無線充電技術(shù)在消費(fèi)電子產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

何明超

（英華達(dá)（上海）科技有限公司，上海 201114）

1 概 述

無線充電技術(shù)源于無線電力輸送技術(shù)，根據(jù)傳輸功率可分為小功率無線充電和大功率無線充電[1]。小功率無線充電一般用于體積較小的設(shè)備，如手機(jī)、充電盒以及其他手持設(shè)備等。大功率無線充電是指通過大功率方式對電池進(jìn)行感應(yīng)充電，目前，大功率無線充電應(yīng)用最多的是汽車行業(yè)[2]。

無線充電又稱作非接觸式感應(yīng)充電，是利用近場耦合感應(yīng)，由供電設(shè)備將能量傳送至用電裝置，該裝置使用接收到的能量對電池充電[3]。隨著集成電路的微型化和無線充電技術(shù)的日趨成熟，未來無線充電將會得到更加廣泛的應(yīng)用。目前無線充電已經(jīng)新型電子產(chǎn)品的標(biāo)配之一。

2 無線充電技術(shù)的種類

目前無線充電主要包括電磁感應(yīng)充電、磁共振充電以及無線電波充電3種。

2.1 電磁感應(yīng)充電

一個交變電流通過一個感應(yīng)線圈（初級線圈），隨著交變電流幅度不斷變化，磁場強(qiáng)度也會隨之增強(qiáng)，便攜式設(shè)備中的第二感應(yīng)線圈（接收線圈或次級線圈）中會產(chǎn)生交流電，然后利用整流器將交變電流轉(zhuǎn)換成直流電為電池充電或提供工作電源[4]。該方式簡單高效、安全可靠、功率可擴(kuò)展且較為成熟，但受制于傳輸空間和傳輸距離，充電時需要近距離操作，只能一對一充電，無法進(jìn)行一對多充電。

2.2 磁共振充電

共振無線充電依靠高頻振蕩磁場以相同諧振頻率運(yùn)行的兩個線圈之間傳遞能量。單個初級線圈可以為多個設(shè)備同時充電。該技術(shù)比電磁感應(yīng)技術(shù)復(fù)雜，效率較低[5]。其優(yōu)點(diǎn)在于充電空間不受限制，充電自由，傳輸距離可達(dá)數(shù)米，適合較遠(yuǎn)距離充電，支持一對多充電[7]。但該充電方式較高的功率會對周圍環(huán)境造成比較大的電磁干擾，傳輸效率較低。

2.3 無線電波充電

電磁波可以用來傳遞信息，理論上只要電磁波的頻率夠高，就可以傳輸能量[6]。無線電波充電是通過發(fā)射電磁波信號的方式進(jìn)行能量傳輸。和磁共振類似，無線電波充電空間不受限制，充電自由度高，傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)，并且支持一對多充電。但其需要更大的功率，輻射較大，傳輸效率也比較低。

因此，綜合考慮傳輸效率、成本以及對環(huán)境的影響等因素，消費(fèi)電子產(chǎn)品基本上采用的都是磁感應(yīng)技術(shù)。

3 磁感應(yīng)充電原理及應(yīng)用

3.1 電磁感應(yīng)及能量傳輸原理

交變電流在經(jīng)過一個線圈時會生成一個變化的磁場，變化的磁場能夠產(chǎn)生電動勢，根據(jù)這些原理可以通過兩個線圈來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換[8]。將初級線圈與輸入電源連接，并且將次級線圈連接到外部電路。由于初級電流是交變的，因此鐵芯內(nèi)的磁通量會連續(xù)變化，并且次級線圈中變化的磁鏈會在次級電路中感應(yīng)出交流電壓和電流[9]。

3.1.1 能量傳輸

磁感應(yīng)能量傳輸如圖1所示。

圖1 磁感應(yīng)能量傳輸

耦合無線充電技術(shù)使用磁感應(yīng)將功率從發(fā)射器（Tx）傳輸?shù)浇邮掌鳎≧x）。磁場是由Tx側(cè)的初級線圈產(chǎn)生的，由次級線圈Rx端捕獲。磁場通過空氣進(jìn)行無線傳輸，沒有磁路連接兩個線圈。在將電信號提供給負(fù)載電路之前，需要對接收到的電信號進(jìn)行整流、濾波以及調(diào)制解調(diào)處理。

3.1.2 磁場的能量控制與調(diào)節(jié)

