基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統(tǒng)的設計與研究

安徽師范大學物理與電子信息學院 馬赟馨 謝 妍

基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統(tǒng)的設計與研究

安徽師范大學物理與電子信息學院 馬赟馨 謝 妍

利用磁耦合共振傳輸技術對無線充電系統(tǒng)進行電能-磁場能-電能的轉換和傳輸，實現(xiàn)對手機的無接觸充電。從磁耦合共振的原理、系統(tǒng)結構及組成模塊、工作流程、A4WP技術標準、影響無線充電傳輸效率的因素以及該系統(tǒng)的創(chuàng)新特色分別進行研究。

磁耦合共振；手機無線充電系統(tǒng)；設計與研究

0 引言

有線充電因為擺脫不了電源線的束縛，不同移動設備接口的適配器不同等原因在使用上會有諸多不便，在處理手機耗電量快的問題上，僅僅增加電池的容量是一種治標不治本的體現(xiàn)，對于充電困難方面并沒有很好的解決。因而，無線充電技術應運而生，在很大程度上滿足了人們的充電需求。本論文主要研究基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統(tǒng)的系統(tǒng)各組成模塊、工作流程的設計和影響無線充電傳輸效率的因素、A4WP 技術標準以及系統(tǒng)的創(chuàng)新特色等。

1 磁耦合共振的原理和結構

無線充電技術的發(fā)展主要經(jīng)歷了兩種模式，分別是磁感應模式和磁共振模式。磁感應要求充電板與充電設備必須緊密耦合，只能一對一充電；相反，磁共振是松散耦合，有極大的空間自由，可以被多臺充電設備使用。磁耦合共振傳輸技術是一種新興的磁共振傳輸技術。

1.1 磁耦合共振傳輸技術的原理

磁耦合共振傳輸技術的原理如圖1所示。磁耦合共振傳輸技術是將發(fā)射端和接收端的線圈制作成磁共振體系，當發(fā)射電路線圈產(chǎn)生的磁場振動頻率與接收電路的固有頻率一致的時候，在相距一定的距離，由于磁場耦合產(chǎn)生共振，從而進行電能和磁能的能量傳遞。

圖1 磁共振的原理圖

1.2 磁耦合共振傳輸技術的結構

磁耦合共振無線充電系統(tǒng)由電能輸送模塊和電能接收模塊兩部分組成。電能輸送模塊包括交流電源、直流電源、基準電壓、驅動結構、控制保護裝置、功率放大器輸出、振蕩結構以及發(fā)射電磁線圈；電能接收模塊包括接收電磁線圈、供電負載和高頻整流濾波裝置。磁耦合共振無線充電系統(tǒng)的結構類似于電磁感應的結構，區(qū)別在于磁耦合共振多了一個高頻驅動電源設備來供電，加載在有電磁線圈和電容器的LC共振電路中，并非簡單的用普通電磁線圈構成電能輸送和電能接收的兩個模塊。當電源輸送模塊接上電源時，就會產(chǎn)生交變磁束幀使電能接收模塊產(chǎn)生電動勢，為負載持續(xù)不斷地供電。

2 磁耦合共振無線充電系統(tǒng)結構

磁耦合共振無線充電系統(tǒng)框圖如圖2所示，該系統(tǒng)包括直流電輸入模塊、交流電輸入模塊、電源管理模塊、發(fā)射電路模塊、接收轉換電路模塊、充電電路模塊等六大模塊。

圖2 磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)框圖

2.1 發(fā)射電路

該系統(tǒng)的發(fā)射端等同于傳統(tǒng)充電系統(tǒng)的充電器端。發(fā)射電路主要由驅動電路、保護電路、阻抗匹配、驅動線圈、發(fā)射線圈以及DDS、MCU與RFID閱讀器和AD/DC轉換器組成。

