能的傳輸仍然主要由導線直接接觸進行傳輸，電工電子設備的供電通過插頭和插座來進行，它的發(fā)展遠遠滯后于信號傳輸的發(fā)展。如果能徹底去掉移動終端的各種插口及數據線，那將會給我們的生活帶來真正的自由便利。

長期以來，利用磁耦合原理實現(xiàn)電能傳輸只是在傳統(tǒng)變壓器和感應電機中得到了應用，根據這個原理利用空氣來完成遠距離的電能傳送。最近幾年，很多新方法都是應用的無線電，這讓其又受到了歡迎。在給移動設備進行供電時采用無線供電技術（Wireless Power Technology），簡稱WPT，人們對此課題的興趣是越來越濃。

1 系統(tǒng)結構原理

在兩個共振頻率相同的物體之間能有效地傳輸能量，而不同頻率物體之間的相互作用較弱。變化的磁場會產生變化的電場，變化的電場會產生變化的磁場，其大小均與它們的變化率有關系。而正弦函數的變化率是另外一個正弦函數，所以電磁波能夠傳播出去，而感應電壓的產生與磁通量的變化相關，所以線圈內部變化的磁場產生感應電壓，從而完成充電過程[2]。

無線充電技術正是利用這一原理，通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞。如圖1所示，系統(tǒng)工作時輸入端將交流市電經全橋整流電路變換成直流電，或用直流電端直接為系統(tǒng)供電。經過電源管理模塊后輸出的直流電通過有源晶振逆變電路轉換成高頻交流電供給初級繞組。通過2個電感線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經功率接收轉換電路變換成直流電為電池充電。通信控制電路用于將功率控制信息（如控制錯誤包）傳輸至功率發(fā)射器，以調節(jié)功率傳輸操作點或功率發(fā)射器的其他狀態(tài)。

2 硬件電路設計

我們選用三極管發(fā)射極耦合多諧振蕩器和共基極復合管放大器組成無線充電電路，發(fā)射極耦合多諧振蕩器用兩個小功率三極管組成，如圖2所示。按圖中的元器件數據，振蕩頻率約為400 kHz。充電電路元器件中僅最后一級三極管Q4的耗散功率大些，其他都是一些低功耗器件，有助于提高傳輸效率及實用性能。

電源信號通過射極耦合多諧振蕩電路變換成高頻信號再通過R4和C3組成的耦合電路之后被共基極復合管功率放大電路放大。L1和L2分別是初級和次級耦合線圈，放大后的信號通過L1和L2的耦合被無線傳送到次級接收電路。高頻交流信號被整流濾波后變成直流電能給移動設備電池GB1進行充電。電路可以設計成多個耦合線圈部分能夠同時給多部移動終端進行充電。

接收端信息通過通信控制單片機反饋給發(fā)射端，并可通過LED顯示充電狀態(tài)、電壓、電流以及控制功耗等信息。

3 軟件設計

功率發(fā)射流程如圖3所示。功率發(fā)射器發(fā)出功率并檢測其表面是否放置物體，然后檢查所放物體是否為潛在功率接收器，若是則進入Ping階段進行錯誤檢測[3]。在Ping階段，功率發(fā)射器應執(zhí)行數字Ping命令。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。因此功率接收器必須在功率發(fā)射器給主線圈供電的時間內通過負載調制回應。完成此操作后，系統(tǒng)將進入下一階段，即配置階段。如果未完成，系統(tǒng)應返回上一階段，即功率選擇階段。在配置階段，功率發(fā)射器識別并接收功率接收器傳輸的配置信息，以調節(jié)工作點進入功率傳輸階段。在功率傳輸階段，功率發(fā)射器應監(jiān)控功率傳輸參數。若參數超出限制，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據包時，功率發(fā)射器將終止功率傳輸。

功率接收流程如圖4所示。功率接收端發(fā)送配置信息并計算控制數據以調整輸出電壓電流。功率控制信息（如控制錯誤包）通過通信控制模塊傳輸至功率發(fā)射器，以調節(jié)功率傳輸操作點或功率發(fā)射器的其他狀態(tài)。

4 結語

無線充電能讓人們更簡便地使用基礎設施，并創(chuàng)造新的方式使設備與互補性產品的設計相互兼容。這一新領域將對眾多電子產品設計產生巨大影響，同時對環(huán)保節(jié)能有很大的幫助。該文介紹了一款簡單實用，成本低廉的無線充電系統(tǒng)，并對其結構和原理進行了詳細的分析。該系統(tǒng)能夠檢測接收端有無可充電移動設備，并準確判斷該設備是否需要進行充電。該設計安全、方便、適用范圍廣，具有較好的應用前景。

參考文獻

[1] 肖志堅，韓震宇.關于便攜式電子設備新型無線充電系統(tǒng)的研究[J].自動化技術與應用，2007（12）：56-58.

