一種位置自由的低功耗無線充電系統(tǒng)

摘要：目前比較流行的無線充電系統(tǒng)采用單個(gè)發(fā)射線圈采發(fā)射能量，因此有效充電區(qū)域較小，用戶體驗(yàn)較差。為了改善這一情況，本文設(shè)計(jì)了一種位置自由的低功耗無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用3個(gè)發(fā)射線圈陣列來擴(kuò)展位置自由，同時(shí)引入MSP430低功耗MCU來降低功耗，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。此外，該系統(tǒng)還具有寄生金屬檢測(cè)和外來物體檢測(cè)功能，提高了系統(tǒng)的安全性。

隨著智能手機(jī)的興起與普及，人們對(duì)于手機(jī)的依賴程度越來越強(qiáng)。然而，受限于電池技術(shù)的制約，手機(jī)的充電頻率隨著功能的拓展也急劇減少，由原來的兩三天一充下降到現(xiàn)在的一天一充甚至更少。無線充電技術(shù)的出現(xiàn)使得充電的過程更加方便，同時(shí)也解決了不同手機(jī)之間的兼容性問題。目前，主流的無線充電技術(shù)主要包括以下3類：1)電磁感應(yīng)：在兩個(gè)設(shè)備中分別使用一只具有振蕩電路特性的線圈組成一組收發(fā)線圈，在發(fā)送設(shè)備的線圈加上幾兆赫茲的交變電流，那么接收設(shè)備的線圈上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。目前，基于電磁感應(yīng)的無線充電技術(shù)的傳輸功率為幾瓦到幾百瓦，傳輸距離小于1 cm。2)無線電波：根據(jù)電磁學(xué)原理可知，豎直導(dǎo)體棒內(nèi)通過超高頻的交流電，其周圍就會(huì)形成電磁波，在特定的頻率內(nèi)，我們叫這本導(dǎo)體棒發(fā)射出了無線電波。如果把一個(gè)圓環(huán)形的線圈作為天線，放在無線電波的周期變化的磁場(chǎng)里，那么線圈里就會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)的電流。基于無線電波的無線充電技術(shù)利用了電波能量可以通過天線發(fā)送和接收的原理，直接在整流電路中將電波的交流波形變換成直流后加以利用?；跓o線電波的無線充電技術(shù)的傳輸功率小于100毫瓦，傳輸距離最高可以達(dá)到10米。3)電磁共振方式：在兩個(gè)共振頻率相同的物體之間能有效的傳輸能量，而不同頻率物體之間的相互作用較弱。根據(jù)這個(gè)原理，麻省理工學(xué)院的研究小組在燈泡試驗(yàn)中，用兩個(gè)銅線圈作為電磁共振器。其中一個(gè)線圈連接在電源上作為發(fā)射器，另一個(gè)線圈連在燈泡上作為接收器。通電后，發(fā)射器能夠以10 MHz的頻率振動(dòng)，但它并不向外發(fā)射電磁波，而是在它的周圍形成一個(gè)強(qiáng)大的非輻射磁場(chǎng)。這個(gè)非輻射磁場(chǎng)可以協(xié)調(diào)的與接收線圈進(jìn)行能量傳輸?；陔姶殴舱竦臒o線充電技術(shù)的傳輸功率能夠達(dá)到幾千瓦，傳輸距離可達(dá)數(shù)米。

本文采用TI的BQ500410A芯片來構(gòu)成無線充電系統(tǒng)的TX端，RX端采用TI的BQ51013B。該方案使用3個(gè)發(fā)射線圈陣列來擴(kuò)展位置自由，同時(shí)具有寄生金屬檢測(cè)(PMOD)和外來物體檢測(cè)(FOD)的功能，確保了充電過程的安全性。

1 原理介紹

1.1 傳輸原理

基于電磁感應(yīng)的無線充電技術(shù)與變壓器相似，都是基于電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)典的電磁學(xué)可以總結(jié)為一組著名的麥克斯韋方程組，即：

由上述麥克斯韋方程組可以看出，變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。如此反復(fù)，就形成了電磁場(chǎng)。以一個(gè)波長為界，在場(chǎng)源為中心的一個(gè)波長范圍內(nèi)，成為近場(chǎng)區(qū)，又稱感應(yīng)場(chǎng);超出一個(gè)波長的范圍成為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，又稱輻射場(chǎng)。感應(yīng)場(chǎng)內(nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)度大，但是衰減快;相反，輻射場(chǎng)內(nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)度小，但是衰減緩慢。