磁感應(yīng)磁場能量控制與調(diào)節(jié)如圖2所示。

圖2 磁感應(yīng)磁場能量控制與調(diào)節(jié)

為了實(shí)現(xiàn)對該磁場的控制與調(diào)節(jié)，可以使用LC諧振電路更改振蕩器頻率、更改振蕩器占空比（使用方波振蕩器）、改變振蕩器電壓以及對全橋振蕩器施加相移等。

3.1.3 能量的發(fā)射與接收

圖3為Tx和Rx的能量傳輸示意圖。

圖3 Tx和Rx的能量傳輸

由于變量太多（Rx/Tx耦合、Rx和Tx線圈以及負(fù)載等）Tx無法自行設(shè)置調(diào)節(jié)點(diǎn)，那么就需要一個從Rx到Tx的通信交流通道幫助Rx將有關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送給Tx。此通信通道也可以用于輔助目的，并擴(kuò)展到雙向通信。

3.1.4 Rx負(fù)載檢測及異物檢測FOD

圖4為Rx負(fù)載檢測及異物檢測示意圖。

圖4 Rx負(fù)載檢測及異物檢測

從圖4可知，左端電路發(fā)射端會定期產(chǎn)生一個磁場，來檢查是否存在一個負(fù)載并消耗能量。

右端電路根據(jù)QI標(biāo)準(zhǔn)使用功率平衡的方法來估算是否存在異物，如果Tx發(fā)射的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Rx接收到的功率，則可以判斷為存在異物。

3.2 無線充電器原理

基于磁感應(yīng)原理可以設(shè)計(jì)出一個無線充電器為電子產(chǎn)品進(jìn)行充電。無線充電器主要由電源管理模塊、發(fā)射電路模塊、接收電路模塊以及充電電路模塊構(gòu)成，如圖5所示[10]。

圖5 無線充電器系統(tǒng)方框圖

輸入端可以是220 V交流電或24 V直流電直接供電。當(dāng)輸入端是220 V交流電時，會經(jīng)過一個橋式整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電供給電源管理模塊，之后再經(jīng)過發(fā)射電路中的高頻振蕩電路和高頻放大電路供給初級線圈。通過初級線圈和次級線圈的耦合，次級線圈接收初級線圈傳送的電流，再將接收的電流通過接收電路轉(zhuǎn)換成直流電，從而對電池進(jìn)行充電。

3.2.1 發(fā)射電路

圖6是一個簡單的發(fā)射電路，電壓V1為直流電壓，如果此發(fā)射模塊由交流電源供電，則V1是經(jīng)過整流和濾波之后的直流電壓。L1是初級線圈，M1是開關(guān)元件，線圈中會形成交流電流，L1和C1形成一個諧振電路，從而能夠提供正弦電流。

圖6 發(fā)射電路圖

用上面的發(fā)射電路和接收模塊進(jìn)行仿真時，可以得到初級線圈中的電流波形為一個正弦波，如圖7所示。

圖7 初級線圈中電流波形為一個正弦波

3.2.2 接收電路

接收電路模塊包括次級線圈、諧振電路、整流器以及充電IC。圖8是一個使用LTC4120作為主控制器的接收電路。一旦IC引腳變?yōu)榈碗娖剑琇2和C2將形成一個串聯(lián)諧振器，而C4將形成一個并聯(lián)諧振器。對次級線圈接收到的交變信號進(jìn)行濾波、整流以及穩(wěn)壓處理，最終輸出一個穩(wěn)定的直流電給電池充電。

圖8 接收電路圖

根據(jù)上圖接收電路和圖6發(fā)射電路進(jìn)行仿真模擬，得到的Vout電壓波形如圖9所示。

圖9 Vout電壓波形圖

3.2.3 無線充電傳輸功率

在無線電力傳輸系統(tǒng)中，功率傳輸基于發(fā)射電路初級線圈中產(chǎn)生的交流電流會在次級線圈中通過互感M產(chǎn)生一個交變電流，無線功率傳輸如圖10所示。

圖10 無線功率傳輸

假設(shè)k為耦合系數(shù)，那么：

假設(shè)n是線圈匝數(shù)比，那么它等于接收電路次級線圈的匝數(shù)nR除以發(fā)射電路初級線圈的匝數(shù)nX，即：

匝數(shù)比與次級線圈電感LR和初級線圈電感LX之比的二次方根成正比關(guān)系。在無線傳輸系統(tǒng)中，初級線圈中的交變電流I與互感產(chǎn)生的次級線圈中的交變電流IR的關(guān)系為：