（1）驅動電路

驅動電路實現(xiàn)放大丙類信號的功能，過零比較器可以把DDS產(chǎn)生的正弦波信號轉變成方波信號，方波通過驅動電流驅動場效應管。

（2）DDS

DDS由丙類功放電路的大功率信號調(diào)控，使得正弦信號和線圈共振的頻率調(diào)為一致，再通過過零比較器，將正弦波信號轉變成方波信號，再把方波信號送到發(fā)射電路中。

（3）RFID

RFID是一種無線自動識別技術，它通過發(fā)射信號來識別目標產(chǎn)物，并由此分析得到所需數(shù)據(jù)。其最大的優(yōu)勢就是不需要人員的控制，并且通過耦合來實現(xiàn)閱讀器和電子標簽間的不接觸無線數(shù)據(jù)通信。RFID的原理圖如圖3所示。

圖3 RFID的原理圖

當RFID技術運用到無線充電系統(tǒng)中時，閱讀器經(jīng)過磁感應產(chǎn)生電流并轉化成一種具有特別頻率的信號，這個信號在被電子標簽收到之后，同時產(chǎn)生射頻信號并做出回應，這樣閱讀器就不需要接觸目標產(chǎn)物來間接分析出電子數(shù)據(jù)，進而識別出身份，最終確認目標。確認目標后，電能的發(fā)射端驅動電路產(chǎn)生小范圍的電磁場，該電磁場的磁場弱且頻率變化快。當電能的接收端進入這個電磁場時，發(fā)射端因磁通量的改變產(chǎn)生感應交流電動勢，接收端的橋式整流就會產(chǎn)生作用把交流電動勢轉變成直流電動勢，但這個時候輸出的直流電混有其他雜亂的信號，需要借助電容進行過濾，才能得到所需的直流電動勢，來為負載電路供電，完成無線電的傳輸。

2.2 接收轉換電路

該系統(tǒng)的接收端等同于手機等便攜式待充電設備。接收轉換電路主要由諧振網(wǎng)絡阻抗匹配、AD/DC轉換器、穩(wěn)壓電路、接收電路、負載電路和有RFID 標簽電路組成。

（1）諧振網(wǎng)絡

系統(tǒng)的接收轉換電路的諧振網(wǎng)絡實現(xiàn)兩個轉換，首先將電能發(fā)射端的諧振網(wǎng)絡產(chǎn)生的交變電磁場能轉換成電能，然后將該電能轉換成高頻交流電。電能接收端的諧振網(wǎng)絡作用是增強從電磁場獲取電能的能力，提高電能傳輸能力，其中的補償電容的組成部分是一個耦合電感Ls和補償電容Cs。

（2）AC/DC轉換

AC/DC轉換也是實現(xiàn)能量的轉換，它把接收端接收到的高頻交流電轉換成較為穩(wěn)定的直流電，并輸送給負載電路。

電能接收端的流程如圖4所示，當接收端接收到電能后，與發(fā)射端進行及時通信，若發(fā)射端沒有終止傳輸電能，則繼續(xù)發(fā)送信號強度數(shù)據(jù)包、身份標識數(shù)據(jù)包和配置數(shù)據(jù)包這三種數(shù)據(jù)包，并開始發(fā)送第四種數(shù)據(jù)包，即控制誤差數(shù)據(jù)包。然后通過檢測電路反饋給控制器的信號，判斷整流濾波后的輸出電壓是否正常。當整流后的電壓不正常時，控制器立即向電能發(fā)射端發(fā)送終止傳輸電能的信號，終止電能傳輸；當整流電壓正常時，控制器檢查反饋的設備信息，來判斷充電是否完成。如果充電完成，那么控制器向電能發(fā)射端發(fā)送結束充電的信號，充電過程結束；如果充電未完成，那么發(fā)射端發(fā)送控制誤差信號，通過調(diào)節(jié)，繼續(xù)步驟。