基于電磁感應(yīng)的無線充電技術(shù)就是應(yīng)用了這一原理。發(fā)射端利用逆變技術(shù)將電網(wǎng)整流過的直流電逆變成高頻的交流電，因此發(fā)射線圈的周圍就會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。位于感應(yīng)場(chǎng)的接收線圈由于電磁感應(yīng)的作用產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再經(jīng)過整流、整形后供負(fù)載使用。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一套完整的無線充電系統(tǒng)包括TX端和RX端兩部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

無線充電的結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)空心變壓器，能量傳輸通過線圈耦合的方式來實(shí)現(xiàn)。通常發(fā)射線圈及其驅(qū)動(dòng)電路被安裝在一個(gè)充電板內(nèi)，接收線圈及其驅(qū)動(dòng)電路則被嵌入到需充電的設(shè)備中，如智能手機(jī)等。能量傳輸?shù)男逝c線圈之間的距離、線圈對(duì)齊的程度、線圈方向、線圈材質(zhì)、磁場(chǎng)屏蔽、阻抗匹配、發(fā)射頻率及占空比等因素有關(guān)。其中，線圈之間的距離及對(duì)齊程度對(duì)傳輸效率有極大的影響。

本文采用3個(gè)發(fā)射線圈陣列來擴(kuò)展充電區(qū)域，以便獲得更好的充電效率及體驗(yàn)。B0500410A以400 ms的時(shí)間間隔依次使能3個(gè)發(fā)射線圈，同時(shí)使能相應(yīng)的COMM反饋信號(hào)通路的模擬開關(guān)。BQ500410A會(huì)尋找最強(qiáng)的COMM反饋信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的發(fā)射線圈工作，以獲得最好的線圈匹配。因此，在同一時(shí)刻只有一個(gè)發(fā)射線圈是工作的，其他兩個(gè)發(fā)射線圈則處于待機(jī)狀態(tài)。

為了減少電磁輻射，該無線充電系統(tǒng)還在收發(fā)兩端線圈的背部各增加了一塊鐵氧體隔磁片，使得能量傳輸?shù)膮^(qū)域被限制在了兩塊隔磁片之間，避免了無線充電系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的輻射對(duì)智能手機(jī)或其它設(shè)備帶來干擾。

1.3 FOD和PMOD

外部物體檢測(cè)(FOD)和寄生金屬檢測(cè)(PMOD)是本文設(shè)計(jì)方案的另一大特點(diǎn)。金屬物體處在交流磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生渦流，因此處于安全考慮，需實(shí)時(shí)檢測(cè)TX端和RX端之間是否存在外部物體及寄生金屬。系統(tǒng)工作時(shí)，BQ500410A實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電壓及輸入電流并計(jì)算輸入功率。同時(shí)，BQ51013B也會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電電壓及充電電流，并將輸出功率通過通信協(xié)議反饋給BQ50041A。BQ50041A可以通過電阻配置損耗閾值，如果輸入功率與輸出功率之間的差值大于此損耗閾值，則BQ50041A會(huì)報(bào)警并中止能量傳輸。

1.4 低功耗

本文通過增加TI的MSP430低功耗MCU配合BQ500410A來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。為了實(shí)現(xiàn)低功耗，一種最直接的方法是無負(fù)載時(shí)直接關(guān)斷電源使BQ50041A完全關(guān)機(jī)。但是這樣做的話，包括充電狀態(tài)、錯(cuò)誤狀態(tài)、操作模式及驅(qū)動(dòng)引腳狀態(tài)信息等將會(huì)完全丟失。增加MSP430后，BQ50041 0A可以周期性的關(guān)機(jī)來節(jié)節(jié)省功耗，其喚醒信號(hào)由MSP430來提供。同時(shí)，各種狀態(tài)信息也由MSP430來保存，LED狀態(tài)指示燈也由原先的BQ5004 10A驅(qū)動(dòng)變?yōu)橛蒑SP430來驅(qū)動(dòng)。如此一來，雖然系統(tǒng)的復(fù)雜度及成本提高了，但是待機(jī)功耗由原先的300 mW降低到90 mW左右。

2 結(jié)束語

本文提出的無線充電系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)的單線圈方案充電區(qū)域小的問題，極大的提升了用戶體驗(yàn)。因此，本文的方案具有更高的市場(chǎng)價(jià)值。此外，本文增加的低功耗電路能夠?qū)⒋龣C(jī)功耗從300 mW降到90 mW，能夠更好的滿足一些低功耗設(shè)備的需求。