大范圍區(qū)域無線充電解決方案

　　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在的一天一充甚至更少。無線充電技術的出現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主要包括以下3類：

　　1)電磁感應：在兩個設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)送設備的線圈加上幾兆赫茲的交變電流，那么接收設備的線圈上就會產生感應電動勢，從而實現了電能的無線傳輸。目前，基于電磁感應的無線充電技術的傳輸功率為幾瓦到幾百瓦，傳輸距離小于1cm。

　　2)無線電波：根據電磁學原理可知，豎直導體棒內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，我們叫這本導體棒發(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出相應的電流?；跓o線電波的無線充電技術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。根據這個原理，麻省理工學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10MHz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)調的與接收線圈進行能量傳輸?；陔姶殴舱竦臒o線充電技術的傳輸功率能夠達到幾千瓦，傳輸距離可達數米。

　　本文采用TI的BQ500410A芯片來構成無線充電系統(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

　　基于電磁感應的無線充電技術與變壓器相似，都是基于電磁感應原理實現的。經典的電磁學可以總結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，變化的電場會產生變化的磁場，變化的磁場也會產生變化的電場。如此反復，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，成為近場區(qū)，又稱感應場;超出一個波長的范圍成為遠場區(qū)，又稱輻射場。感應場內電磁場強度大，但是衰減快;相反，輻射場內電磁場強度小，但是衰減緩慢。

　　基于電磁感應的無線充電技術就是應用了這一原理。發(fā)射端利用逆變技術將電網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生交變的磁場。位于感應場的接收線圈由于電磁感應的作用產生感應電動勢，再經過整流、整形后供負載使用。

　　1.2 系統(tǒng)結構

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

　　無線充電的結構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。通常發(fā)射線圈及其驅動電路被安裝在一個充電板內，接收線圈及其驅動電路則被嵌入到需充電的設備中，如智能手機等。能量傳輸的效率與線圈之間的距離、線圈對齊的程度、線圈方向、線圈材質、磁場屏蔽、阻抗匹配、發(fā)射頻率及占空比等因素有關。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。

　　圖1 無線充電系統(tǒng)框圖

　　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。BQ500410A以400ms的時間間隔依次使能3個發(fā)射線圈，同時使能相應的COMM反饋信號通路的模擬開關。BQ500410A會尋找最強的COMM反饋信號，然后驅動相應的發(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，使得能量傳輸的區(qū)域被限制在了兩塊隔磁片之間，避免了無線充電系統(tǒng)工作時產生的輻射對智能手機或其它設備帶來干擾。

　　1.3 FOD和PMOD

　　外部物體檢測(FOD)和寄生金屬檢測(PMOD)是本文設計方案的另一大特點。金屬物體處在交流磁場中會產生渦流，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來實現系統(tǒng)的低功耗。為了實現低功耗，一種最直接的方法是無負載時直接關斷電源使BQ50041A完全關機。但是這樣做的話，包括充電狀態(tài)、錯誤狀態(tài)、操作模式及驅動引腳狀態(tài)信息等將會完全丟失。增加MSP430后，BQ500410A可以周期性的關機來節(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BQ500410A驅動變?yōu)橛蒑SP430來驅動。如此一來，雖然系統(tǒng)的復雜度及成本提高了，但是待機功耗由原先的300mW降低到90mW左右。

　　圖2 低功耗電路

　　2. 結束語

　　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將待機功耗從300mW降到90mW,能夠更好的滿足一些低功耗設備的需求。