[2] 周志敏，周紀海.充電器電路設計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 李一玫.電磁場與電磁波基礎教程[M].北京：中國鐵道出版社，2010.endprint

摘 要：介紹了一種智能型磁耦合無線充電器的設計方案，它可以通過功率發(fā)射端與接收端的通信確定充電狀態(tài)，并且以Ping命令錯誤判斷功能判別異物及移動設備是否需要充電，減少功率浪費。該文闡述了無線充電系統(tǒng)的原理和結構，通過軟件設計使無線充電更加智能、實用、節(jié)能。

關鍵詞：無線充電 磁耦合 Ping命令

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0036-02

電力電子技術所涉及的兩個主要方面則是電能傳輸和信號傳遞，兩者往往共同存在與同一個電力電子應用系統(tǒng)中。電能用來給系統(tǒng)運行提供能量和動力，而信號用來檢測系統(tǒng)操作狀態(tài)或者傳遞控制指令。如果沒有信號，系統(tǒng)運行狀態(tài)將難以知曉或難以控制，但是沒有電能，系統(tǒng)將完全不能運行[1]。自從1840年科學家解釋電磁感應現(xiàn)象以來，就已經采用導線直接接觸的方式解決了電能和信號的傳輸問題。現(xiàn)在，信號的傳輸以移動手機為例，不需要直接接觸，利用空氣可以實現(xiàn)遠距離的傳遞，為人們在生活上提供了極大的方便。而電能的傳輸仍然主要由導線直接接觸進行傳輸，電工電子設備的供電通過插頭和插座來進行，它的發(fā)展遠遠滯后于信號傳輸的發(fā)展。如果能徹底去掉移動終端的各種插口及數據線，那將會給我們的生活帶來真正的自由便利。

長期以來，利用磁耦合原理實現(xiàn)電能傳輸只是在傳統(tǒng)變壓器和感應電機中得到了應用，根據這個原理利用空氣來完成遠距離的電能傳送。最近幾年，很多新方法都是應用的無線電，這讓其又受到了歡迎。在給移動設備進行供電時采用無線供電技術（Wireless Power Technology），簡稱WPT，人們對此課題的興趣是越來越濃。

1 系統(tǒng)結構原理

在兩個共振頻率相同的物體之間能有效地傳輸能量，而不同頻率物體之間的相互作用較弱。變化的磁場會產生變化的電場，變化的電場會產生變化的磁場，其大小均與它們的變化率有關系。而正弦函數的變化率是另外一個正弦函數，所以電磁波能夠傳播出去，而感應電壓的產生與磁通量的變化相關，所以線圈內部變化的磁場產生感應電壓，從而完成充電過程[2]。

無線充電技術正是利用這一原理，通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞。如圖1所示，系統(tǒng)工作時輸入端將交流市電經全橋整流電路變換成直流電，或用直流電端直接為系統(tǒng)供電。經過電源管理模塊后輸出的直流電通過有源晶振逆變電路轉換成高頻交流電供給初級繞組。通過2個電感線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經功率接收轉換電路變換成直流電為電池充電。通信控制電路用于將功率控制信息（如控制錯誤包）傳輸至功率發(fā)射器，以調節(jié)功率傳輸操作點或功率發(fā)射器的其他狀態(tài)。

2 硬件電路設計

我們選用三極管發(fā)射極耦合多諧振蕩器和共基極復合管放大器組成無線充電電路，發(fā)射極耦合多諧振蕩器用兩個小功率三極管組成，如圖2所示。按圖中的元器件數據，振蕩頻率約為400 kHz。充電電路元器件中僅最后一級三極管Q4的耗散功率大些，其他都是一些低功耗器件，有助于提高傳輸效率及實用性能。

電源信號通過射極耦合多諧振蕩電路變換成高頻信號再通過R4和C3組成的耦合電路之后被共基極復合管功率放大電路放大。L1和L2分別是初級和次級耦合線圈，放大后的信號通過L1和L2的耦合被無線傳送到次級接收電路。高頻交流信號被整流濾波后變成直流電能給移動設備電池GB1進行充電。電路可以設計成多個耦合線圈部分能夠同時給多部移動終端進行充電。