耦合系數(shù)是一個變量，它的值取決于初級線圈和次級線圈的方向和距離。在基于LTC4120的典型無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，k值一般在0.18（10 mm線圈距離）和0.37（3 mm線圈距離）左右變化。由于LX和LR的阻抗很低，即使在耦合比很低的情況下，傳輸效率依然很高，如圖11所示。

圖11 耦合系數(shù)k隨距離的變化

4 設(shè)計(jì)與應(yīng)用

隨著集成電路技術(shù)和新型材料的不斷創(chuàng)新發(fā)展，各種電子產(chǎn)品逐漸向小型化、智能化以及多功能化的方向發(fā)展，無線充電技術(shù)同樣也得到了集成化發(fā)展。圖12是一個無線藍(lán)牙耳機(jī)充電設(shè)計(jì)方塊圖。

圖12 TWS耳機(jī)盒方塊圖

本設(shè)計(jì)采用了兩種充電方式，除了無線充電外還可以通過USB口進(jìn)行充電,采用QI標(biāo)準(zhǔn)的無線充電器都可以對其進(jìn)行充電。該耳機(jī)盒內(nèi)置一個無線線圈，作為接收電路的一部分，在進(jìn)行無線充電時通過磁感應(yīng)接收能量，線圈通過兩個濾波電容接到一個無線充電管理IC，也叫無線充電接收器。通過無線接收器進(jìn)行整流，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再通過內(nèi)部的LDO輸出一個穩(wěn)定的直流5 V電提供給電池充電管理IC，從而實(shí)現(xiàn)對電池的充電。

圖13是ST公司開發(fā)的一顆無線充電接收器（STWLC68）方塊圖。STWLC68是一顆適用于便攜式電子設(shè)備的高集成無線功率接收芯片，可對接收線圈接收到的交流電壓進(jìn)行整流。該芯片支持Qi 1.2.4感應(yīng)無線標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，可以提供高達(dá)5 W的輸出功率。由于集成了最大支持27 V的低損耗整流器，系統(tǒng)整體傳輸效率最高可達(dá)80%。芯片內(nèi)部帶有輸出電流和輸入電壓控制環(huán)路的低壓差線性穩(wěn)壓器，可以為后端電路提供一個穩(wěn)定的直流電壓。

圖13 STWLC68方塊圖

線圈接收的交變信號通過AC1，AC2輸入給IC內(nèi)部的同步整流器，再經(jīng)過內(nèi)部的主線性穩(wěn)壓器輸出一個穩(wěn)定的5V直流電壓VOUT，從而實(shí)現(xiàn)將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。

4.1 同步整流器

STWLC68的同步整流器是將接收線圈接收到的交流功率轉(zhuǎn)換成直流電的一個關(guān)鍵模塊，由4個N-channel MOS管組成，構(gòu)成一個H橋，方便由一個控制塊驅(qū)動，該控制塊監(jiān)控AC1和AC2引腳的電壓，以優(yōu)化換向并為外部自舉電容CRECT充電。

4.2 主線性穩(wěn)壓器

STWLC68的主線性穩(wěn)壓器可確保恒定的電壓輸出，且功率損耗很小。主線性穩(wěn)壓器具有3個獨(dú)立的控制回路來保證功率的傳輸。一是輸出電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，該環(huán)路將輸出電壓控制為寄存器設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值。二是輸入電流調(diào)節(jié)回路，為了防止同步整流器的輸出崩潰，流經(jīng)線性穩(wěn)壓器的電流限制為固定的1.5 A。三是輸入電壓調(diào)節(jié)回路，該回路配合輸入電流協(xié)調(diào)工作，避免VREC電壓下降過低。同時，為了確保主線性穩(wěn)壓器穩(wěn)定運(yùn)行，需要在穩(wěn)壓器的輸出端（VOUT）接一個大于20 μF的濾波電容（COUT）。

5 結(jié) 論

本次設(shè)計(jì)的無線充電技術(shù)采用了電磁感應(yīng)原理，低損耗整流系統(tǒng)與多環(huán)路穩(wěn)壓系統(tǒng)的加入大大提升了功率傳輸效率，降低能源損耗并縮短充電時間。隨著無線充電管理芯片集成度越來越高，無線充電效率將會進(jìn)一步提升，無線充電技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛。