解析：一種無線充電識別電路的設(shè)計

　　隨著用電設(shè)備對供電品質(zhì)的不斷提高，以及對特殊場合、特殊地理環(huán)境的供電，使得接觸式電能傳輸方式不能滿足實際需要。近年來，有關(guān)無線充電技術(shù)的研究不斷增多。

　　無線充電系統(tǒng)會發(fā)射電磁波能量，當發(fā)射器上沒有放充電裝置時也會發(fā)射能量，造成能源浪費和輻射污染。當發(fā)射器上放金屬異物，電磁波對其加熱，輕則燒毀裝置，重則發(fā)生火災(zāi)。因此，無線充電系統(tǒng)需要具備對受電端目標物的辨識功能，當正確的目標物放置在發(fā)射器上才進行充電。

　　常用的身份識別方法有：1）磁力激活，在受電端上裝一個磁鐵，當發(fā)射端感應(yīng)到磁力后發(fā)送能量；2）通過射頻識別（RFID）加強電路安全；3）感應(yīng)線圈上的資料傳送，利用原副線圈內(nèi)的電力傳送，包含資料碼一起傳送，這種方法最安全也最難完成，因為感應(yīng)線圈上有高能量的電力傳輸，另外還包含了系統(tǒng)的噪聲與負載電流變化的干擾，如何有效地傳送資料碼是一大難題。為此，在原邊電壓采樣電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種低頻的身份識別電路。

　　1　QI的無線充電通信標準

　　無線充電聯(lián)盟（WPC）標準下，無線傳輸?shù)墓膬H為0～5W。達到這一標準范圍的系統(tǒng)在2個平面線圈之間使用電感耦合將電力從電力發(fā)送器傳輸給電力接收器。原副線圈之間的距離一般為5mm，輸出電壓調(diào)節(jié)由一個全局數(shù)字控制環(huán)路負責，這時電力接收器會與電力發(fā)送器通信，并產(chǎn)生功耗。該通信是一種通過反向散射調(diào)制從電力接收器到電力發(fā)送器的單向通信。在反向散射調(diào)制中，電力接收器調(diào)整負載，從而改變電力發(fā)送器的電流消耗。對這些電流變化進行監(jiān)控，并解調(diào)成2個設(shè)備協(xié)同工作所需的信息。

　　通信協(xié)議包括模擬、數(shù)字聲脈沖（ping）、身份識別、配置和電力傳輸。電力接收器放置在電力發(fā)送器上時出現(xiàn)的典型啟動順序如下：

　　1）來自電力發(fā)送器的模擬ping檢測到對象的存在。

　　2）來自電力發(fā)送器的數(shù)字ping為模擬ping的加長版，并讓電力接收器有時間回復(fù)一個信號強度包。若該信息強度包有效，則電力發(fā)送器會讓線圈保持通電并進行下一步驟。

　　3）身份識別和配置階段，電力接收器會發(fā)送一些數(shù)據(jù)包，對其進行身份識別，并向電力發(fā)送器提供配置和設(shè)置信息。

　　4）在電力傳輸階段，電力接收器向電力發(fā)送器發(fā)送控制誤差包，以增加或減少電力。正常運行期間，每隔約250ms發(fā)送控制誤差包，而在大信號變化期間每隔32ms發(fā)送一次。另外，在正常運行期間，電力發(fā)送器每隔5s發(fā)送一次電力包。

　　5）為了終止電力傳輸，電力接收器發(fā)送一條“終止充電”消息或者1.25s內(nèi)不進行通信，使電力發(fā)送器進入低功耗狀態(tài)。

　　2　原副線圈耦合系數(shù)對原邊LC電壓的影響

　　由RLC串聯(lián)諧振電路得

　　當原邊感應(yīng)電路與副邊感應(yīng)電路結(jié)構(gòu)存在過大的氣隙時，不僅副邊線圈的能量接收率變差，且副邊電路和原邊電路距離較遠時，副邊電路反射電阻變小，Q值增大。由RLC串聯(lián)諧振電路可知，發(fā)生諧振時電感電壓是輸入電壓的Q倍，當副邊感應(yīng)電路結(jié)構(gòu)遠離原邊電路時，Q值增加，電感電壓隨之增大，所以可以通過檢測電感電壓值來判斷副邊感應(yīng)結(jié)構(gòu)是否遠離原邊感應(yīng)電路。

