一種基于磁共振技術(shù)無(wú)線(xiàn)充電板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（湖南工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

現(xiàn)在的人們享受著無(wú)線(xiàn)通信帶來(lái)便利的同時(shí)也對(duì)電子設(shè)備充電提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電纜方式需要對(duì)布線(xiàn)進(jìn)行合理規(guī)劃，才不至于使眾多的充電線(xiàn)顯得冗余而復(fù)雜，從而節(jié)省人工和物力[1]。另外，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展與普及,手機(jī)成為人們生活與工作中不可或缺的重要工具,并得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著科技的進(jìn)步，電子產(chǎn)品越來(lái)越智能，與此同時(shí)充電器的廢棄與浪費(fèi)也成為一大問(wèn)題[2]。在人們嘗試?yán)蔑L(fēng)能、太陽(yáng)能等自然能源轉(zhuǎn)化為電能對(duì)電子設(shè)備隨時(shí)隨地充電之后，發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)化效率都較低。眾多的研究者想到了無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)，即在沒(méi)有電纜的情況下，可以隨時(shí)隨地地對(duì)手機(jī)充電而不受導(dǎo)線(xiàn)的約束，這樣不僅節(jié)約了導(dǎo)線(xiàn)成本，也省去了維修保養(yǎng)的費(fèi)用。

對(duì)于傳統(tǒng)的有線(xiàn)充電方式，手機(jī)充電端的接口長(zhǎng)期暴露在空氣當(dāng)中，由于空氣中水蒸氣造成的潮濕，手機(jī)在充電過(guò)程中可能存在漏電現(xiàn)象，有很大的安全隱患。同時(shí)，隨著手機(jī)負(fù)載越來(lái)越多，電池電量耗費(fèi)也越來(lái)越大，人們對(duì)手機(jī)電池電量待機(jī)時(shí)間以及充電速度的需求越來(lái)越高。對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電時(shí)不免要進(jìn)行頻繁的插拔，這樣除了會(huì)帶來(lái)一定的安全隱患外，還會(huì)降低充電器及手機(jī)電池的使用壽命[3]。手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，迎來(lái)了市場(chǎng)發(fā)展的絕佳機(jī)會(huì)，由此各手機(jī)充電器的研發(fā)公司開(kāi)始將目光投向無(wú)線(xiàn)充電，試圖解決有線(xiàn)充電帶來(lái)的煩惱。

本文對(duì)手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的研究完全順應(yīng)時(shí)代潮流，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)

目前，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)可以通過(guò)很多種技術(shù)完成無(wú)線(xiàn)電能的傳輸，最常用的主要有以下4種方式：

1）電磁感應(yīng)技術(shù)。它根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律原理，在發(fā)射線(xiàn)圈端將變化著的電流轉(zhuǎn)化成變化著的磁場(chǎng)，在接收線(xiàn)圈端感應(yīng)到變化的磁場(chǎng)再感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。

2）電場(chǎng)耦合技術(shù)。它是沿垂直方向的兩組耦合不對(duì)稱(chēng)偶極子，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)感應(yīng)原理傳輸電力。

3）無(wú)線(xiàn)電波技術(shù)。它用特殊的裝置把電能轉(zhuǎn)變成電波，并通過(guò)介質(zhì)空氣輻射到接收裝置的天線(xiàn)上，再由接收天線(xiàn)轉(zhuǎn)換成能量。

4）磁共振技術(shù)。它是經(jīng)過(guò)兩線(xiàn)圈之間的耦合在發(fā)射端與接收端實(shí)現(xiàn)共振來(lái)傳輸無(wú)線(xiàn)電能[4-6]。

以上4種無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)各有利弊。電磁感應(yīng)技術(shù)的傳輸功率較低，一般僅為0～5 W左右，發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈的距離比較近，一般在幾毫米到幾厘米之間，但是充電效率最高，充電效率可以達(dá)70%左右[7]。電場(chǎng)耦合技術(shù)的傳輸功率一般為1～10 W，其有效傳輸距離和充電效率與電磁感應(yīng)技術(shù)基本相同[8]。無(wú)線(xiàn)電波技術(shù)利用電磁波轉(zhuǎn)換成電流，其傳輸功率可達(dá)100 MW 以上，因此發(fā)射裝置與接收裝置之間的距離較遠(yuǎn)，可達(dá)10 m 以上，但由于距離遠(yuǎn)造成的空間損耗較大，充電效率很低，一般只有20%～40%[9]。磁共振技術(shù)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸功率較高，一般可達(dá)1 kW，可以向大功率設(shè)備供電，并且有效的傳輸距離要求沒(méi)有電磁感應(yīng)技術(shù)的高。一般情況下，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的距離可以達(dá)到幾米，但是其充電效率一般比電磁感應(yīng)技術(shù)的充電效率低20%左右[10]。4種無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的對(duì)比分析數(shù)據(jù)如表1，綜合分析它們的優(yōu)缺點(diǎn)可以得出，采用磁共振技術(shù)進(jìn)行手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電板設(shè)計(jì)，是最符合充電功率大、傳輸距離較遠(yuǎn)這一設(shè)計(jì)要求的。

