基于磁耦合共振傳輸技術(shù)的手機(jī)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊 軍，閆德鑫，彭云喆

（湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽 421009）

1 磁耦合共振的原理概述

1.1 磁耦合傳輸法

磁耦合共振也可以稱為感應(yīng)耦合，主要是通過兩個(gè)可以產(chǎn)生互感的線圈，通過電磁感應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出之間的影響和調(diào)節(jié)，兩個(gè)線圈內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)電磁的共振疊加。磁耦合共振裝置包括與終端相連的受電線圈、與電源相連的送電線圈。兩個(gè)線圈在磁場(chǎng)內(nèi)部以相同的頻率發(fā)生共振，并利用磁感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能傳輸[1]。

1.2 耦合共振模型

首先，根據(jù)實(shí)際使用情況的不同，電源輸送的可能是交流電或直流電，必須要對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足受電端的實(shí)際需求，將其調(diào)節(jié)為系統(tǒng)的基準(zhǔn)工作電壓。電源模塊內(nèi)部需要有一定的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)裝置，作為整個(gè)充電系統(tǒng)的電能來源，必須要和其他的各類元器件進(jìn)行搭配使用，為受電端不斷提供電動(dòng)勢(shì)。其次，在發(fā)射電路中需要有電磁線圈和震蕩結(jié)構(gòu)，使其和接受轉(zhuǎn)化模塊中的受電電磁線圈相匹配，二者相互靠近時(shí)可以產(chǎn)生電磁感應(yīng)。在磁耦合共振的作用之下實(shí)現(xiàn)電力的傳輸，多余的電能可存儲(chǔ)在受電端的電池中。最后，為了保證線路能夠更好地完成電能轉(zhuǎn)化的需求，還需要在其中設(shè)計(jì)一些匹配電路保障安全和功能的多樣性。

2 手機(jī)無線充電系統(tǒng)概述

2.1 無線充電優(yōu)勢(shì)

無線充電技術(shù)采用了電磁感應(yīng)的方式進(jìn)行充電信號(hào)的快速傳輸，相比傳統(tǒng)線充的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加突出。無線充電技術(shù)為非接觸式的一對(duì)多充電設(shè)備，與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時(shí)亦避免了接口不適用、接觸不良等現(xiàn)象，老年人也能很方便地使用。無線充電器的應(yīng)用范圍更加廣泛，供電與受電的端口只需要按照同一電磁標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以使用。

2.2 應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

盡管手機(jī)無線充電具有較好的發(fā)展前景，但是目前研究仍然較為有限，需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)。首先，無線充電器充電傳輸距離短，有效傳輸距離通常在10 mm以內(nèi)，需要將手機(jī)完全放置在充電器上，較線充模式限制了使用者的移動(dòng)距離。但這一缺點(diǎn)主要是由于電磁感應(yīng)傳輸導(dǎo)致的，在具體的研究應(yīng)用中還未能找到較好的解決方式。其次，無限充電器的工作功率比較低，大部分的無限充電器和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了10 w，15 w左右。但市面上一些常見的有線快充的工作功率可達(dá)到18 w，48 w，手機(jī)的充電效率能夠得到較好的保障。目前的大部分手機(jī)沒有實(shí)現(xiàn)無線充電的普及，需要增加無線充接收片才能體驗(yàn)無線充的功能。在這樣的應(yīng)用現(xiàn)狀之下，加強(qiáng)對(duì)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析和功能開發(fā)十分重要，是推動(dòng)手機(jī)充電模式革新的重要發(fā)展方向。

3 該技術(shù)在充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

3.1 信號(hào)發(fā)射電路

在信號(hào)的發(fā)射端口需要設(shè)計(jì)一定的驅(qū)動(dòng)電路和功放模塊，提升電能的傳輸效率，為了更加精準(zhǔn)的識(shí)別手機(jī)，還需要加設(shè)RFID保證通信穩(wěn)定。電源的電能需要經(jīng)過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為能夠被電磁線圈識(shí)別并使用的方波頻率，需要利用比較器完成，驅(qū)動(dòng)電路中可以用方波信號(hào)帶動(dòng)發(fā)電線圈。在功放結(jié)構(gòu)中可以調(diào)節(jié)兩個(gè)線圈中的電磁頻率，使其保持一致產(chǎn)生共振，為后續(xù)的電能傳輸做好前期準(zhǔn)備。功放中使用的電力信號(hào)也需要經(jīng)過比較器轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?。在識(shí)別待充電設(shè)備時(shí)需要利用天線對(duì)經(jīng)過磁感應(yīng)區(qū)域的金屬進(jìn)行檢測(cè)，其頻率信號(hào)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，且能夠發(fā)出對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)。RFID系統(tǒng)中能夠檢測(cè)到這種信號(hào)并利用交直流的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)為受電端提供電動(dòng)勢(shì)。

3.2 接收轉(zhuǎn)換電路

在手機(jī)上需要進(jìn)行電能的接受和轉(zhuǎn)化，保證受電線圈能夠穩(wěn)定工作。首先，該設(shè)備的工作原理主要是在電磁感應(yīng)的網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)頻率的一致，從而保證振幅的疊加，提升受電端的電能接受能力。在構(gòu)建接收電路的共振網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要使用一些電感、電容等元件將從電磁場(chǎng)中獲得的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)化為高頻交流電進(jìn)行傳輸，有利于減少在傳遞過程中的損耗。接收電路中有交直流轉(zhuǎn)換器可以對(duì)高頻交流電進(jìn)行整流和轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚬┦謾C(jī)等受電端使用和存儲(chǔ)的直流電。在工作過程中要按照一定的頻次對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，合理判斷充電過程的進(jìn)行，若充電接觸則可以向設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)結(jié)束充電工作。

