一種具有無(wú)線充電的多口數(shù)據(jù)線

姚國(guó)平

（深圳市瑞祥達(dá)電子有限公司，廣東深圳 518000）

1 緒論

1.1 研究背景

電子設(shè)備傳統(tǒng)的有線充電方法是一臺(tái)電子設(shè)備配上一臺(tái)充電器，導(dǎo)致了充電器和數(shù)據(jù)線數(shù)量過(guò)多，造成了資源耗費(fèi)。若選擇無(wú)線充電，就能減少一部分耗費(fèi)。另外，有線充電本身需要預(yù)留專門的充電接頭，在進(jìn)行多次插拔磨損后，這種連接方式很容易破損。而選擇無(wú)線充電方案，就不存在充電接口安全問(wèn)題，生廠商就能直接把接收端封裝到電子產(chǎn)品內(nèi)部，進(jìn)行安全可靠的充電。使用無(wú)線充電可以進(jìn)一步改善人類的日常生活，為消費(fèi)者提供更為前衛(wèi)和現(xiàn)代化的使用感受。

1.2 無(wú)線設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)線充電技術(shù)來(lái)源于電感耦合非接觸式電能傳輸技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)研發(fā)該工藝技術(shù)的主要有重慶大學(xué)、北京郵電大學(xué)等。

梁美富[1]對(duì)無(wú)線充電器的電路構(gòu)成和補(bǔ)償電路做了比較細(xì)致的分析，并確立了發(fā)射端電路的閉環(huán)控制方式，使電路始終能工作于諧振點(diǎn)周圍，以便改善整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效能。

孫軒[2]在對(duì)無(wú)線充電設(shè)備中的高頻逆變控制系統(tǒng)和諧振轉(zhuǎn)換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)展系統(tǒng)分析研究的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)中在單負(fù)荷和多負(fù)荷的情形下開(kāi)展了模型解析，并以設(shè)備線性負(fù)荷的情形為例，對(duì)系統(tǒng)中電路參數(shù)改變與設(shè)備電壓增益改變之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系展開(kāi)深入研究，從而提出了一個(gè)基于設(shè)備電流增益變化的系統(tǒng)參數(shù)分析模型。

王歡[3]對(duì)應(yīng)用無(wú)線充電控制系統(tǒng)中的電能發(fā)送線圈展開(kāi)深入研究，系統(tǒng)分析了線圈的尺寸、匝數(shù)、路徑長(zhǎng)度、線圈距離等因素對(duì)線圈自感與互感的影響，并對(duì)線圈的電磁場(chǎng)進(jìn)行了模擬與分析。

楊唐純[4]對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)電路等效模式在進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了鎖相變頻環(huán)節(jié)跟隨電池負(fù)荷發(fā)生變化，使發(fā)送終端能夠按照電池負(fù)荷的變化大小調(diào)整傳送功率的高低，進(jìn)而改善了系統(tǒng)的傳送效果。

朱美杰[5]對(duì)無(wú)線充電控制系統(tǒng)的能量發(fā)射機(jī)構(gòu)與屏蔽方式，開(kāi)展了深入研究。文章首先對(duì)線圈自感與互感關(guān)系的計(jì)算做出了理論解析，并在此基礎(chǔ)上利用模擬分析，研究了線圈外形、與接收線圈之間的垂直距離、與中心點(diǎn)水平距離和偏角等對(duì)互感關(guān)系的影響，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的電磁屏蔽原理做了比較細(xì)致的理論解析，并提供了模擬結(jié)果加以證明。

1.3 需求分析及設(shè)計(jì)要求

1.3.1 需求分析

隨著智能手機(jī)的流行，由于電量耗費(fèi)較快，充電時(shí)間較長(zhǎng)，每天都要通過(guò)數(shù)據(jù)接口完成充電，因此設(shè)計(jì)了無(wú)線充電設(shè)備。其能夠隨放隨充，隨取隨停，極大地方便了整個(gè)充電流程。即，設(shè)計(jì)的無(wú)線充電系統(tǒng)通常電量收發(fā)終端小型、輕薄，安放在桌面上而不占用空間，甚至還能夠簡(jiǎn)單地嵌入或擺放在公眾場(chǎng)所的桌面上；能量接收端內(nèi)嵌在手機(jī)里，而不會(huì)明顯地增加手機(jī)的尺寸與容積；無(wú)線充電器發(fā)送端能自行識(shí)別手機(jī)并補(bǔ)充電量，在手機(jī)充滿電量后有相應(yīng)的提醒；在充電過(guò)程中的電流平穩(wěn)，不對(duì)手機(jī)電池產(chǎn)生傷害。

1.3.2 主要設(shè)計(jì)要求

無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：①系統(tǒng)輕薄小巧，不占空間；②發(fā)射端的輸入為220 V 工頻交流電；③接收端輸出電壓為固定的5 V 直流電，而額定最大輸出電流為0.5 A；④工作在額定狀態(tài)時(shí)，有較高的傳輸效率；⑤當(dāng)發(fā)送端表面上沒(méi)有接收端或發(fā)送端不需要充電時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；⑥待機(jī)功耗較低；⑦根據(jù)不同的工作狀況有不同的指示燈提醒，在充電不順利時(shí)也會(huì)有報(bào)警聲。