表1 4種無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)對(duì)比Table1 Comparison of four wireless charging technologies

3 手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電板設(shè)計(jì)

3.1 磁共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電理論分析

隨著磁共振技術(shù)的日臻成熟和優(yōu)化，其應(yīng)用范圍已迅速擴(kuò)展到了生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，并日漸成為非常重要的一門(mén)科學(xué)技術(shù)。磁共振技術(shù)傳輸電能的基本原理是當(dāng)接收線(xiàn)圈和發(fā)射線(xiàn)圈的振蕩頻率相同時(shí)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，而且周?chē)煌l率的物體幾乎不進(jìn)行能量傳輸，所以它不受周?chē)臻g物體的影響[11-12]。

磁共振技術(shù)傳輸?shù)氖请姶艌?chǎng)能量，電磁場(chǎng)能量包括發(fā)射線(xiàn)圈周?chē)碾姶艌?chǎng)能量和發(fā)射的電磁場(chǎng)能量。發(fā)射線(xiàn)圈周?chē)碾姶艌?chǎng)能量是周期性的，不會(huì)向外輻射，這種能量處于近場(chǎng)，其能量表達(dá)式為電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的相位差為90 °，發(fā)射出去的電磁場(chǎng)能量，主要處于遠(yuǎn)場(chǎng)。當(dāng)收發(fā)線(xiàn)圈的距離d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ（λ=c/f，其中λ表示波長(zhǎng)，c表示電磁波傳播的速度，f表示頻率）時(shí)，波長(zhǎng)λ所在的區(qū)域被稱(chēng)為近場(chǎng)，其中近場(chǎng)又分為感應(yīng)近場(chǎng)（d≤λ/2π）和輻射近場(chǎng)（λ/2π

在磁共振無(wú)線(xiàn)電能傳輸中，電路必須實(shí)現(xiàn)共振才能進(jìn)行能量的傳輸。簡(jiǎn)單的無(wú)損耗LC電路，如圖1所示。

圖1 無(wú)損耗LC電路圖Fig.1 Lossless LC circuit

當(dāng)電感L和電容C為串聯(lián)諧振電路時(shí)，電源接通后會(huì)產(chǎn)生固定的振蕩頻率，電路中將產(chǎn)生與電源振蕩頻率周期相同的電流，但是電流的方向與電源振蕩方向相反。在該電路中，震蕩頻率大小與串聯(lián)諧振電路中的電感L和電容C相關(guān)。如果在該電路中增加電阻，隨著電阻值的增大，電路的振蕩衰減率也增大。

圖1所示磁共振無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈的等效電路，可用一階線(xiàn)性微分方程表示為

對(duì)式（1）采用去耦合方式可以得到如下二階微分方程：

通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)、近場(chǎng)的分析和無(wú)耗LC電路的分析，可知在感應(yīng)近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)和具有高共振頻率是磁共振無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)中距離高效率傳輸?shù)膬纱笠蛩亍１砻嫔纤c電磁感應(yīng)技術(shù)有相似之處，但是本質(zhì)上是完全不同的。磁共振無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)需要高Q值線(xiàn)圈來(lái)實(shí)現(xiàn)中距離的電能傳輸，而電磁感應(yīng)技術(shù)是依靠磁芯感應(yīng)的，只能實(shí)現(xiàn)近距離的高效電能傳輸。

3.2 系統(tǒng)硬件模型

所設(shè)計(jì)的手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電板系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端兩部分組成，如圖2所示。根據(jù)磁共振技術(shù)原理，發(fā)射端的4個(gè)XKT-901 無(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片和接收端的一個(gè)XKT-901 無(wú)線(xiàn)接收芯片構(gòu)成處理該電路的無(wú)線(xiàn)電能傳輸功能的核心。在接收端，通過(guò)IP6505 快充芯片自動(dòng)識(shí)別輸出端的接入設(shè)備所支持的快充協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行快速充電。

圖2 磁共振技術(shù)手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電板系統(tǒng)硬件模型Fig.2 Hardware model of mobile phone wireless charging board system based on magnetic resonance technology

3.2.1 發(fā)射端電路圖設(shè)計(jì)