　　除了氣隙會影響原副線圈的耦合系數(shù)外，補償電容的大小也會影響耦合系數(shù)。補償電容與電路耦合系數(shù)的關(guān)系如表1所示。當改變副邊電路的補償電容時，諧振頻率也會改變，導(dǎo)致電路的原副線圈的耦合系數(shù)也跟著改變，電路的效率也作相應(yīng)的改變。當諧振頻率接近開關(guān)頻率時，原副線圈的耦合系數(shù)大，電路效率高，電感峰值電壓小。當電路只有副邊補償電容改變時，電感的峰值電壓的大小反應(yīng)了副邊電路補償電容的改變情況。

　　表1　補償電容與電路耦合系數(shù)的關(guān)系

　　放在電力發(fā)送器上的物體有可能是耦合系數(shù)較高的物體，如金屬線圈、無線充電接收模塊等，也有可能是耦合系數(shù)較低的物體。對于耦合系數(shù)低的物體，不需要對其進行身份識別，因為此時無線充電器充電效率低，原邊電流大，LC電路電壓高，電路在檢測到一定時間的連續(xù)高電壓狀態(tài)后，將開關(guān)管關(guān)斷，進入待機狀態(tài)。對于耦合系數(shù)較高的物體，必須對其身份識別，防止誤充電。

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　　在充電過程中，一般物體的耦合系數(shù)不會隨時間變化，原邊LC電路電壓不會有太大的變化。利用這一特性，在識別階段設(shè)法讓無線充電模塊的耦合狀態(tài)按某個頻率不斷地變化，將無線充電模塊從其他物體中區(qū)別出來。不斷變化的耦合狀態(tài)，可以通過按一定的頻率有節(jié)奏地改變副邊電路的補償電容值獲得。當副邊電路補償電容值變大1倍后，原邊的電感電壓會有明顯的改變。

　　3　識別電路的設(shè)計

　　原邊電路如圖1所示，其中，控制、驅(qū)動電路用U1代替；副邊電路如圖2所示，其中，降壓、穩(wěn)壓電路用U2代替。副邊電路采用并聯(lián)補償方式，感應(yīng)電壓經(jīng)副邊電路的整流濾波、穩(wěn)壓降壓后輸出。在副邊LC并聯(lián)諧振電路中，增加一個由電容和2個開關(guān)管組成的電路，單片機通過控制開關(guān)管達到改變原副線圈耦合程度的目的。原邊電路采用半橋諧振電路和串聯(lián)補償方式。電壓采樣電路如圖3所示。通過并聯(lián)感應(yīng)線圈的電阻，取其分量經(jīng)過半波整流濾波后，輸出直流回饋電壓VC。取樣初級側(cè)感應(yīng)線圈的電壓大小變化作為保護控制電路的回饋信號，其中，

　　圖1　原邊電路

　　圖2　副邊電路

　　圖3　電壓采樣電路

　　用LM319判定原邊LC諧振電路電壓是否為高電壓。原邊LC諧振電路電壓經(jīng)過電壓采樣電路的采樣后，再經(jīng)過半波整流濾波，得到一個較為平穩(wěn)的采樣電壓。采樣電壓送入LM319的同相端，基準電壓輸入到LM319的反相端。若原邊LC串聯(lián)諧振電路的電壓較低，則采樣電壓也較低，LM319輸出一個低電平電壓；反之，LM319輸出一個高電平電壓。