圖4 電能接收端的流程圖

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

3 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖5所示。首先進入待機模式，發(fā)送端開始探尋待充電設備，若探尋成功，則檢測是否為可充電設備，若檢測為可充電設備，則發(fā)送端檢測待充電設備信息，檢測后充電并讀取設備信息；若檢測到不是可充電設備，則回到初始待機模式。讀取設備信息完成后，實時監(jiān)測設備信息，若設備充電完成，則充電結束；若充電沒有完成，則繼續(xù)充電，直到充電完成。

4 無線充電傳輸效率的影響因素

無線充電傳輸可以采用增加耦合的方式來提高效率，所以耦合系數(shù)在傳輸電能的過程中起著至關重要的作用，而損耗系數(shù)在能量無線傳輸中的作用也不可磨滅，兩者一同決定著傳輸系統(tǒng)的共振程度。

4.1 傳輸系統(tǒng)的耦合系數(shù)

當兩個螺旋線圈之間的距離d,遠小于諧振波長λ，但又遠大于線圈半徑r時，兩個線圈之間的互感M可表示為：

則兩線圈之間的耦合系數(shù)k可表示為：

由上述公式可知，當d>>r時，耦合系數(shù)k將隨距離以d3衰減，故傳輸效率跟耦合系數(shù)有很大的關系。

4.2 傳輸系統(tǒng)的損耗系數(shù)

損耗系數(shù)可以由下列計算式算出

其中R為等效電阻，L是線圈的等效電感，由此可見線圈寄生電阻和線圈感數(shù)對于損耗系數(shù)的影響是很大的。當系統(tǒng)處于高頻環(huán)境下，產(chǎn)生的感應電流通過導電線圈時會沿著導線截面而分布不均，這就是所謂的集膚效應。

5 A4WP技術標準

A4WP標準是Alliance for Wireless Power標準的簡稱，A4MP標準設定了精準的共振頻率，能夠在極弱的感應磁場產(chǎn)生共振，給負載充電。A4WP采用“電磁諧振無線充電技術”，可以實現(xiàn)稍遠距離的無線充電，是基于磁耦合共振的第一標準，被稱為明天的無線充電標準。

6 系統(tǒng)的創(chuàng)新特色

（1）基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統(tǒng)能量傳輸率高、自由度大、無輻射和無電磁干擾；

（2）系統(tǒng)電能發(fā)射端采用RFID技術具有識別功能，防止因誤加熱充電器以外的金屬，且無需人工干預。

（3）超低待機功耗，若充電器長時間檢測不到物體，系統(tǒng)則進入深度睡眠模式，降低功耗，提高整體效率。

7 結束語

本文提出的基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統(tǒng)解決了有線充電帶來很大的不便，且相比于電磁感應的無線充電技術，它的優(yōu)勢是無線充電的距離更遠，并且可以自動識別充電器以外的金屬，智能地分配能量，達到節(jié)能的目的。只要制定統(tǒng)一的無線充電標準，就能使所有符合該標準的可充電設備使用同一無線充電器充電。

綜合來看，本文研究的磁耦合共振無線手機充電系統(tǒng)擺脫了手機充電時對于數(shù)據(jù)線的依賴，不是通過物理連接而是通過空間中的電磁變化來提供電能給手機電池充電，這種充電靈活、方便、通用性好的特點使得無線充電技術具有廣闊的發(fā)展和應用前景，對于推動無線充電技術上具有一定的理論意義和實用價值，為后續(xù)無線充電系統(tǒng)的設計提供了可靠的參考和借鑒。

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馬赟馨（1997—），女，安徽阜陽人，大學本科，學士，現(xiàn)就讀于安徽師范大學物理與電子信息學院，主要研究方向：硬件電路設計與仿真、無線通信。

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201610370154）。

謝妍（1996—），女，安徽馬鞍山人，大學本科，學士，現(xiàn)就讀于安徽師范大學物理與電子信息學院，要研究方向：軟件算法設計、嵌入式開發(fā)。