一種帶負(fù)載識別的多負(fù)載無線充電系統(tǒng)設(shè)計

戴英花，董林璽

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310018)

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一種帶負(fù)載識別的多負(fù)載無線充電系統(tǒng)設(shè)計

戴英花，董林璽

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310018)

針對手機(jī)等便攜式設(shè)備無線充電的需求及便利性，提出了一種基于脈沖檢測的支持多負(fù)載的無線充電系統(tǒng).采用施加脈沖檢測波的方式對線圈進(jìn)行掃描，以識別負(fù)載狀態(tài)，減少空載損耗，提高系統(tǒng)效率.為驗證系統(tǒng)方案的可行性，制作了實物樣機(jī).實驗結(jié)果表明，樣機(jī)可以同時給2個手機(jī)充電，充電具有更大的空間位置自由性，待機(jī)功耗僅為0.2 W.

無線充電；多負(fù)載；感應(yīng)耦合電能傳輸；負(fù)載識別

0　引　言

磁感應(yīng)耦合式無線充電技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了用電設(shè)備和供電電源之間電能的無接觸傳輸[1]，并廣泛應(yīng)用于各個實用領(lǐng)域，例如便攜式設(shè)備無線充電器[2]、植入式醫(yī)療設(shè)備體外無線供能[3]、新能源電動汽車無線充電[4]等.市面上成熟的無線充電產(chǎn)品主要給單個便攜式設(shè)備進(jìn)行無線充電，考慮到產(chǎn)品的易用性，必須將無線充電技術(shù)推廣到2個及以上的多個便攜式設(shè)備的充電情況，同時還需要考慮充電擺放位置的自由性問題[5].因此，本文設(shè)計的多負(fù)載無線充電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載狀態(tài)的自動檢測，僅當(dāng)負(fù)載存在時，執(zhí)行充電操作，移開負(fù)載或電池充滿情況下自動進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，從而降低待機(jī)功耗，提高了電能的轉(zhuǎn)化效率.此外，本充電平臺在空間擺放上具有更大的位置自由性.

1　系統(tǒng)工作原理

多負(fù)載無線充電系統(tǒng)主要由無線充電發(fā)射端和多個無線充電接收端兩個部分組成.發(fā)射端由直流供電電源、功率驅(qū)動電路、高頻全橋逆變電路、發(fā)射線圈構(gòu)成.接收端由接收線圈、功率變換電路和負(fù)載構(gòu)成.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.發(fā)射端采用ATmega16做主控芯片完成驅(qū)動信號的產(chǎn)生和負(fù)載識別的控制，全橋逆變模塊驅(qū)動發(fā)射線圈陣列.接收端接收電能后通過整流、濾波和電壓調(diào)節(jié)向負(fù)載端供電.

2　理論分析

2.1原副邊線圈設(shè)計及諧振補(bǔ)償電容的選取

對于多負(fù)載的充電平臺，需要設(shè)計1個面積適當(dāng)且磁場均勻分布的原邊發(fā)射線圈.就磁場分布上而言，對于螺旋線圈，磁場最強(qiáng)的部分在線圈中心，沿半徑向線圈邊沿逐步減弱.為了獲得均勻的磁場場強(qiáng)，根據(jù)磁場疊加原理，采用弱磁場場強(qiáng)區(qū)域與強(qiáng)磁場場強(qiáng)區(qū)域疊加的方法，將3個繞組在空間上排列成兩層的方式實現(xiàn).原邊A6線圈由Litz線繞制而成，可以有效地減少鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng).副邊線圈采用單個平面螺旋跑道形狀PCB線圈.

原邊線圈的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示，使用HFSS電磁場仿真工具，對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，距離線圈高度為5 mm時產(chǎn)生的垂直方向磁場如圖2(b)所示，可以看出在原邊線圈上方磁場近似均勻，滿足設(shè)計要求.原副邊線圈參數(shù)如表1所示.

