【導(dǎo)讀】智能手機(jī)成為人們生活中的必需品。電池技術(shù)的制約使得充電頻率減少。而無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)恰好解決了這個(gè)難題。無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)解決了兼容問(wèn)題,使充電過(guò)程更加方便簡(jiǎn)潔。
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)類(lèi)別
1、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(xiàn)圈作為電磁共振器。其中一個(gè)線(xiàn)圈連接在電源上作為發(fā)射器,另一個(gè)線(xiàn)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(dòng),但它并不向外發(fā)射電磁波,而是在它的周?chē)纬梢粋€(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(xiàn)圈進(jìn)行能量傳輸?;陔姶殴舱竦臒o(wú)線(xiàn)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。
2、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(xiàn)圈組成一組收發(fā)線(xiàn)圈,在發(fā)送設(shè)備的線(xiàn)圈加上幾兆赫茲的交變電流,那么接收設(shè)備的線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸。目前,基于電磁感應(yīng)的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的傳輸功率為幾瓦到幾百瓦,傳輸距離小于1cm。
3、無(wú)線(xiàn)電波:根據(jù)電磁學(xué)原理可知,豎直導(dǎo)體棒內(nèi)通過(guò)超高頻的交流電,其周?chē)蜁?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(wú)線(xiàn)電波。如果把一個(gè)圓環(huán)形的線(xiàn)圈作為天線(xiàn),放在無(wú)線(xiàn)電波的周期變化的磁場(chǎng)里,那么線(xiàn)圈里就會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)的電流?;跓o(wú)線(xiàn)電波的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)利用了電波能量可以通過(guò)天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電波的無(wú)線(xiàn)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。
本文采用TI的BQ500410A芯片來(lái)構(gòu)成無(wú)線(xiàn)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(xiàn)圈陣列來(lái)擴(kuò)展位置自由,同時(shí)具有寄生金屬檢測(cè)(PMOD)和外來(lái)物體檢測(cè)(FOD)的功能,確保了充電過(guò)程的安全性。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
一套完整的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于一個(gè)空心變壓器,能量傳輸通過(guò)線(xiàn)圈耦合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常發(fā)射線(xiàn)圈及其驅(qū)動(dòng)電路被安裝在一個(gè)充電板內(nèi),接收線(xiàn)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(xiàn)圈之間的距離、線(xiàn)圈對(duì)齊的程度、線(xiàn)圈方向、線(xiàn)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(xiàn)圈之間的距離及對(duì)齊程度對(duì)傳輸效率有極大的影響。
圖1:無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)框圖
本文采用3個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈陣列來(lái)擴(kuò)展充電區(qū)域,以便獲得更好的充電效率及體驗(yàn)。BQ500410A以400ms的時(shí)間間隔依次使能3個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈,同時(shí)使能相應(yīng)的COMM反饋信號(hào)通路的模擬開(kāi)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(xiàn)圈工作,以獲得最好的線(xiàn)圈匹配。因此,在同一時(shí)刻只有一個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈是工作的,其他兩個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈則處于待機(jī)狀態(tài)。
為了減少電磁輻射,該無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)還在收發(fā)兩端線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(lái)干擾。
傳輸原理
基于電磁感應(yīng)的無(wú)線(xiàn)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(zhǎng)為界,在場(chǎng)源為中心的一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi),成為近場(chǎng)區(qū),又稱(chēng)感應(yīng)場(chǎng);超出一個(gè)波長(zhǎng)的范圍成為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),又稱(chēng)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。
低功耗
本文通過(guò)增加TI的MSP430低功耗MCU配合BQ500410A來(lái)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(wú)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(huà),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,BQ500410A可以周期性的關(guān)機(jī)來(lái)節(jié)節(jié)省功耗,其喚醒信號(hào)由MSP430來(lái)提供。同時(shí),各種狀態(tài)信息也由MSP430來(lái)保存,LED狀態(tài)指示燈也由原先的BQ500410A驅(qū)動(dòng)變?yōu)橛蒑SP430來(lái)驅(qū)動(dòng)。如此一來(lái),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300mW降低到90mW左右。
基于電磁感應(yīng)的無(wú)線(xiàn)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(guò)的直流電逆變成高頻的交流電,因此發(fā)射線(xiàn)圈的周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。位于感應(yīng)場(chǎng)的接收線(xiàn)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(guò)整流、整形后供負(fù)載使用。
圖2:低功耗電路
FOD和PMOD