在發(fā)射端中，把220 V 交流電壓經(jīng)穩(wěn)壓濾波電路后送入如圖3所示的電路。

圖3 發(fā)射端部分電路設(shè)計(jì)圖Fig.3 Part of the circuit design of the transmitter

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)發(fā)射端的XKT-901 無(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片具有調(diào)頻的作用。它使得發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)頻率共振。在接收端中的電路里也有一個(gè)XKT-901，兩個(gè)XKT-901 快速充電芯片相互配合，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和電路的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并負(fù)責(zé)各種電池快速充電的智能控制。另外，XKT-901 無(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片能夠自動(dòng)檢測(cè)到負(fù)載的存在，3個(gè)XKT-335 功率放大芯片串聯(lián)在一起，對(duì)電路進(jìn)行功率放大，其放大倍數(shù)為3。

XKT-901 無(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片非常適合于低壓大功率的無(wú)線(xiàn)傳輸，具有精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，專(zhuān)用于無(wú)線(xiàn)感應(yīng)智能充電及電源管理系統(tǒng)，可靠性較高，只需要幾個(gè)外部組件就可以制作出高可靠性的無(wú)線(xiàn)快速充電器和無(wú)線(xiàn)電源，有低壓控制引腳，用于外置單片機(jī)工作實(shí)現(xiàn)各種控制功能。

3.2.2 接收端電路圖設(shè)計(jì)

接收端部分電路圖如圖4和圖5所示。

在圖4所示按收端的無(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片電路中，通過(guò)并聯(lián)3個(gè)電容來(lái)過(guò)濾由共振產(chǎn)生的雜波，再接一個(gè)肖特基整流器U1 進(jìn)行第一次整流，這個(gè)整流器具有單向?qū)ǖ淖饔茫?fù)責(zé)對(duì)電容C7進(jìn)行蓄電。當(dāng)從肖特基整流器過(guò)來(lái)的電流突然消失時(shí)，電容C7釋放兩端的電子，維持電路正常工作。當(dāng)電源指示燈D1 亮?xí)r，表示發(fā)射端與接收端達(dá)到共振，正在給負(fù)載充電。在該電路中，XKT-901 芯片需要與芯片外的5個(gè)二極管組合才能進(jìn)行正常的工作，同時(shí)該部分將過(guò)來(lái)的電流進(jìn)行二次整流，其中U5是一個(gè)MOS 管，等同于一個(gè)開(kāi)關(guān)。

在圖5所示接收端的快速充電電路中，保險(xiǎn)管FB1 在發(fā)生短路時(shí)用于保護(hù)電路，后接快充協(xié)議芯片IP6505部分，主要負(fù)責(zé)給不同協(xié)議的負(fù)載進(jìn)行快速充電。

圖4 接收端的無(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片電路Fig.4 Wireless transmitter chip circuit at the receiving terminal

圖5 接收端的快充電路Fig.5 Fast charging path at the receiving terminal

上述部分電路中所使用到的核心元件有ZP6505快速充電和肖特基整流器兩個(gè)，其功能說(shuō)明如下。

1）IP6505 快速充電芯片

IP6505 快速充電芯片是一款與同步開(kāi)關(guān)集成的buck 轉(zhuǎn)換器，支持11種輸出快速充電協(xié)議，包括主流的QC（quick charge）3.0、蘋(píng)果和華為的快速充電協(xié) 議FCP（fast charge protocol）。IP6505的輸出為CV/CC模式，當(dāng)輸出電流小于設(shè)定值時(shí)，輸出CV模式和輸出電壓不變；當(dāng)輸出電流大于設(shè)定值時(shí)，輸出CC模式和輸出電壓降低。通過(guò)DP/DM，IP6505自動(dòng)識(shí)別輸出終端接入設(shè)備支持的快速充電協(xié)議，然后自動(dòng)調(diào)整輸出電壓和電流。

2）肖特基整流器

肖特基整流器是一種二極管，也稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘二極管。肖特基整流器是基于金屬與半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘，與PN 結(jié)硅二極管相比，反向恢復(fù)時(shí)間很短，正向傳導(dǎo)壓降較低，僅為0.4 V 左右。

4 無(wú)線(xiàn)充電板的測(cè)試分析

4.1 測(cè)試樣品圖

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，項(xiàng)目組完成了手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電板的開(kāi)發(fā)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中需要用到電流表、直流電源和平面型無(wú)磁芯圓盤(pán)式螺旋線(xiàn)圈等儀器，其無(wú)線(xiàn)充電板測(cè)試樣品如圖6所示。

圖6 手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電板實(shí)物圖Fig.6 Physical pictures of of mobile phone wireless charging board

