無線充電器技術(shù)及低成本設(shè)計(jì)方案

　　感應(yīng)式無線電力傳輸變得越來越流行。最近，許多手機(jī)制造商宣布他們生產(chǎn)的新型手機(jī)將支持無線充電功能。大多數(shù)新型手機(jī)都使用了基于感應(yīng)電力傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/無線充電">無線充電技術(shù)。這種技術(shù)也可用于其他便攜設(shè)備。為了令無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，無線充電聯(lián)盟(WPC)孕育而生，并提出了一個(gè)低功耗標(biāo)準(zhǔn)。

　　本文將介紹無線電力傳輸?shù)幕纠碚摬⒏攀鯳PC提出的“Qi”標(biāo)準(zhǔn)。最后，將介紹一個(gè)符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的低成本分立式無線充電器解決方案。

　　基本理論

　　基于感應(yīng)電源的無線電力傳輸?shù)幕纠碚摲浅：?jiǎn)單。眾所周知，交流電場(chǎng)將產(chǎn)生磁場(chǎng)，交流磁場(chǎng)也將產(chǎn)生電場(chǎng)。在發(fā)射機(jī)中，直流電源轉(zhuǎn)換為交流電，并產(chǎn)生交流電場(chǎng)。在接收機(jī)處，線圈拾取來自交流磁場(chǎng)的電源，并將交流電轉(zhuǎn)換成直流電作為輸出負(fù)載。

　　發(fā)射線圈和接收線圈彼此分離，泄漏電感大且耦合系數(shù)小。因此，傳輸效率非常低。為提高傳輸效率，必須采用一個(gè)補(bǔ)償電路。常用方法就是在發(fā)送機(jī)側(cè)和接收機(jī)側(cè)分別放置一個(gè)補(bǔ)償電容，形成一個(gè)帶有發(fā)送線圈和接收線圈的諧振電路，用于改善電源傳輸。圖1顯示了兩個(gè)補(bǔ)償電路方法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通常情況下，在發(fā)送機(jī)側(cè)放置一個(gè)電容以形成帶有發(fā)送線圈的串聯(lián)諧振電路，而在接收機(jī)側(cè)有兩種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一種是形成帶有接收線圈的串聯(lián)諧振電路的電容，另一種是形成帶有接收線圈的平行諧振電路的電容。

　　圖1 -兩個(gè)諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　電壓傳輸函數(shù)如下所示：

　　Cp和Lp為發(fā)射機(jī)側(cè)發(fā)送線圈的串聯(lián)電容值和電感值，而Cs和Ls為接收機(jī)側(cè)接收線圈的串聯(lián)或平行電容值和串聯(lián)電感值。M為互感系數(shù)。ω0為諧振頻率。ωn為標(biāo)準(zhǔn)化工作頻率。n為兩個(gè)線圈電感的比率。Q為品質(zhì)因子。K為耦合系數(shù)。α為發(fā)射串聯(lián)電容與接收電容的比率。R為輸出負(fù)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，沒有考慮線圈的串聯(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(shù)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(shù)對(duì)無線充電器系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在無線充電器應(yīng)用中，大多數(shù)系統(tǒng)接收機(jī)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被稱為品質(zhì)因子。發(fā)射線圈或輸出電阻的變更會(huì)影響Q值。在無線充電器系統(tǒng)中，工作點(diǎn)被設(shè)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(shù)值(ωn=1)。圖3顯示了Q值的系統(tǒng)電壓傳輸函數(shù)變化。

　　圖3具有不同質(zhì)量因子的電壓傳輸函數(shù)。