接收端信息通過通信控制單片機反饋給發(fā)射端，并可通過LED顯示充電狀態(tài)、電壓、電流以及控制功耗等信息。

3 軟件設計

功率發(fā)射流程如圖3所示。功率發(fā)射器發(fā)出功率并檢測其表面是否放置物體，然后檢查所放物體是否為潛在功率接收器，若是則進入Ping階段進行錯誤檢測[3]。在Ping階段，功率發(fā)射器應執(zhí)行數字Ping命令。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。因此功率接收器必須在功率發(fā)射器給主線圈供電的時間內通過負載調制回應。完成此操作后，系統(tǒng)將進入下一階段，即配置階段。如果未完成，系統(tǒng)應返回上一階段，即功率選擇階段。在配置階段，功率發(fā)射器識別并接收功率接收器傳輸的配置信息，以調節(jié)工作點進入功率傳輸階段。在功率傳輸階段，功率發(fā)射器應監(jiān)控功率傳輸參數。若參數超出限制，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據包時，功率發(fā)射器將終止功率傳輸。

功率接收流程如圖4所示。功率接收端發(fā)送配置信息并計算控制數據以調整輸出電壓電流。功率控制信息（如控制錯誤包）通過通信控制模塊傳輸至功率發(fā)射器，以調節(jié)功率傳輸操作點或功率發(fā)射器的其他狀態(tài)。

4 結語

無線充電能讓人們更簡便地使用基礎設施，并創(chuàng)造新的方式使設備與互補性產品的設計相互兼容。這一新領域將對眾多電子產品設計產生巨大影響，同時對環(huán)保節(jié)能有很大的幫助。該文介紹了一款簡單實用，成本低廉的無線充電系統(tǒng)，并對其結構和原理進行了詳細的分析。該系統(tǒng)能夠檢測接收端有無可充電移動設備，并準確判斷該設備是否需要進行充電。該設計安全、方便、適用范圍廣，具有較好的應用前景。

參考文獻

[1] 肖志堅，韓震宇.關于便攜式電子設備新型無線充電系統(tǒng)的研究[J].自動化技術與應用，2007（12）：56-58.

[2] 周志敏，周紀海.充電器電路設計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 李一玫.電磁場與電磁波基礎教程[M].北京：中國鐵道出版社，2010.endprint

摘 要：介紹了一種智能型磁耦合無線充電器的設計方案，它可以通過功率發(fā)射端與接收端的通信確定充電狀態(tài)，并且以Ping命令錯誤判斷功能判別異物及移動設備是否需要充電，減少功率浪費。該文闡述了無線充電系統(tǒng)的原理和結構，通過軟件設計使無線充電更加智能、實用、節(jié)能。

關鍵詞：無線充電 磁耦合 Ping命令

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0036-02

電力電子技術所涉及的兩個主要方面則是電能傳輸和信號傳遞，兩者往往共同存在與同一個電力電子應用系統(tǒng)中。電能用來給系統(tǒng)運行提供能量和動力，而信號用來檢測系統(tǒng)操作狀態(tài)或者傳遞控制指令。如果沒有信號，系統(tǒng)運行狀態(tài)將難以知曉或難以控制，但是沒有電能，系統(tǒng)將完全不能運行[1]。自從1840年科學家解釋電磁感應現(xiàn)象以來，就已經采用導線直接接觸的方式解決了電能和信號的傳輸問題?，F(xiàn)在，信號的傳輸以移動手機為例，不需要直接接觸，利用空氣可以實現(xiàn)遠距離的傳遞，為人們在生活上提供了極大的方便。而電能的傳輸仍然主要由導線直接接觸進行傳輸，電工電子設備的供電通過插頭和插座來進行，它的發(fā)展遠遠滯后于信號傳輸的發(fā)展。如果能徹底去掉移動終端的各種插口及數據線，那將會給我們的生活帶來真正的自由便利。

長期以來，利用磁耦合原理實現(xiàn)電能傳輸只是在傳統(tǒng)變壓器和感應電機中得到了應用，根據這個原理利用空氣來完成遠距離的電能傳送。最近幾年，很多新方法都是應用的無線電，這讓其又受到了歡迎。在給移動設備進行供電時采用無線供電技術（Wireless Power Technology），簡稱WPT，人們對此課題的興趣是越來越濃。