1.4 智能無(wú)線充電（NFC）的特性

智能無(wú)線充電數(shù)據(jù)中心技術(shù)可以滿足人們對(duì)無(wú)線充電器在安全性、便利性、擴(kuò)展性、通用性的需求。

1.4.1 安全性

NFC 技術(shù)非常成熟，具有非接觸式、通信距離l0 cm，數(shù)據(jù)帶寬多樣化，建立時(shí)間等特點(diǎn)，可以存儲(chǔ)被充電終端的充電參數(shù)，設(shè)備認(rèn)證消息等特點(diǎn)。

1.4.2 便利性

將無(wú)線充電終端連接到數(shù)據(jù)中心，連接方式可以采用USB、WIFI、IPv4、內(nèi)部總線等方式，數(shù)據(jù)中心可以是PC 端、WIFI 路由器、Internet 服務(wù)器等數(shù)據(jù)中心，在無(wú)線充電的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互傳輸。而在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中NFC 認(rèn)證至關(guān)重要，從而保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊?/p>

1.4.3 擴(kuò)展性

將無(wú)線充電模塊可以嵌入筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)面板中，通過(guò)內(nèi)部總線與PC 通訊，充電設(shè)備可以隨時(shí)進(jìn)行充電的同時(shí)與PC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)無(wú)線充電模塊亦可以嵌入各類電器中、辦公器材中，方便快捷、隨時(shí)隨地充電及數(shù)據(jù)交互、無(wú)線充電模塊，也可以單獨(dú)存在。作為數(shù)據(jù)中心的NFC 延伸，其既可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1.4.4 通用性

NFC 模塊和無(wú)線充電模塊價(jià)格低廉，普及性強(qiáng)。

2 無(wú)線充電原理

2.1 電磁感應(yīng)無(wú)線充電

通過(guò)法拉第電磁感應(yīng)理論可以得出，電線在磁通量發(fā)生變化的電磁中也會(huì)形成感知電動(dòng)勢(shì)。若該電線為完全封閉的電路中的一部分時(shí)，也會(huì)形成感應(yīng)電流。而電磁耦合式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)充電設(shè)備也正是按照這種理論設(shè)計(jì)的，與傳統(tǒng)交流變壓器原理很相似。其不同點(diǎn)就是交流變壓器的原副邊線圈內(nèi)部的耦合也是緊耦合，即原副邊內(nèi)部的耦合十分牢固，因此經(jīng)常把原副邊線圈環(huán)繞在同一個(gè)磁殼上，磁芯也可以提高磁導(dǎo)通率減少電流損耗，所以交流變壓器的輸出效率更高輸出功率也可以做得較大。也正是因?yàn)榘言边叚h(huán)繞在同一個(gè)磁殼上，才導(dǎo)致了交流變壓器的原副邊相位改變比較穩(wěn)定，但可靠性較差；而由于無(wú)線電容控制系統(tǒng)的原副邊內(nèi)部都是松耦合，原副邊線圈內(nèi)部的耦合相對(duì)較微弱。為減輕整個(gè)控制系統(tǒng)的容積和重力，所以一般都不使用磁殼。同時(shí)，由于原副邊線圈內(nèi)部位置的不穩(wěn)定，副邊可以在規(guī)定區(qū)域內(nèi)隨意移動(dòng)，不過(guò)因?yàn)榭諝獯抛柽h(yuǎn)超過(guò)磁殼，很大部分電動(dòng)勢(shì)降都分布在空磁路上，易造成傳輸效果較差。因?yàn)樗神詈辖Y(jié)構(gòu)漏磁大、原邊電流線圈與副邊電流線圈相互之間的耦合關(guān)系較小，從而不符合交流變壓器中原副邊電流線圈壓力與電流相互的匝比關(guān)聯(lián)。

通過(guò)楞次定律和電磁傳感器的理論研究可知，應(yīng)該利用增加原邊線圈電壓變化率，或增加原邊線圈電流密度頻率，從而提高與原副邊輸入導(dǎo)線連接的電磁傳感器強(qiáng)度，以增加傳輸功率密度，從而減少能量損失，增加系統(tǒng)效能。但由于頻率過(guò)高也會(huì)增加電磁輻射，為電磁屏蔽的設(shè)計(jì)帶來(lái)了麻煩，所以一般還需要對(duì)原邊的能量發(fā)射機(jī)構(gòu)與副邊能量接收機(jī)構(gòu)之間的耦合接收線圈進(jìn)行補(bǔ)償。

