無線手機充電方法研究

陳劍波 胡聰 翁偉明 羅偉烈 楊鴻禧

摘 要：隨著越來越多的移動通信設備配備無線充電功能，無線充電技術開始成為了人們關注的焦點和研究的對象。本設計利用了法拉第電磁感應原理，分為發(fā)射端和接收端兩部分電路，發(fā)射端電路采用內部電壓驅動，不需要額外的控制電路來驅動。由Lx和Cx構成的LC振蕩電路發(fā)射穩(wěn)定的電磁波，電磁波經過接收線圈后，由整流電路轉換成直流信號，最后由MP2307控制輸出穩(wěn)定電壓給電池充電。本設計最終可輸出5±0.2V電壓，最大電流可達1000mA。

關鍵詞：無線充電 充電器 電磁感應

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0038-03

電子信息產業(yè)的蓬勃發(fā)展促使著各式各樣的便攜式電子產品如手機、數碼相機、平板電腦等越來越多地出現(xiàn)。手機產品是便攜類產品的一個大類，每個手機都需要有一個對應的充電器，每換一次電子產品，舊的充電器就基本要被廢棄。大量舊充電器廢棄后的處理也會增加對環(huán)境造成更重的負擔。其中主要問題是大部分充電器都不能通用，即使如果使電源部分一樣，但接口也不一樣，甚至相同品牌的不同產品所使用的充電器都不能兼容。對使用者而言，攜帶有線充電器和利用它充電都不是很方便。隨著人們對無線通信需求的增長，手機技術的發(fā)展和電子元器件成本的逐漸下降使手機產品得到了快速的普及?？梢哉f手機發(fā)展到今天，人們已經離不開它，而支持無線充電功能的手機將會使人們的生活更加便捷[1]。

無線充電方式主要包括4種方式：電磁感應方式、磁共振方式、電場耦合方式和電波接收方式[2]。Qi是全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯(lián)盟，簡稱WPC。其推出的“無線充電”標準，具備便捷性和通用性兩大特征。Qi標準主要是針對電磁感應的，目前Qi廣泛應用于手機、MP3、照相機等手持低功率設備中。已有多款電子產品采用了Qi無線充電技術，代表產品有Nokia Lumia 920、Nokia Lumia 820等。

1 系統(tǒng)設計

無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應原理，通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞，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。

該方式和變壓器原理一樣，通過初、次級線圈的相互感應來實現(xiàn)電能的傳輸[3]。在發(fā)射端和接收端各有一個線圈，發(fā)送端的線圈稱為初級線圈，或發(fā)射線圈；接收端的線圈稱為接收線圈或次級線圈。當交流電通過發(fā)射線圈后，便會向外產生磁場，接收線圈接收到磁場之后產生電磁感應，進而感應電動勢，有了電壓之后線圈就會產生感應電流，經過整流后的電流就可以為手機充電。

在本設計中的無線充電裝置由發(fā)射端和接收端組成。發(fā)射端由直流電源、驅動器、發(fā)射線圈組成；接收端由接收線圈、整流電路、DC-DC模塊、手機負載組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 發(fā)射端

發(fā)射端電路原理圖如圖2所示，圖片來源于Linear Technology公司的LTC4120芯片手冊。發(fā)射端采用電流反饋式推挽電路驅動發(fā)射線圈，可提供較大的驅動電流。該發(fā)射端通常會在發(fā)射線圈產生一個2.5ARMS交流線圈電流[4]，

2.5ARMS為電流有效值。發(fā)射端的輸出功率隨著Cx的增加而增加，當大于300nF時，效果不明顯。當采用Lx=5uH，Cx=300nF時，由Cx、Lx匹配構成LC諧振電路，可以獲得較大的發(fā)射功率。發(fā)射端的頻率計算公式為：

經過測試，MOS管柵源級間電壓并沒有超過16V，因此去掉了圖2中的D1，D4的16V穩(wěn)壓管。對線圈的制作，因為高頻電流具有趨膚效應，因此應使用多股漆包線。

使用N溝道，快速切換場效應管4800B，代替系統(tǒng)中的M1、M2。發(fā)射端電路原理圖如圖3所示。4800B作為開關使用，應選擇低柵極電容的MOS管，以減小高頻開關損耗。

1.2 接收端

接收端電路主要由三部分組成：接收線圈、整流電路、DC-DC模塊（如圖4所示）。將接收端放置在發(fā)射端產生交變磁場中，將會產生感應電動勢，經過整流的電流再通過DC-DC模塊將輸出電壓（5±0.2）V。

整流電路采用全波整流電路，DC-DC模塊采用MP2307芯片，同步降壓穩(wěn)壓器。MP2307集成了可調MOSFET，可在4.75V至23V的輸入電壓范圍下提供3A的連續(xù)負載電流。接收端電路原理圖如圖5所示。

2 實驗結果

實物充電圖如圖6所示。

測試指標包括：發(fā)射端輸入電壓Vin，輸入電流Iin；接收端輸出電壓Vout，輸出電流Iout。測試工具有游標卡尺，直流穩(wěn)壓電源，手機負載。由公式（2）計算充電效率Pc，如表1所示。由表1可知該裝置的平均充電效率為50%。

隨著線圈的垂直距離的增加，充電的功率下降，即垂直距離和充電功率正反比。當距離超過6mm時，該裝置充電的功率直接降低為0W。本方案的最大功率可達4.92W。

3 結語

本設計主要研究無線手機充電在充電效率優(yōu)化的方案，發(fā)射端采用了Linear Tecnology公司LTC4120無線功率收發(fā)器方案中的發(fā)射器方案進行優(yōu)化改進，該發(fā)射器為電流反饋式推挽發(fā)射器，采用內部的電壓驅動，不需要額外的驅動電路。通過改變Cx和Lx的耦合來達到最大的發(fā)射功率。實驗結果表明，Cx與Lx在130kHz的時候該驅動器達到最大輸出功率。接收端采用了整流電路和基于MP2307芯片的DC-DC模塊的方案代替了基于LTC4120芯片的接收端方案，經過測試，該充電裝置的平均充電效率達到50%，可輸出5±0.2V電壓，最大電流可達1000mA。

參考文獻

[1] 孟慶奎.手機無線充電技術的研究[D].北京郵電大學，2012.

[2] 陳新，張桂香.電磁感應無線充電的聯(lián)合仿真研究[J].電子測量與儀器學報，2014，28（4）：434-440.

[3] 賈紅梅.手機無線充電系統(tǒng)的研究[D].安徽工業(yè)大學，2017.

[4] Trevor Barcelo.Wireless Power User Guide[D].Linear Technology，2013.