　　原邊單片機接收來自LM319的電壓判別信號。原邊單片機的工作時間分為識別階段和充電階段。在識別階段，若單片機收到預(yù)設(shè)信號，則發(fā)出使能信號，原邊電路進入充電階段；反之，單片機關(guān)斷使能信號，原邊電路進入低功耗的待機狀態(tài)。

　　3.1　副邊單片機設(shè)計

　　副邊單片機的程序流程如圖4所示。為了與原邊同步，副邊單片機并非一啟動就輸出8個高低電平，而是在原邊電路向副邊電路發(fā)送能量之后才發(fā)送。原邊電路向副邊電路發(fā)射能量，電容C6會積累電荷，電壓升高并維持一定的時間。單片機就可以通過檢測第6引腳的電壓是否為高電平來確定原邊電路是否向副邊電路發(fā)送能量。開始后，單片機不斷地檢測第6引腳電壓是否為高電平，若是高電平，則單片機執(zhí)行下一步動作；若不是高電平，則單片機繼續(xù)檢測第6引腳的電壓是否為高電平。

　　圖4　副邊單片機程序流程

　　在檢測到第6引腳的高電平后，單片機向開關(guān)管發(fā)送8個高低電平的驅(qū)動電壓，以使副邊感應(yīng)電路有節(jié)奏地改變耦合系數(shù)。

　　在發(fā)送完8個高低驅(qū)動電平后，單片機就一直檢測第6引腳是否為低電平。若是高電平，則說明原邊一直都在向副邊發(fā)送能量，此時原副邊線圈處于較大的耦合系數(shù)狀態(tài)下，副邊電路可以高效地接收原邊電路向副邊電路發(fā)送的能量；若是低電平，則說明本次循環(huán)結(jié)束，或者受到某種影響而中斷了原邊能量的發(fā)送，單片機進入下一個循環(huán)。

　　3.2　原邊單片機設(shè)計

　　原邊單片機的工作時間分為2個階段：識別階段和充電階段。在識別階段，若單片機收到預(yù)設(shè)的信號，則單片機發(fā)出使能信號，電路進入充電階段；若在規(guī)定的周期內(nèi)，單片機沒有收到預(yù)設(shè)的信號，則單片機關(guān)斷使能信號，電路進入低功耗的待機狀態(tài)，直到下一個循環(huán)。

　　假設(shè)副邊電路發(fā)送的是10101010八位高低驅(qū)動電平，則其反射到原邊電路，經(jīng)過電壓采樣電路的采樣，原邊單片機最終檢測到的電壓應(yīng)該是10101010八位高低判別電平。在原邊單片機啟動后，原邊單片機進入識別階段，原邊單片機先發(fā)出16個周期的使能信號，讓控制電路能正常工作；單片機不停地檢測電壓采樣電路的電壓，只要檢測到的采樣電壓與預(yù)設(shè)值相符，單片機立即進入充電階段；若單片機檢測到的電壓與預(yù)設(shè)值不相符，并且達到了16個檢測周期，則判定原邊電路沒有檢測到相符的接收模塊，單片機關(guān)斷使能信號，無線充電器進入低功耗待機階段；待機結(jié)束后，單片機進入下一個循環(huán)。在充電階段，若電壓采樣電路出現(xiàn)連續(xù)的8個高電平，則認為副邊電路已遠離原邊電路，或是副邊電路出現(xiàn)了開路、短路的現(xiàn)象，應(yīng)該關(guān)斷使能信號，讓原邊電路進入低功耗的待機階段。

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　　圖5　原邊單片機程序流程

　　4　結(jié)束語

　　介紹了無線充電技術(shù)QI標準中的通信協(xié)議，分析了原副線圈耦合程度對原邊電感電壓的影響。在此基礎(chǔ)上提出了一種身份識別電路。通過對副邊電路補償電容容量的控制，有節(jié)奏地改變原副線圈之間的耦合系數(shù)，原邊單片機采樣原邊電感的電壓，把采樣電壓與預(yù)設(shè)電壓比較，最終達到識別副邊電路的目的。通過適當設(shè)計待機時間的長短，達到降低待機功耗的目的。

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