無線移動(dòng)電源設(shè)計(jì)

安 逸，戴哲浩，陳文軒，曹玲娟，李祖昆

(華北理工大學(xué)信息工程學(xué)院,河北 唐山 063000)

0 引言

移動(dòng)電源(充電寶)是出行不可或缺的隨身電子產(chǎn)品。科技不斷發(fā)展，人們對(duì)電子產(chǎn)品的依賴越來越強(qiáng)。電子產(chǎn)品對(duì)電能的消耗不斷增加，導(dǎo)致電子產(chǎn)品的續(xù)航得不到保證。一些年前，人們面對(duì)這個(gè)問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)電源。而現(xiàn)在，電子產(chǎn)品推陳出新，不少電子產(chǎn)品都支持無線充電，不僅如此，有的產(chǎn)品只能靠無線供電充電，傳統(tǒng)的移動(dòng)電源已經(jīng)不能滿足這一需求，為此，我們提出一種無線移動(dòng)電源方案，在原有的有線充電功能上拓展無線充電功能[1]。

1 應(yīng)用情況

從奧斯特電流磁效應(yīng)，到法拉第電磁感應(yīng)，我們認(rèn)識(shí)到電與磁不可分割的關(guān)系。后有麥克斯韋方程組，繼承和拓展了電磁理論。再后來，有特斯拉的沃登克里弗塔，一次對(duì)遠(yuǎn)距離電能傳輸?shù)拇竽憞L試。在老一輩的科學(xué)家里，無數(shù)人癡迷著對(duì)電與磁的研究，而近些年來，無線充電不斷發(fā)展，已經(jīng)具備實(shí)際意義。2001年，夏普發(fā)布了世界上第一款無線充電的手機(jī)，開始了無線充電在手機(jī)的逐漸普及。2015年三星發(fā)布了支持無線充電的GalaxyS6和S6 edge。2017年，iPhone全系列跟進(jìn)無線充電技術(shù)，無線充電真正進(jìn)入了大眾的視野[2]。

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，由單片機(jī)控制的逆變電路，將鋰電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，交流電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場，在接收設(shè)備端發(fā)生電磁感應(yīng)，次級(jí)線圈產(chǎn)生電動(dòng)勢，完成能量傳輸。

圖1 系統(tǒng)框圖

由IP5306作控制電路，使外圍電路做到簡單。再配合XB7608作保護(hù)電路，充分保障移動(dòng)電源的安全。由單片機(jī)控制的逆變電路，將鋰電池的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，通過線圈產(chǎn)生交變磁場，進(jìn)行能量傳輸。

2.1 鋰電池控制電路設(shè)計(jì)

利用鋰電池作為存儲(chǔ)能量的介質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是重量輕，能量密度高，使用壽命長。鋰電池組采用IP5306芯片進(jìn)行管理。IP5306是一款集成升壓轉(zhuǎn)換器、鋰電池充電管理、電池電量指示的多功能電源管理SOC，為移動(dòng)電源提供完整的電源解決方案。同步升壓系統(tǒng)提供最大2.4A輸出電流，空載時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，且內(nèi)置IC溫度和輸入電壓智能調(diào)節(jié)。

圖2 鋰電池控制電路和保護(hù)電路

如圖2所示。充電時(shí)，usb-in(micro usb)接充電器供電，電流經(jīng)IP5306后對(duì)電池進(jìn)行充電。放電時(shí)，電池釋放的電流經(jīng)IP5306后于VOUT對(duì)USB1和USB2進(jìn)行供電(其中，USB2有下拉電阻，他的輸出為5V1A，而USB1輸出為5V2.4 A)。IP5306的輸入電壓的幅值為5 A左右。輸出時(shí)負(fù)載電流為2.4 A。工作的溫度區(qū)間為0～70 V，這些參數(shù)一定程度上表示了整個(gè)電路的工作參數(shù)，超出這些工作條件時(shí)，器件工作特性不能保證。

2.2 鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為了防止過放過充，過流，負(fù)載短路等情況發(fā)生而對(duì)鋰電池造成損傷，采用XB7608作為鋰電池保護(hù)電路。XB7608A系列產(chǎn)品是鋰離子/聚合物電池保護(hù)的高集成解決方案。包含先進(jìn)的功率MOSFET、高精度電壓檢測電路和延遲電路。具有電池應(yīng)用所需的所有保護(hù)功能，包括過充電、過放電、過電流和負(fù)載短路保護(hù)等。低待機(jī)電流在存儲(chǔ)時(shí)從小區(qū)中吸取少量電流。

圖2中用紅色粗實(shí)線圈出的部分是鋰電池的保護(hù)電路，VDD過一個(gè)阻值1k的電阻與電池正極連接，GND連接電池的負(fù)極。VM接地。

2.3 逆變電路設(shè)計(jì)

鋰電池產(chǎn)生的是直流電流，直流電通過線圈不能產(chǎn)生變化的磁通量，也就不能在空間中產(chǎn)生變化磁場，不能傳遞能量。因此，需要一個(gè)逆變電路，將直流電流轉(zhuǎn)化成交流電流。這里采用橋式逆變電路作逆變電路。