能量發(fā)送部分包含了整流濾波處理環(huán)、DC-DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)高頻逆變環(huán)，以及能量發(fā)送機(jī)構(gòu)。能量接收機(jī)構(gòu)通常由一諧振網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成，該諧振網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的諧振電感能夠從發(fā)送端所形成的交變電磁中拾取能量，并轉(zhuǎn)換為高頻的交換電，該能量在通過(guò)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)（如整流、濾波等）后，再供應(yīng)給用電裝置。電磁感應(yīng)無(wú)線充電如圖1所示。

圖1 電磁感應(yīng)無(wú)線充電

2.2 磁場(chǎng)共振式無(wú)線充電

電磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)利用的原理是，用電方與受電方通過(guò)二端的共振器形成電磁共振，同樣是把電磁能量轉(zhuǎn)化為電子能量，并以此實(shí)現(xiàn)能量傳遞。只要這兩臺(tái)設(shè)備都是在一個(gè)相同的頻段上同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，雙方就可實(shí)現(xiàn)能量交變。其好處是傳播距離較遠(yuǎn)，但缺點(diǎn)是效能低下，而且目前還在研發(fā)中，尚未投放國(guó)際市場(chǎng)。磁場(chǎng)共振式無(wú)線充電如圖2所示。

圖2 磁場(chǎng)共振式無(wú)線充電

2.3 無(wú)線電波式無(wú)線充電

無(wú)線電波方式無(wú)線充電設(shè)備類似于早期應(yīng)用的礦石收音機(jī)，主要是由微波發(fā)送設(shè)備以及微波模式的設(shè)備所構(gòu)成。它能夠捕捉到從墻上彈回的無(wú)線電波傳播能力，并隨負(fù)荷而進(jìn)行調(diào)節(jié)的并且保持穩(wěn)定的工作直流壓力。此種方法僅需要一臺(tái)裝在插頭上的發(fā)送機(jī)，或者可以放置在其他較低工作電壓產(chǎn)品上的“蚊型”接收機(jī)即可。其好處是能夠進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)傳輸，而且效率也比較高；缺點(diǎn)則是穩(wěn)定性、安全性都較低，并且需要相當(dāng)?shù)某杀局С帧?/p>

3 結(jié)論

隨著無(wú)線電能傳輸技術(shù)的進(jìn)展，無(wú)線充電技術(shù)也引起了研發(fā)機(jī)構(gòu)和公司的普遍重視。由于無(wú)線充電技術(shù)利用電磁耦合使能量直接由用電終端傳遞到供電裝置上來(lái)給其電池充電，因此具備了充電方式靈活、簡(jiǎn)單、通用性較好等優(yōu)點(diǎn)，并具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。筆者利用對(duì)無(wú)線充電技術(shù)的深入研究，設(shè)想了一個(gè)適用于手機(jī)的無(wú)線充電系統(tǒng)，其研發(fā)工作可以進(jìn)一步帶動(dòng)無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為今后無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作提供了參照與借鑒，具有相當(dāng)?shù)睦碚撘饬x與實(shí)用性。

（1）利用的高頻逆變電路和諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，系統(tǒng)分析了各類拓?fù)涞奶匦?，并針?duì)無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要制定了合理的集成電路拓?fù)?，完成了發(fā)送端與接收端之間的主控芯片選型。首先闡述了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)充電系統(tǒng)的基本控制方式和在電力傳輸不同階段的控制目標(biāo)，然后又詳盡地剖析了發(fā)送端的控制過(guò)程，重新設(shè)計(jì)了發(fā)送端的電源控制電路、收發(fā)線圈電流測(cè)量電路和逆變器輸入電壓測(cè)量電路，并詳盡地剖析了發(fā)送端的監(jiān)控過(guò)程。

（2）為使無(wú)線充電控制系統(tǒng)的接收端將其電量需求信息，以及有關(guān)電池充電狀況等的信息及時(shí)反饋回發(fā)送端，以便于對(duì)發(fā)送終端實(shí)現(xiàn)更加精確的管理，從而達(dá)到電能與信息的同時(shí)傳送，文章在對(duì)常見(jiàn)的通訊信號(hào)調(diào)節(jié)集成電路開(kāi)展了系統(tǒng)分析的基本上，選擇了適合于無(wú)線充電控制系統(tǒng)的通訊信號(hào)調(diào)節(jié)集成電路。

（3）為解決傳統(tǒng)的繞線型耦合機(jī)構(gòu)生產(chǎn)成本高昂，制造與安裝工序繁瑣，質(zhì)量一致性較差等弊端，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于無(wú)線充電系統(tǒng)中的PCB 耦合機(jī)構(gòu)。

（4）提供了具體的試驗(yàn)裝置，對(duì)在各種負(fù)荷時(shí)無(wú)線充電系統(tǒng)的最大輸出電流和傳輸效率、發(fā)射端的待機(jī)模式功率、額定工作時(shí)間藕和機(jī)構(gòu)的溫升等參數(shù)都進(jìn)行了試驗(yàn)，而測(cè)試結(jié)果所設(shè)定的無(wú)線充電系統(tǒng)也可以達(dá)到一般的工作過(guò)程需要。