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，用戶體驗較差。為了改善這一情況，本文設(shè)計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個發(fā)射線圈陣列來擴展位置自由，同時引入MSP430低功耗MCU來降低功耗，提高了系統(tǒng)的實用性。此外，該系統(tǒng)還具有寄生金屬檢測和外來物體檢測功能，提高了系統(tǒng)的安全性。

隨著智能手機的興起與普及，人們對于手機的依賴程度越來越強。然而，受限于電池技術(shù)的制約，手機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，同時也解決了不同手機之間的兼容性問題。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)備的線圈上就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而實現(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里，那么線圈里就會感應(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到10米。3)電磁共振方式：在兩個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)這個原理，麻省理工學(xué)院的研究小組在燈泡試驗中，用兩個銅線圈作為電磁共振器。其中一個線圈連接在電源上作為發(fā)射器，另一個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，但它并不向外發(fā)射電磁波，而是在它的周圍形成一個強大的非輻射磁場。這個非輻射磁場可以協(xié)調(diào)的與接收線圈進行能量傳輸。基于電磁共振的無線充電技術(shù)的傳輸功率能夠達到幾千瓦，傳輸距離可達數(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個發(fā)射線圈陣列來擴展位置自由，同時具有寄生金屬檢測(PMOD)和外來物體檢測(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，變化的電場會產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場也會產(chǎn)生變化的電場。如此反復(fù)，就形成了電磁場。以一個波長為界，在場源為中心的一個波長范圍內(nèi)，成為近場區(qū)，又稱感應(yīng)場;超出一個波長的范圍成為遠場區(qū)，又稱輻射場。感應(yīng)場內(nèi)電磁場強度大，但是衰減快;相反，輻射場內(nèi)電磁場強度小，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)射線圈的周圍就會產(chǎn)生交變的磁場。位于感應(yīng)場的接收線圈由于電磁感應(yīng)的作用產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，再經(jīng)過整流、整形后供負載使用。

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)類似于一個空心變壓器，能量傳輸通過線圈耦合的方式來實現(xiàn)。通常發(fā)射線圈及其驅(qū)動電路被安裝在一個充電板內(nèi)，接收線圈及其驅(qū)動電路則被嵌入到需充電的設(shè)備中，如智能手機等。能量傳輸?shù)男逝c線圈之間的距離、線圈對齊的程度、線圈方向、線圈材質(zhì)、磁場屏蔽、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齊程度對傳輸效率有極大的影響。

本文采用3個發(fā)射線圈陣列來擴展充電區(qū)域，以便獲得更好的充電效率及體驗。B0500410A以400 ms的時間間隔依次使能3個發(fā)射線圈，同時使能相應(yīng)的COMM反饋信號通路的模擬開關(guān)。BQ500410A會尋找最強的COMM反饋信號，然后驅(qū)動相應(yīng)的發(fā)射線圈工作，以獲得最好的線圈匹配。因此，在同一時刻只有一個發(fā)射線圈是工作的，其他兩個發(fā)射線圈則處于待機狀態(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)工作時產(chǎn)生的輻射對智能手機或其它設(shè)備帶來干擾。

1.3 FOD和PMOD

外部物體檢測(FOD)和寄生金屬檢測(PMOD)是本文設(shè)計方案的另一大特點。金屬物體處在交流磁場中會產(chǎn)生渦流，因此處于安全考慮，需實時檢測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，BQ500410A實時監(jiān)測輸入電壓及輸入電流并計算輸入功率。同時，BQ51013B也會實時監(jiān)測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會報警并中止能量傳輸。

1.4 低功耗

本文通過增加TI的MSP430低功耗MCU配合BQ500410A來實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。為了實現(xiàn)低功耗，一種最直接的方法是無負載時直接關(guān)斷電源使BQ50041A完全關(guān)機。但是這樣做的話，包括充電狀態(tài)、錯誤狀態(tài)、操作模式及驅(qū)動引腳狀態(tài)信息等將會完全丟失。增加MSP430后，BQ50041 0A可以周期性的關(guān)機來節(jié)節(jié)省功耗，其喚醒信號由MSP430來提供。同時，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)動變?yōu)橛蒑SP430來驅(qū)動。如此一來，雖然系統(tǒng)的復(fù)雜度及成本提高了，但是待機功耗由原先的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。因此，本文的方案具有更高的市場價值。此外，本文增加的低功耗電路能夠?qū)⒋龣C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。