無線充電器技術及低成本設計方案

　　從該圖可以看出，當Q值變小時，在諧振頻率點的電壓傳輸函數(shù)曲線變得更明顯。在這種情況下，電壓傳輸函數(shù)對頻率非常敏感，且輸出不易于保持穩(wěn)定。另一方面，當Q值變大時，諧振頻率處的曲線變化變慢，但電壓傳輸函數(shù)變得非常低。為了得到相同的輸出電壓，必須在導致極低效率的發(fā)射機處施加更大的輸入電壓和電流。因此，需要慎重選擇合適的Q值。通常，Q值范圍從4到6.

　　(2)耦合系數(shù)

　　在方程式7中，K被稱為耦合系數(shù)。眾所周知，發(fā)射機產(chǎn)生磁通。到達接收機的磁通越多，說明線圈耦合得越好。耦合系數(shù)用來測量該耦合級別。耦合系數(shù)取值在0和1之間，其中0表示發(fā)射線圈和接收線圈獨立，1表示發(fā)射線圈和接收線圈完全耦合。當線圈完全耦合時，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁通完全被接收線圈搜集。

　　圖4具有不同耦合系數(shù)的電壓傳輸函數(shù)。

　　圖4顯示了耦合系數(shù)如何影響電壓傳輸函數(shù)曲線。從該圖中可以發(fā)現(xiàn)，有一個k值，在此處電壓傳輸函數(shù)達到峰值，這表示已實現(xiàn)最佳性能。因此，良好的線圈耦合對獲得更好的系統(tǒng)性能非常重要。

　　WPC無線充電器標準

　　無線充電聯(lián)盟成立的宗旨是建立一個關于短距離移動裝置無線電力傳輸?shù)臉藴?，該標準被稱為「Qi」標準。WPC標準定義了低功率無線裝置中的感應耦合工作方法，以及電力發(fā)射機與接收機之間的通訊協(xié)議。它還規(guī)定，從發(fā)射機到接收機的最大功率為5瓦，發(fā)射線圈與接收線圈之間的典型距離為5毫米?；鞠到y(tǒng)示意圖如圖5所示。WPC標準下的任何裝置均可與其他符合WPC標準的任何裝置一起使用。在Qi標準V1.1中，增加了異物偵測(FOD)功能。

　　圖5基本系統(tǒng)。

　　(1)電力發(fā)射機

　　在WPC標準中，有三種電力發(fā)射機類型：引導定位、移動線圈自由定位及線圈矩陣自由定位，如圖6所示。

　　圖6三種電力發(fā)射機定位類型。

　　對于引導定位，接收線圈中心必須與發(fā)射線圈中心對準。否則，傳輸電源和傳輸效率均將顯著降低。因此，發(fā)射線圈和接收線圈使用兩個磁體對齊并匯聚磁力線。

　　自由定位發(fā)射機是一款很好的發(fā)射機類型，因為它可讓一般使用者的無線充電更加便捷。有兩個子類型來實現(xiàn)這一功能。一個是移動發(fā)射線圈，另一個是發(fā)射線圈矩陣。在第一類型中，當接收機位于發(fā)射機表面上時，發(fā)射機移動線圈以對齊接收線圈，然后進行電力傳輸。在第二類型中，發(fā)射線圈由線圈矩陣形成。當接收機位于發(fā)射機上時，接收線圈周圍的一個或多個線圈將被啟動，并將電力傳輸?shù)浇邮諜C。

　　電力發(fā)射機有一個直流-交流區(qū)塊。例如，一個半橋被連接到一個串聯(lián)諧振電路。對于不同的發(fā)射機，Cp和Lp參數(shù)及輸入電壓會有所不同。直流-交流切換開關的操作頻率在110 KHz時正常，但有可能會變化至205 KHz以進行電力控制。諧振回路也用于優(yōu)化電力傳輸。

　　電力發(fā)射機還有一個通訊區(qū)塊，用于解調(diào)從接收機收到的電力傳輸控制信息。該通訊區(qū)塊由電壓或電流感測電路形成。

　　(2)電力接收機

　　電力接收機通常是一款便攜設備，其硬件設計比發(fā)射機更加簡化。它通常包括四個部份：電力拾取區(qū)塊、全橋整流電路、電壓調(diào)節(jié)區(qū)塊和通訊控制區(qū)塊。

　　電力拾取區(qū)塊由包含一個接收線圈(Ls)和一個串聯(lián)諧振電容(Cs)的串聯(lián)諧振電路組成。諧振回路用于優(yōu)化電力接收。平行電容提供一個平行諧振電路，用于偵測接收機。

　　全橋整流器用作交流至直流轉(zhuǎn)換電路，該電路將接收到的波轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定電壓。電壓調(diào)節(jié)區(qū)塊是一條直流-直流電路，用于將接收到的較高電壓轉(zhuǎn)換為負載所需的電壓。通訊控制區(qū)塊用于到電力發(fā)射機的傳輸電力控制信息(例如，控制錯誤包)，以調(diào)整電力發(fā)射機的電力傳輸操作點或其他狀態(tài)。

　　(3)通訊

　　根據(jù)WPC標準，發(fā)射機和接收機之間的通訊是單向通訊。通訊方向是從接收機到發(fā)射機。電力接收機通過變更阻抗(例如，電阻或電容)調(diào)整功率量，此操作會引起發(fā)射線圈電流或線圈電壓的周期性變化。發(fā)射機可偵測用于解調(diào)通訊信息的線圈電流或線圈電壓的變化。該標準定義了邏輯高電平和邏輯低電平之間發(fā)射線圈電流或線圈電壓振幅的最小振幅差，分別為15mA和200mV.

　　WPC標準還定義了通訊中的數(shù)據(jù)格式。在每次數(shù)據(jù)傳輸中，將傳輸一個數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)報由一個位同步前導碼(>11位1)、一個表示數(shù)據(jù)報類型的字節(jié)訊息頭、訊息信息(1…… 27個字節(jié))和一個總合檢查字節(jié)組成。一個數(shù)據(jù)字節(jié)是一個11位串行格式。此格式由1位起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位和1位停止字節(jié)成。起始位是一個0.數(shù)據(jù)位的順序是最低位最先。奇偶校驗位是奇數(shù)，停止位是一個1.數(shù)據(jù)位按差分雙相代碼格式編碼，且其速度為2Kbps.數(shù)據(jù)格式如圖7所示。

　　圖7數(shù)據(jù)格式。

　　(4)電力傳輸系統(tǒng)控制

　　從電力發(fā)射機到電力接收機的電力傳輸包括WPC標準所定義的四個階段，分別是選擇階段、Ping測試階段、識別和組態(tài)階段以及電力傳輸階段。各階段之間的關系如圖8所示。

　　圖8系統(tǒng)控制流程。