本實(shí)驗(yàn)中采用器件的有關(guān)尺寸如下：

發(fā)射模塊。模塊尺寸為13 mm×20 mm；線(xiàn)圈尺寸為內(nèi)徑30 mm，外徑81 mm，電感量14 μH。

接收模塊：模塊尺寸為30 mm×53 mm；線(xiàn)圈尺寸為內(nèi)徑30 mm，外徑81 mm，電感量14 μH。

4.2 性能測(cè)試

4.2.1 充電功率測(cè)試

圖7為手機(jī)天線(xiàn)充電板充電測(cè)試圖。

圖7 手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電板充電測(cè)試圖Fig.7 Mobile phone wireless charging plate charging test diagram

如圖7所示，充電功率測(cè)試采用接收端模塊與手機(jī)直連的方式，對(duì)接收端模塊無(wú)線(xiàn)充電，測(cè)試使用支持QI快充協(xié)議的360手機(jī)、支持華為快充協(xié)議的華為nova2和支持蘋(píng)果快充協(xié)議的iPhone 8 Plus。

測(cè)試方法是給發(fā)射端相同的輸出電壓20 V 下記錄每部手機(jī)從5%～90%的輸出功率變化情況。從表2所示功率變化表可知，360 手機(jī)前20%的充電功率較高，30%～60%的充電功率維持在7.5 W左右（包括充電損耗），70%～80%時(shí)又是20 W的快速充電；而華為nova2充電功率一直下降，偶有小范圍波動(dòng)；iPhone 8 Plus在低電量5%時(shí)功率最高，為19.3 W，10%～60%期間維持在15 W左右，70%～90%充電時(shí)在5 W左右。

表2 3種快充協(xié)議手機(jī)充電功率變化表Table2 Charging power change table for mobile phones with three fast charging protocols

上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果充分表明，所設(shè)計(jì)的基于磁共振技術(shù)的手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電板可以對(duì)支持QI 協(xié)議、華為快充協(xié)議和蘋(píng)果快充協(xié)議的手機(jī)進(jìn)行快速充電，達(dá)到設(shè)計(jì)方案中支持多協(xié)議充電的預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)無(wú)線(xiàn)充電功率可以達(dá)到20 W。

4.2.2 充電效率測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證距離和充電效率的關(guān)系，課題組對(duì)在不同距離下的充電效率進(jìn)行了測(cè)試，其趨勢(shì)如圖8所示，由圖可知充電距離越遠(yuǎn)，充電效率越低。

圖8 發(fā)射與接收線(xiàn)圈之間不同距離下的充電效率Fig.8 Charging efficiency at different distances between transmitting and receiving coils

為了測(cè)試所設(shè)計(jì)的手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電板的充電效率是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，測(cè)試采用數(shù)字直流電源分別測(cè)量在兩線(xiàn)圈距離為1 cm的時(shí)候的充電電壓、充電電流、負(fù)載端電壓、負(fù)載端電流，測(cè)得以上數(shù)據(jù)分別為：20 V、1.2 A，16 V、0.9 A，可以計(jì)算出充電效率為60%。

4.2.3 有效距離范圍測(cè)試

在測(cè)量手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電板的有效充電距離時(shí)，在發(fā)射端給20 V 恒定電壓，將無(wú)線(xiàn)充電板接收模塊負(fù)載為空，保持發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈在同一水平線(xiàn)上，軸心對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)不斷地改變兩線(xiàn)圈之間的距離，使用電流表在負(fù)載端測(cè)量電流的變化情況，所得測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 接收模塊兩端無(wú)負(fù)載輸出的電流測(cè)量值Table3 Measured values of output current without load at both ends of the receiving module

發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈之間的距離與電流的變化曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈之間的距離與電流變化曲線(xiàn)Fig.9 Distance and current change curves between transmitting and receiving coils

由圖9所示電流的變化曲線(xiàn)可以看出，發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈的距離越遠(yuǎn)，接收端所測(cè)得的電流越小，可知兩線(xiàn)圈的距離與電能傳輸效率成反比。通過(guò)測(cè)試，該裝置最遠(yuǎn)的有效充電距離可達(dá)24 cm 以上，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)方案中有效距離要求。

5 結(jié)語(yǔ)

磁共振技術(shù)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸[13-14]，無(wú)論是在應(yīng)用前景上或是在未來(lái)的科研探索上都是非常重要的一個(gè)方向，相較而言，它比其它的無(wú)接觸式電能傳輸有著更多的使用價(jià)值。本文采用磁共振技術(shù)設(shè)計(jì)了一種可對(duì)手機(jī)進(jìn)行快速充電的無(wú)線(xiàn)充電板，快速充電效率60%，功率最高可達(dá)20 W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前國(guó)內(nèi)外主流無(wú)線(xiàn)充電器的功率，且能兼容多種有線(xiàn)快速充電協(xié)議，具有很好的實(shí)用價(jià)值和推廣運(yùn)用價(jià)值。