圖1 -兩個(gè)諧振電路拓撲結構。

電壓傳輸函數如下所示：

Cp和Lp為發(fā)射機側發(fā)送線(xiàn)圈的串聯(lián)電容值和電感值，而Cs和Ls為接收機側接收線(xiàn)圈的串聯(lián)或平行電容值和串聯(lián)電感值。M為互感系數。ω0為諧振頻率。ωn為標準化工作頻率。n為兩個(gè)線(xiàn)圈電感的比率。Q為品質(zhì)因子。K為耦合系數。α為發(fā)射串聯(lián)電容與接收電容的比率。R為輸出負載。

圖2帶有電感串聯(lián)電阻的串聯(lián)諧振電路。

在方程式2中，沒(méi)有考慮線(xiàn)圈的串聯(lián)電阻。如果變更電路模型，如圖2所示，串聯(lián)諧振電路的電壓傳輸函數亦會(huì )發(fā)生變更，如下所示。

而且，平行諧振電路的方程式相似。

有些參數對無(wú)線(xiàn)充電器系統產(chǎn)生影響。在無(wú)線(xiàn)充電器應用中，大多數系統接收機使用串聯(lián)諧振電路。因此，下文將僅討論串聯(lián)諧振電路。

（1）品質(zhì)因子：

在方程式6中，Q被稱(chēng)為品質(zhì)因子。發(fā)射線(xiàn)圈或輸出電阻的變更會(huì )影響Q值。在無(wú)線(xiàn)充電器系統中，工作點(diǎn)被設定在諧振頻率處。發(fā)射諧振頻率和接收諧振頻率總是相同。所以，我們感興趣的是諧振頻率的電壓傳遞函數值（ωn=1）。圖3顯示了Q值的系統電壓傳輸函數變化。

圖3具有不同質(zhì)量因子的電壓傳輸函數。

從該圖可以看出，當Q值變小時(shí)，在諧振頻率點(diǎn)的電壓傳輸函數曲線(xiàn)變得更明顯。在這種情況下，電壓傳輸函數對頻率非常敏感，且輸出不易于保持穩定。另一方面，當Q值變大時(shí)，諧振頻率處的曲線(xiàn)變化變慢，但電壓傳輸函數變得非常低。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

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

圖4具有不同耦合系數的電壓傳輸函數。

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

WPC無(wú)線(xiàn)充電器標準

無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟成立的宗旨是建立一個(gè)關(guān)于短距離移動(dòng)裝置無(wú)線(xiàn)電力傳輸的標準，該標準被稱(chēng)為「Qi」標準。WPC標準定義了低功率無(wú)線(xiàn)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。它還規定，從發(fā)射機到接收機的最大功率為5瓦，發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈之間的典型距離為5毫米�；�本系統示意圖如圖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。

（1）電力發(fā)射機

在WPC標準中，有三種電力發(fā)射機類(lèi)型：引導定位、移動(dòng)線(xiàn)圈自由定位及線(xiàn)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(lèi)型。

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

自由定位發(fā)射機是一款很好的發(fā)射機類(lèi)型，因為它可讓一般使用者的無(wú)線(xiàn)充電更加便捷。有兩個(gè)子類(lèi)型來(lái)實(shí)現這一功能。一個(gè)是移動(dòng)發(fā)射線(xiàn)圈，另一個(gè)是發(fā)射線(xiàn)圈矩陣。在第一類(lèi)型中，當接收機位于發(fā)射機表面上時(shí)，發(fā)射機移動(dòng)線(xiàn)圈以對齊接收線(xiàn)圈，然后進(jìn)行電力傳輸。在第二類(lèi)型中，發(fā)射線(xiàn)圈由線(xiàn)圈矩陣形成。當接收機位于發(fā)射機上時(shí)，接收線(xiàn)圈周?chē)�的一個(gè)或多個(gè)線(xiàn)圈將被啟動(dòng)，并將電力傳輸到接收機。

電力發(fā)射機有一個(gè)直流-交流區塊。例如，一個(gè)半橋被連接到一個(gè)串聯(lián)諧振電路。對于不同的發(fā)射機，Cp和Lp參數及輸入電壓會(huì )有所不同。直流-交流切換開(kāi)關(guān)的操作頻率在110 KHz時(shí)正常，但有可能會(huì )變化至205 KHz以進(jìn)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(gè)通訊區塊，用于解調從接收機收到的電力傳輸控制信息。該通訊區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(jiǎn)化。它通常包括四個(gè)部份：電力拾取區塊、全橋整流電路、電壓調節區塊和通訊控制區塊。

