不再糾結電池不夠用，大范圍區域無(wú)線(xiàn)充電解決方案

　　隨著(zhù)智能手機的興起與普及，人們對于手機的依賴(lài)程度越來(lái)越強。然而，受限于電池技術(shù)的制約，手機的充電頻率隨著(zhù)功能的拓展也急劇減少，由原來(lái)的兩三天一充下降到現在的一天一充甚至更少。無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的出現使得充電的過(guò)程更加方便，同時(shí)也解決了不同手機之間的兼容性問(wèn)題。目前，主流的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)主要包括以下3類(lèi)：

　　1）電磁感應：在兩個(gè)設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)送設備的線(xiàn)圈加上幾兆赫茲的交變電流，那么接收設備的線(xiàn)圈上就會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，從而實(shí)現了電能的無(wú)線(xiàn)傳輸。目前，基于電磁感應的無(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。

　　2）無(wú)線(xiàn)電波：根據電磁學(xué)原理可知，豎直導體棒內通過(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，我們叫這本導體棒發(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 )感應出相應的電流?；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到10米。

　　3）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。根據這個(gè)原理，麻省理工學(xué)院的研究小組在燈泡試驗中，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)強大的非輻射磁場(chǎng)。這個(gè)非輻射磁場(chǎng)可以協(xié)調的與接收線(xiàn)圈進(jìn)行能量傳輸?；陔姶殴舱竦臒o(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的傳輸功率能夠達到幾千瓦，傳輸距離可達數米。

　　本文采用TI的BQ500410A芯片來(lái)構成無(wú)線(xiàn)充電系統的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)擴展位置自由，同時(shí)具有寄生金屬檢測（PMOD）和外來(lái)物體檢測（FOD）的功能，確保了充電過(guò)程的安全性。

　　1原理介紹

　　1.1傳輸原理

　　基于電磁感應的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)與變壓器相似，都是基于電磁感應原理實(shí)現的。經(jīng)典的電磁學(xué)可以總結為一組著(zhù)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，就形成了電磁場(chǎng)。以一個(gè)波長(cháng)為界，在場(chǎng)源為中心的一個(gè)波長(cháng)范圍內，成為近場(chǎng)區，又稱(chēng)感應場(chǎng)；超出一個(gè)波長(cháng)的范圍成為遠場(chǎng)區，又稱(chēng)輻射場(chǎng)。感應場(chǎng)內電磁場(chǎng)強度大，但是衰減快；相反，輻射場(chǎng)內電磁場(chǎng)強度小，但是衰減緩慢。

　　基于電磁感應的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)就是應用了這一原理。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)。位于感應場(chǎng)的接收線(xiàn)圈由于電磁感應的作用產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，再經(jīng)過(guò)整流、整形后供負載使用。

　　1.2系統結構

　　一套完整的無(wú)線(xiàn)充電系統包括TX端和RX端兩部分，其結構框圖如圖1所示。

　　無(wú)線(xiàn)充電的結構類(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。通常發(fā)射線(xiàn)圈及其驅動(dòng)電路被安裝在一個(gè)充電板內，接收線(xiàn)圈及其驅動(dòng)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(xiàn)圈之間的距離、線(xiàn)圈對齊的程度、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)圈之間的距離及對齊程度對傳輸效率有極大的影響。

　　圖1無(wú)線(xiàn)充電系統框圖

　　本文采用3個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈陣列來(lái)擴展充電區域，以便獲得更好的充電效率及體驗。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)使能相應的COMM反饋信號通路的模擬開(kāi)關(guān)。BQ500410A會(huì )尋找最強的COMM反饋信號，然后驅動(dòng)相應的發(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)圈則處于待機狀態(tài)。

　　為了減少電磁輻射，該無(wú)線(xiàn)充電系統還在收發(fā)兩端線(xiàn)圈的背部各增加了一塊鐵氧體隔磁片，使得能量傳輸的區域被限制在了兩塊隔磁片之間，避免了無(wú)線(xiàn)充電系統工作時(shí)產(chǎn)生的輻射對智能手機或其它設備帶來(lái)干擾。

　　1.3FOD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(diǎn)。金屬物體處在交流磁場(chǎng)中會(huì )產(chǎn)生渦流，因此處于安全考慮，需實(shí)時(shí)檢測TX端和RX端之間是否存在外部物體及寄生金屬。系統工作時(shí)，BQ500410A實(shí)時(shí)監測輸入電壓及輸入電流并計算輸入功率。同時(shí)，BQ51013B也會(huì )實(shí)時(shí)監測充電電壓及充電電流，并將輸出功率通過(guò)通信協(xié)議反饋給BQ50041A。BQ50041A可以通過(guò)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(huì )報警并中止能量傳輸。

　　1.4低功耗

　　本文通過(guò)增加TI的MSP430低功耗MCU配合BQ500410A來(lái)實(shí)現系統的低功耗。為了實(shí)現低功耗，一種最直接的方法是無(wú)負載時(shí)直接關(guān)斷電源使BQ50041A完全關(guān)機。但是這樣做的話(huà)，包括充電狀態(tài)、錯誤狀態(tài)、操作模式及驅動(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)機來(lái)節節省功耗，其喚醒信號由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驅動(dòng)變?yōu)橛蒑SP430來(lái)驅動(dòng)。如此一來(lái)，雖然系統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(yǔ)

　　本文提出的無(wú)線(xiàn)充電系統解決了傳統的單線(xiàn)圈方案充電區域小的問(wèn)題，極大的提升了用戶(hù)體驗。因此，本文的方案具有更高的市場(chǎng)價(jià)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(mǎn)足一些低功耗設備的需求。