1 系統(tǒng)結構原理

在兩個共振頻率相同的物體之間能有效地傳輸能量，而不同頻率物體之間的相互作用較弱。變化的磁場會產生變化的電場，變化的電場會產生變化的磁場，其大小均與它們的變化率有關系。而正弦函數的變化率是另外一個正弦函數，所以電磁波能夠傳播出去，而感應電壓的產生與磁通量的變化相關，所以線圈內部變化的磁場產生感應電壓，從而完成充電過程[2]。

無線充電技術正是利用這一原理，通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞。如圖1所示，系統(tǒng)工作時輸入端將交流市電經全橋整流電路變換成直流電，或用直流電端直接為系統(tǒng)供電。經過電源管理模塊后輸出的直流電通過有源晶振逆變電路轉換成高頻交流電供給初級繞組。通過2個電感線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經功率接收轉換電路變換成直流電為電池充電。通信控制電路用于將功率控制信息（如控制錯誤包）傳輸至功率發(fā)射器，以調節(jié)功率傳輸操作點或功率發(fā)射器的其他狀態(tài)。

2 硬件電路設計

我們選用三極管發(fā)射極耦合多諧振蕩器和共基極復合管放大器組成無線充電電路，發(fā)射極耦合多諧振蕩器用兩個小功率三極管組成，如圖2所示。按圖中的元器件數據，振蕩頻率約為400 kHz。充電電路元器件中僅最后一級三極管Q4的耗散功率大些，其他都是一些低功耗器件，有助于提高傳輸效率及實用性能。

電源信號通過射極耦合多諧振蕩電路變換成高頻信號再通過R4和C3組成的耦合電路之后被共基極復合管功率放大電路放大。L1和L2分別是初級和次級耦合線圈，放大后的信號通過L1和L2的耦合被無線傳送到次級接收電路。高頻交流信號被整流濾波后變成直流電能給移動設備電池GB1進行充電。電路可以設計成多個耦合線圈部分能夠同時給多部移動終端進行充電。

接收端信息通過通信控制單片機反饋給發(fā)射端，并可通過LED顯示充電狀態(tài)、電壓、電流以及控制功耗等信息。

3 軟件設計

功率發(fā)射流程如圖3所示。功率發(fā)射器發(fā)出功率并檢測其表面是否放置物體，然后檢查所放物體是否為潛在功率接收器，若是則進入Ping階段進行錯誤檢測[3]。在Ping階段，功率發(fā)射器應執(zhí)行數字Ping命令。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。因此功率接收器必須在功率發(fā)射器給主線圈供電的時間內通過負載調制回應。完成此操作后，系統(tǒng)將進入下一階段，即配置階段。如果未完成，系統(tǒng)應返回上一階段，即功率選擇階段。在配置階段，功率發(fā)射器識別并接收功率接收器傳輸的配置信息，以調節(jié)工作點進入功率傳輸階段。在功率傳輸階段，功率發(fā)射器應監(jiān)控功率傳輸參數。若參數超出限制，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據包時，功率發(fā)射器將終止功率傳輸。

功率接收流程如圖4所示。功率接收端發(fā)送配置信息并計算控制數據以調整輸出電壓電流。功率控制信息（如控制錯誤包）通過通信控制模塊傳輸至功率發(fā)射器，以調節(jié)功率傳輸操作點或功率發(fā)射器的其他狀態(tài)。

4 結語

無線充電能讓人們更簡便地使用基礎設施，并創(chuàng)造新的方式使設備與互補性產品的設計相互兼容。這一新領域將對眾多電子產品設計產生巨大影響，同時對環(huán)保節(jié)能有很大的幫助。該文介紹了一款簡單實用，成本低廉的無線充電系統(tǒng)，并對其結構和原理進行了詳細的分析。該系統(tǒng)能夠檢測接收端有無可充電移動設備，并準確判斷該設備是否需要進行充電。該設計安全、方便、適用范圍廣，具有較好的應用前景。

參考文獻

[1] 肖志堅，韓震宇.關于便攜式電子設備新型無線充電系統(tǒng)的研究[J].自動化技術與應用，2007（12）：56-58.

[2] 周志敏，周紀海.充電器電路設計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 李一玫.電磁場與電磁波基礎教程[M].北京：中國鐵道出版社，2010.endprint