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

長度/cm寬度/cm圈數(shù)自感/μH互感/μH耦合系數(shù)原邊4.5(單個)5.312左12.5,中11.5,右12.53.63.6副邊43174.5--

圖3　電容補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

2.2互感對充電性能的影響分析

(1)

由式(1)計算得到單個接收負(fù)載諧振時的系統(tǒng)能量傳輸效率為：

(2)

當(dāng)同時給2個接收負(fù)載充電時，其互感等效電路如圖4(b)所示.Rs1，Rs2分別為2個副邊接收線圈內(nèi)阻，RL1，RL2分別為負(fù)載1、負(fù)載2的電阻，Ip，I1，I2分別為原邊和2個副邊接收線圈電流.M1，M2分別為原邊線圈與副邊接收線圈1、副邊接收線圈2之間的互感.同理可得：

(3)

由式(3)計算得到兩個接收負(fù)載諧振時的系統(tǒng)能量傳輸效率為：

(4)

圖4　互感等效電路圖

為了具體分析互感系數(shù)對充電性能的影響，選取其他因素為常量.根據(jù)系統(tǒng)實際情況選定常量參數(shù)如下：工作頻率f0=180 kHz，原邊線圈內(nèi)阻Rp=2 Ω,考慮2個接收負(fù)載參數(shù)相同，即副邊線圈內(nèi)阻Rs1=Rs2=5 Ω,負(fù)載電阻RL1=RL2=5 Ω.分析結(jié)果如圖5所示.

(a)互感系數(shù)對充電電流的影響　　　　　　　(b)互感系數(shù)對傳輸效率的影響圖5　互感系數(shù)對充電性能的影響

由圖5可以看出，隨著互感的增大，系統(tǒng)的充電電流存在極大值，M在3～4 μH之間時，充電電流最大；同時隨著互感的增大，系統(tǒng)傳輸效率隨之增大.另外，相對于單個負(fù)載的系統(tǒng)，帶兩個負(fù)載的充電電流和傳輸效率都會相應(yīng)減小.

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1高頻逆變電路設(shè)計

原邊線圈驅(qū)動采用3路獨立的全橋逆變電路，通過選通信號COIL_1，COIL_2和COIL_3控制逆變電路的工作狀態(tài)，選通信號由MCU輸出.其中1路全橋逆變電路的連接如圖6所示，Q1，Q2，Q3，Q4構(gòu)成全橋逆變電路，由MCU產(chǎn)生PWM控制信號控制MOS管的導(dǎo)通和截止，Q1，Q4導(dǎo)通時，Q2，Q3截止；Q2，Q3導(dǎo)通時，Q1，Q4截止.驅(qū)動芯片TPS28225內(nèi)置14 ns的自適應(yīng)死區(qū)時間，使得上下2個橋臂的MOS管不能同時導(dǎo)通.當(dāng)負(fù)載置入系統(tǒng)時，負(fù)載阻抗變大，原邊電流增大，電流檢測電阻R4上的反饋電壓經(jīng)放大后送到MCU，MCU通過反饋電壓的大小來判斷是否有負(fù)載存在.

圖6　高頻逆變電路圖

3.2副邊接收電路

為了便于便攜式設(shè)備充電使用，需要接收模塊的體積做到盡可能的小.本文選用TI公司的鋰電池?zé)o線充電管理芯片BQ50013，AC/DC轉(zhuǎn)化效率高達(dá)93%，集成包括同步整流、電壓調(diào)節(jié)和鋰電池充電管理功能，只需簡單的外圍電路就可以實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換，并能輸出5 V直流電壓直接給手機(jī)等便攜式設(shè)備供電.若副邊PCB線圈和接收模塊電路采用FPC工藝制作，厚度可以做到很薄，置于手機(jī)殼內(nèi)使得手機(jī)放到平臺上即可充電.單個接收端電路連接如圖7所示.