3.3 匹配電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)時(shí)主要是考慮到實(shí)際電阻、電感等設(shè)備的搭配使用，使無線充電系統(tǒng)的工作更加穩(wěn)定。常見的匹配電路可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，根據(jù)負(fù)載的變化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最大輸出功率的相關(guān)參數(shù)，保證使用的便捷與安全。在對(duì)互感電路的輸出特性進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載電路中的電阻值與線路內(nèi)阻一致時(shí)的輸出功率最佳。按照這一思路對(duì)匹配電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以合理調(diào)節(jié)線圈的耦合系數(shù)、線圈位置關(guān)系和電壓、電阻數(shù)值，確保電力轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性和高效性。

3.4 充電效率分析

無線充電器擺脫了數(shù)據(jù)線的連接方式，通過電磁耦合來實(shí)現(xiàn)電能傳輸和數(shù)據(jù)交換，必須要對(duì)其充電的效率與穩(wěn)定性進(jìn)行分析，保證電能供應(yīng)服務(wù)。在該系統(tǒng)中可能會(huì)對(duì)電能傳輸造成影響的因素主要包括系統(tǒng)的信號(hào)傳輸耦合參數(shù)和電能損耗參數(shù)。首先，電磁的耦合主要是通過兩個(gè)線圈相互接觸實(shí)現(xiàn)的，其間隔距離、線圈半徑和匝數(shù)等都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的耦合程度。一般來說距離越近、半徑越大、匝數(shù)越多，耦合程度越高。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)線路的互感公式和耦合參數(shù)公式進(jìn)行合理計(jì)算，考慮充電器的尺寸限制等因素，提升其充電效率。其次，在線路中的電阻、電感會(huì)造成電流傳遞的損失，損耗參數(shù)。從公式中可以發(fā)現(xiàn)，線路的等效電阻和損耗呈現(xiàn)正相關(guān)，等效電感和損耗呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。技術(shù)人員在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和元件連接規(guī)劃時(shí)要充分考慮損耗因素，確保電能傳輸更加高效。

3.5 行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行手機(jī)無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中必須要遵從一定的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，確保能夠與市面上現(xiàn)有的手機(jī)型號(hào)和配置相互匹配，實(shí)現(xiàn)更加高效便捷的充電應(yīng)用。A4WP規(guī)范當(dāng)中對(duì)手機(jī)和充電設(shè)備使用的共振頻率做出了規(guī)范要求，其數(shù)量級(jí)能夠較好地匹配弱感應(yīng)感磁場(chǎng)中的信號(hào)檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的需求。對(duì)于一些保持稍遠(yuǎn)距離的手機(jī)充電情況下也可以實(shí)現(xiàn)連接與供電，也是目前手機(jī)無線充電設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛的一種設(shè)備頻率[2]。隨著手機(jī)的不斷深入研發(fā)和更新?lián)Q代，無線充電系統(tǒng)的研究也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，推動(dòng)行業(yè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，為消費(fèi)者提供更加便捷的充電服務(wù)，適應(yīng)更多品牌、型號(hào)的手機(jī)充電需求。

3.6 系統(tǒng)創(chuàng)新優(yōu)化

根據(jù)手機(jī)無線充電的實(shí)際應(yīng)用需求，還需要對(duì)其磁耦合傳輸?shù)膮?shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和創(chuàng)新，確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。首先，手機(jī)電池和無線充電器之間主要是通過磁耦合共振的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，在擴(kuò)大其能量的容載率的同時(shí)也可能會(huì)造成一些電磁干擾的問題，需要在系統(tǒng)中增加一些零件設(shè)備提升其靈敏度。其次，在充電系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)送端，主要是通過金屬元件進(jìn)行識(shí)別的，在充電的過程中會(huì)因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)的問題而產(chǎn)生一些熱效應(yīng)，不利于維護(hù)手機(jī)使用的安全性。在進(jìn)行信號(hào)識(shí)別時(shí)要注意提升其識(shí)別的精準(zhǔn)性，避免出現(xiàn)手機(jī)的外殼或其他芯片設(shè)備中的金屬部分造成過熱情況[3]。最后，為了實(shí)現(xiàn)無線充電設(shè)備的低功耗，可以在進(jìn)行系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)時(shí)引入睡眠模式等。在充電設(shè)備無法在30分鐘內(nèi)檢測(cè)到有效的待充電設(shè)備時(shí)，可以自動(dòng)切斷工作實(shí)現(xiàn)待機(jī)，通過手動(dòng)喚醒的方式延續(xù)工作。

4 結(jié)語

總之，應(yīng)用磁耦合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全新的手機(jī)充電模式，較好的擺脫了數(shù)據(jù)網(wǎng)和接口等問題對(duì)手機(jī)電力的影響。在磁耦合技術(shù)當(dāng)中主要是通過電磁感應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞和電力傳輸，不需要經(jīng)過明線完成，對(duì)提升手機(jī)充電效率有較大幫助。