圖3所示橋式逆變電路中，四個(gè)三級(jí)管視作開關(guān)，其開關(guān)狀態(tài)用控制極的電壓信號(hào)決定。將它們分為兩組，其中16,14引腳控制的三極管為A組，15，13引腳控制的三極管為B組。利用單片機(jī)程序交替控制A組和B組的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電流逆變。

圖3 橋式逆變電路

如圖4所示，黃線為A組的電壓，藍(lán)線為B組的電壓。我們可以看到，開關(guān)周期為8 μs(頻率125 kHz)，電壓幅值為2.5 V。它們都呈現(xiàn)周期的方波變化，但相位錯(cuò)開半個(gè)周期(4 μs)。當(dāng)A組三級(jí)管打開時(shí)，電流自上而下流過線圈。而B組打開時(shí)，電流自下而上流過線圈。橋中各臂以頻率 f=125 kHz(控制極電壓型號(hào)的重復(fù)頻率)輪番通斷時(shí)， 在線圈上產(chǎn)生變化電壓，如圖4藍(lán)線所示。其中藍(lán)線的幅值最大值為8 V，周期為6 μs(頻率約為167 kHz)。發(fā)射線圈產(chǎn)生變化磁場，此時(shí)，若接收線圈在磁場中，就會(huì)在接收端產(chǎn)生電動(dòng)勢。線圈耦合度越高，其傳輸效率越高，接收端電壓越接近發(fā)送端電壓。

圖4 開關(guān)電壓

3 軟件設(shè)計(jì)

在不使用的條件下，整個(gè)系統(tǒng)僅存在極小的待機(jī)電流和電池自身微弱的自放電現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對(duì)電量消耗很小，可以忽略不記。

于microUSB接口接入充電器開始充電時(shí)，系統(tǒng)喚醒并開始判斷是否電池需要充電(只需由內(nèi)部電壓比較開關(guān)簡單比較電池的電壓就能判斷)，需要?jiǎng)t開始對(duì)其充電，直到不滿足充電的條件(電池不再需要充電)，斷開充電電流并且系統(tǒng)掛起。

開關(guān)打開，并且在無線接收區(qū)域有接收器件時(shí)，逆變電路開始工作，線圈產(chǎn)生交變磁場，在接收設(shè)備端發(fā)生電磁感應(yīng)，次級(jí)線圈產(chǎn)生電動(dòng)勢，進(jìn)行能量傳輸。直到接收端電池充滿電時(shí)，檢測到輸出負(fù)荷等于零或接近零，停止供電并且系統(tǒng)掛起。

有線充電方式不再贅述。

4 渦流分析

有電流經(jīng)過的導(dǎo)線在其周圍產(chǎn)生電磁場，如果電流經(jīng)過的不是導(dǎo)線，而是螺旋線圈，若此時(shí)將金屬物放置在其產(chǎn)生的磁場中，金屬導(dǎo)體表面就會(huì)產(chǎn)生螺旋的電流，我們稱之為渦流。

渦流在金屬表面產(chǎn)生熱能，降低了充電效率，浪費(fèi)電能。不僅如此，根據(jù)楞次定律，金屬內(nèi)部的感應(yīng)電流的磁場將阻礙由原邊線圈產(chǎn)生的磁場變化，同樣降低了充電效率。

圖5 系統(tǒng)流程圖

為提高充電效率，確保使用安全，解決充電時(shí)發(fā)熱量大等缺陷，目前的主流解決方案是在無線充電器發(fā)射端和接收端線圈背面貼加隔磁片。

隔磁片的主要成分是鐵氧體,一種具有亞鐵磁性的金屬氧化物。鐵氧體在高頻的時(shí)候有較高的磁導(dǎo)率，單位體積存儲(chǔ)磁能低，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度也較低。因此，鐵氧體可以引導(dǎo)磁力線穿過[3]。

圖6 有無隔磁片下的收發(fā)線圈

圖6左圖我們可以看到，沒有鐵氧體的情況下，接收線圈背面的金屬產(chǎn)生渦流和反射磁場，降低了磁通量，浪費(fèi)了電能[3]。右圖金屬被隔磁片隔開，不再產(chǎn)生反射磁場，并且由于在發(fā)射端隔磁片的加入，略微增大了發(fā)射端電磁場定向的作用距離。

5 結(jié)論

現(xiàn)階段，無線充電存在幾個(gè)技術(shù)問題。1) 效率低，多數(shù)的無線充電設(shè)備的電能轉(zhuǎn)換率約70%到80%[4]。也就是說，即使在理想狀態(tài)，也會(huì)有20%的電能被浪費(fèi)掉。2) 因?yàn)槠淇沙潆妳^(qū)域小，需要刻意的擺放，并不能實(shí)現(xiàn)真正的“無線”充電。3) 其充電過程的溫度提升較傳統(tǒng)的帶線充電可能更多，手機(jī)或其他設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重。

盡管無線充電不成熟，但已有無線充電相關(guān)的產(chǎn)品上市。本文切合實(shí)際選用了相對(duì)成熟的電磁感應(yīng)技術(shù)來設(shè)計(jì)移動(dòng)電源，旨在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)并且優(yōu)化參數(shù)。無線充電有著廣闊的應(yīng)用前景，相信隨著今后的技術(shù)和材料的不斷發(fā)展，無線技術(shù)會(huì)有新的突破，以上的問題都會(huì)被解決，屆時(shí)將大大提高用戶的便捷性。