電力拾取區塊由包含一個(gè)接收線(xiàn)圈（Ls）和一個(gè)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(gè)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換電路，該電路將接收到的波轉換成穩定電壓。電壓調節區塊是一條直流-直流電路，用于將接收到的較高電壓轉換為負載所需的電壓。通訊控制區塊用于到電力發(fā)射機的傳輸電力控制信息（例如，控制錯誤包），以調整電力發(fā)射機的電力傳輸操作點(diǎn)或其他狀態(tài)。

（3）通訊

根據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(guò)變更阻抗（例如，電阻或電容）調整功率量，此操作會(huì )引起發(fā)射線(xiàn)圈電流或線(xiàn)圈電壓的周期性變化。發(fā)射機可偵測用于解調通訊信息的線(xiàn)圈電流或線(xiàn)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(xiàn)圈電流或線(xiàn)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據格式。在每次數據傳輸中，將傳輸一個(gè)數據報。數據報由一個(gè)位同步前導碼（>11位1）、一個(gè)表示數據報類(lèi)型的字節訊息頭、訊息信息（1…… 27個(gè)字節）和一個(gè)總合檢查字節組成。一個(gè)數據字節是一個(gè)11位串行格式。此格式由1位起始位、8個(gè)數據位、1個(gè)奇偶校驗位和1位停止字節成。起始位是一個(gè)0.數據位的順序是最低位最先。奇偶校驗位是奇數，停止位是一個(gè)1.數據位按差分雙相代碼格式編碼，且其速度為2Kbps.數據格式如圖7所示。

圖7數據格式。
 

（4）電力傳輸系統控制

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(gè)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(guān)系如圖8所示。

圖8系統控制流程。

A.選擇

在此階段中，電力發(fā)射機檢測其表面物體的放置或移除情況。電力發(fā)射機可通過(guò)多種方法實(shí)現這個(gè)功能。如果電力發(fā)射機偵測到一個(gè)或多個(gè)物體，它將嘗試定位這些物體并區分潛在的電力接收機和異物。在一些情況下，電力發(fā)射機應嘗試選擇一個(gè)原電池和一個(gè)電力接收機，用于電力傳輸。如果電力發(fā)射機選擇一個(gè)原電池和一個(gè)電力接收機，它應進(jìn)入ping測試階段。另一方面，如果電力發(fā)射機無(wú)法識別潛在的電力接收機或逾時(shí)，它將進(jìn)入操作的待命模式。

B. Ping測試

在ping測試階段，電力發(fā)射機應執行一次數字訊號ping測試，檢查潛在的電力接收機是否為電力接收機或該接收機是否需要電力傳輸。因此，電力發(fā)射機在65ms的最大時(shí)期內在初級線(xiàn)圈提供電力。電力接收機必須在該時(shí)間內通過(guò)負載調變的方式進(jìn)行回復。完成ping測試階段后，系統將進(jìn)入下一階段，即識別和組態(tài)階段。如果沒(méi)有完成ping測試階段，系統將返回前一階段，即：選擇階段。

C.識別和組態(tài)

在識別和組態(tài)階段中，電力發(fā)射機將識別電力接收機，且電力接收機將傳輸組態(tài)信息，如電力接收機的基本裝置標識符、電力接收機期望提供到整流器輸出端的最大功率量以及提供到電力發(fā)射機的最大功率量。電力發(fā)射機接收此信息，并調整工作點(diǎn)，然后進(jìn)入電力傳輸階段。如果電力發(fā)射機不能從電力接收機處正確接收識別和組態(tài)信息，無(wú)論何種原因，如電力接收機可能沒(méi)有發(fā)送數據報或電力發(fā)射機可能沒(méi)有解調所需信息，電力發(fā)射機都將返回到前一階段，即：選擇階段。