4　系統(tǒng)工作過程

為了減少待機(jī)功耗，提高電能轉(zhuǎn)化效率，本文采用施加脈沖檢測波和定時線圈掃描的方式檢測負(fù)載是否存在，相對于使用RFID檢測[6]和數(shù)字通信的方法，這種控制方法更簡單.在待機(jī)模式下，MCU每隔0.5 s發(fā)送一次脈寬為140 μs的脈沖PWM波，從而形成交互磁場嗅探是否有無線充電接收負(fù)載置入.若有負(fù)載置入，改變脈沖波為同頻率PWM波，進(jìn)入充電模式，然后掃描線圈以確定負(fù)載線圈的位置，即確定相對應(yīng)原邊電流是否大于設(shè)定的閾值，根據(jù)負(fù)載位置信息使能對應(yīng)線圈的全橋逆變驅(qū)動電路，給置入的接收負(fù)載供電.當(dāng)接收負(fù)載移除或電池充滿，原邊電流減小，即所有原邊電流都小于設(shè)定閾值，停止供電進(jìn)入待機(jī)模式.系統(tǒng)工作過程如圖8所示.

圖7　接收端電路圖

圖8　系統(tǒng)軟件控制策略

5　樣機(jī)實驗結(jié)果

樣機(jī)采用5 V/2.5 A的適配器供電，其中為了測量輸出電流，加入ASC8513鋰電池充電管理Demo板進(jìn)行效率測試.樣機(jī)的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示，測試波形如圖9所示.

表2　主要技術(shù)性能指標(biāo)

圖9　測試波形圖

圖10　樣機(jī)實物圖

圖9中、圖9(a)為待機(jī)模式下輸出的脈沖檢測波，圖9(b)為充電模式下全橋變電路的上下2個橋臂上的驅(qū)動波形，圖9(c)、(d)分別為原副邊線圈上的電壓波形和最終輸出充電電壓波形.樣機(jī)的實物圖如圖10所示.

6　結(jié)束語

本文提出一種基于脈沖波檢測的多負(fù)載無線充電方案，采用施加脈沖檢測波的方式對線圈進(jìn)行掃描，以識別負(fù)載狀態(tài)，從而根據(jù)負(fù)載的情況切換工作狀態(tài)，以實現(xiàn)待機(jī)功耗的降低和系統(tǒng)效率的提高.文中所設(shè)計的樣機(jī)可以用于兩部手機(jī)同時充電，具有較好的應(yīng)用價值.

[1]DANG Z, ABU QAHOUQ J A.Range and misalignment tolerance comparisons between two-coil and four-coil wireless power transfer systems [C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC).Charlotte NC:IEEE,2015:1234-1240.

[2]YUN Y, BOON H S, SELVA R, et al．Palm Size Charging Platform With Uniform Wireless Power Transfer[C]//2010 11th International Conference on Control Automation Robotics & Vision (ICARCV).Singapore:IEEE, 2010: 85-89.

[3]MIRBOZORGI S A, BAHRAMI H, SAWAN M, et al.A Smart Multicoil Inductively Coupled Array for Wireless Power Transmission[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2014,61(11):6061-6070.

[4]QUALCOMM H.Wireless charging for electric vehicles[EB/OL].[2013-06-20].http://www.qualcomm.com/solutions/wireless-charging/qualcomm-halo#n_home-intro．

[5]孫軒.非接觸式手機(jī)充電平臺的設(shè)計[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[6]荊曉博，陳啟軍.基于RFID技術(shù)的多負(fù)載無線供電系統(tǒng)研制[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2007(4)：43-45.

Design of a Multiple-loads Wireless Charging System with Identification

DAI Yinghua, DONG Linxi

(KeyLoboratoryofRFCircuitandSystemMinistryofEducation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

A multiple-loads wireless charging system based on impulse detection technology was proposed for the requirement and convenience of portable consumer electronic products. The coils are scanned by applying a pulse detection wave to identify the load status; it can reduce the standby loss and improve the efficiency of the system. In order to verify the feasibility of the system, an experimental prototype has been made. The experimental results indicate that the experimental prototype can charge two mobile phones at the same time, and it has more spatial position freedom in charging process. The standby power consumption of it is only 0.2 W.

wireless powering; multi-load; inductively coupled power transfer; load identification

10.13954/j.cnki.hdu.2016.01.005

2015-06-09

戴英花(1990-)，女，安徽黃山人，碩士研究生，無線電能傳輸.通信作者：董林璽教授，E-mail:donglinxi@hdu.edu.cn.

TN86

A

1001-9146(2016)01-0021-06