D.電力傳輸

在電力傳輸階段，電力發(fā)射機將向電力接收機提供連續電力，并調整電力傳輸工作點(diǎn)，以響應從電力接收機收到的控制數據。在電力傳輸階段，電力發(fā)射機應監測電力傳輸參數。如果任何參數超出限定值，它將中斷電力傳輸并返回到選擇階段。最后，電力發(fā)射機從電力接收機處收到結束傳輸包時(shí)將結束電力傳輸。例如，當電池充滿(mǎn)時(shí)，電力接收機不需要再對電池充電。此時(shí)，它應發(fā)送結束電力傳輸包信息到電力發(fā)射機，以結束電力傳輸。然后，系統將返回到選擇階段。系統將保持在前三個(gè)階段，直到新的電力接收機放置于電力發(fā)射機上或組態(tài)信息變更。

分立式無(wú)線(xiàn)充電器解決方案

我們可以使用一些分立式裝置輕松設計出符合上述Qi標準的無(wú)線(xiàn)充電器系統。圖9顯示了無(wú)線(xiàn)充電器分立式解決方案之一。

圖9.分立式無(wú)線(xiàn)充電器解決方案。

在發(fā)射機側，微控制器單元（MCU）用于控制整個(gè)發(fā)射機的功能。該MCU產(chǎn)生一個(gè)脈寬調變（PWM）波來(lái)驅動(dòng)閘極驅動(dòng)器。PWM的頻率和占空比由MCU控制。MCU根據從接收機收到的錯誤控制包控制這兩個(gè)參數。FAN73932是一款半橋閘極驅動(dòng)器，它把收到的矩形波轉換成兩個(gè)非重迭訊號，以驅動(dòng)低端和高端MOSFET產(chǎn)品。直流-交流功能通過(guò)該裝置和兩個(gè)N信道MOSFET產(chǎn)品實(shí)現。發(fā)射線(xiàn)圈由交流波驅動(dòng)。串聯(lián)電容用于形成一個(gè)帶有發(fā)射線(xiàn)圈的串聯(lián)諧振電路，以實(shí)現更好的電力傳輸性能�？赏ㄟ^(guò)這種方式傳輸電力。FAN8303是一個(gè)為MCU電源提供5V電壓的直流-直流轉換器。其他部分用于通訊。電容用于捕捉來(lái)自線(xiàn)圈的電壓，并將該電壓送到MCU ADC，以獲取通訊信息。我們也可使用一個(gè)感應電阻和一個(gè)電壓放大器，以檢查發(fā)射線(xiàn)圈的電流變化。

在接收機側，也使用一個(gè)MCU來(lái)控制接收機的所有動(dòng)作。帶有接收線(xiàn)圈的串聯(lián)諧振電路由一個(gè)電容形成。當接收線(xiàn)圈位于發(fā)射線(xiàn)圈上時(shí)，可以在該串聯(lián)諧振電路末端獲得交流電壓。交流-直流功能通過(guò)具有兩個(gè)N信道MOSFET產(chǎn)品和兩個(gè)二極管的全橋整流器實(shí)現。直流電壓在該電路輸出端實(shí)現。該電壓可通過(guò)穩壓電容實(shí)現穩定。此電壓通過(guò)直流-直流轉換器（FAN8303）實(shí)現轉換，并在FAN8303裝置的輸出端可獲得用于MCU電源的5V穩定電壓。當MCU上電時(shí)，它控制兩個(gè)MOSFET產(chǎn)品與發(fā)射機進(jìn)行通訊。整個(gè)無(wú)線(xiàn)系統通過(guò)這種方式進(jìn)行組態(tài)。完成正確組態(tài)后，MCU將打開(kāi)輸出開(kāi)關(guān)。輸出電壓也可用于為便攜設備充電。充電電流和輸出電壓由MCU監測，以獲知何時(shí)需要結束充電。

在軟件方面，圖10顯示了無(wú)線(xiàn)充電器發(fā)射機和接收機的簡(jiǎn)要流程圖。

圖10軟件流程圖。

通過(guò)這種無(wú)線(xiàn)充電器系統，系統可獲得效率約為69%的5W充電電源。

結論

無(wú)線(xiàn)充電器是傳統技術(shù)在便攜設備市場(chǎng)的新型應用。WPC Qi標準有利于無(wú)線(xiàn)充電器的普及。借助該標準，我們可輕松設計出無(wú)線(xiàn)充電器系統。本文簡(jiǎn)要介紹了幾款用于該系統的分立式裝置。此外，Qi標準的所有功能均可實(shí)現。該系統是一種可廣泛使用的低成本無(wú)線(xiàn)充電器解決方案。