基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統的設計與研究

安徽師范大學物理與電子信息學院 馬赟馨 謝 妍

基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統的設計與研究

安徽師范大學物理與電子信息學院 馬赟馨 謝 妍

利用磁耦合共振傳輸技術對無線充電系統進行電能-磁場能-電能的轉換和傳輸，實現對手機的無接觸充電。從磁耦合共振的原理、系統結構及組成模塊、工作流程、A4WP技術標準、影響無線充電傳輸效率的因素以及該系統的創新特色分別進行研究。

磁耦合共振；手機無線充電系統；設計與研究

0 引言

有線充電因為擺脫不了電源線的束縛，不同移動設備接口的適配器不同等原因在使用上會有諸多不便，在處理手機耗電量快的問題上，僅僅增加電池的容量是一種治標不治本的體現，對于充電困難方面并沒有很好的解決。因而，無線充電技術應運而生，在很大程度上滿足了人們的充電需求。本論文主要研究基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統的系統各組成模塊、工作流程的設計和影響無線充電傳輸效率的因素、A4WP 技術標準以及系統的創新特色等。

1 磁耦合共振的原理和結構

無線充電技術的發展主要經歷了兩種模式，分別是磁感應模式和磁共振模式。磁感應要求充電板與充電設備必須緊密耦合，只能一對一充電；相反，磁共振是松散耦合，有極大的空間自由，可以被多臺充電設備使用。磁耦合共振傳輸技術是一種新興的磁共振傳輸技術。

1.1 磁耦合共振傳輸技術的原理

磁耦合共振傳輸技術的原理如圖1所示。磁耦合共振傳輸技術是將發射端和接收端的線圈制作成磁共振體系，當發射電路線圈產生的磁場振動頻率與接收電路的固有頻率一致的時候，在相距一定的距離，由于磁場耦合產生共振，從而進行電能和磁能的能量傳遞。

圖1 磁共振的原理圖

1.2 磁耦合共振傳輸技術的結構

磁耦合共振無線充電系統由電能輸送模塊和電能接收模塊兩部分組成。電能輸送模塊包括交流電源、直流電源、基準電壓、驅動結構、控制保護裝置、功率放大器輸出、振蕩結構以及發射電磁線圈；電能接收模塊包括接收電磁線圈、供電負載和高頻整流濾波裝置。磁耦合共振無線充電系統的結構類似于電磁感應的結構，區別在于磁耦合共振多了一個高頻驅動電源設備來供電，加載在有電磁線圈和電容器的LC共振電路中，并非簡單的用普通電磁線圈構成電能輸送和電能接收的兩個模塊。當電源輸送模塊接上電源時，就會產生交變磁束幀使電能接收模塊產生電動勢，為負載持續不斷地供電。

2 磁耦合共振無線充電系統結構

磁耦合共振無線充電系統框圖如圖2所示，該系統包括直流電輸入模塊、交流電輸入模塊、電源管理模塊、發射電路模塊、接收轉換電路模塊、充電電路模塊等六大模塊。

圖2 磁耦合共振式無線充電系統框圖

2.1 發射電路

該系統的發射端等同于傳統充電系統的充電器端。發射電路主要由驅動電路、保護電路、阻抗匹配、驅動線圈、發射線圈以及DDS、MCU與RFID閱讀器和AD/DC轉換器組成。

（1）驅動電路

驅動電路實現放大丙類信號的功能，過零比較器可以把DDS產生的正弦波信號轉變成方波信號，方波通過驅動電流驅動場效應管。

（2）DDS

DDS由丙類功放電路的大功率信號調控，使得正弦信號和線圈共振的頻率調為一致，再通過過零比較器，將正弦波信號轉變成方波信號，再把方波信號送到發射電路中。

（3）RFID

RFID是一種無線自動識別技術，它通過發射信號來識別目標產物，并由此分析得到所需數據。其最大的優勢就是不需要人員的控制，并且通過耦合來實現閱讀器和電子標簽間的不接觸無線數據通信。RFID的原理圖如圖3所示。

圖3 RFID的原理圖

當RFID技術運用到無線充電系統中時，閱讀器經過磁感應產生電流并轉化成一種具有特別頻率的信號，這個信號在被電子標簽收到之后，同時產生射頻信號并做出回應，這樣閱讀器就不需要接觸目標產物來間接分析出電子數據，進而識別出身份，最終確認目標。確認目標后，電能的發射端驅動電路產生小范圍的電磁場，該電磁場的磁場弱且頻率變化快。當電能的接收端進入這個電磁場時，發射端因磁通量的改變產生感應交流電動勢，接收端的橋式整流就會產生作用把交流電動勢轉變成直流電動勢，但這個時候輸出的直流電混有其他雜亂的信號，需要借助電容進行過濾，才能得到所需的直流電動勢，來為負載電路供電，完成無線電的傳輸。

2.2 接收轉換電路

該系統的接收端等同于手機等便攜式待充電設備。接收轉換電路主要由諧振網絡阻抗匹配、AD/DC轉換器、穩壓電路、接收電路、負載電路和有RFID 標簽電路組成。

（1）諧振網絡

系統的接收轉換電路的諧振網絡實現兩個轉換，首先將電能發射端的諧振網絡產生的交變電磁場能轉換成電能，然后將該電能轉換成高頻交流電。電能接收端的諧振網絡作用是增強從電磁場獲取電能的能力，提高電能傳輸能力，其中的補償電容的組成部分是一個耦合電感Ls和補償電容Cs。

（2）AC/DC轉換

AC/DC轉換也是實現能量的轉換，它把接收端接收到的高頻交流電轉換成較為穩定的直流電，并輸送給負載電路。

電能接收端的流程如圖4所示，當接收端接收到電能后，與發射端進行及時通信，若發射端沒有終止傳輸電能，則繼續發送信號強度數據包、身份標識數據包和配置數據包這三種數據包，并開始發送第四種數據包，即控制誤差數據包。然后通過檢測電路反饋給控制器的信號，判斷整流濾波后的輸出電壓是否正常。當整流后的電壓不正常時，控制器立即向電能發射端發送終止傳輸電能的信號，終止電能傳輸；當整流電壓正常時，控制器檢查反饋的設備信息，來判斷充電是否完成。如果充電完成，那么控制器向電能發射端發送結束充電的信號，充電過程結束；如果充電未完成，那么發射端發送控制誤差信號，通過調節，繼續步驟。

圖4 電能接收端的流程圖

圖5 系統工作流程圖

3 工作流程

系統工作流程如圖5所示。首先進入待機模式，發送端開始探尋待充電設備，若探尋成功，則檢測是否為可充電設備，若檢測為可充電設備，則發送端檢測待充電設備信息，檢測后充電并讀取設備信息；若檢測到不是可充電設備，則回到初始待機模式。讀取設備信息完成后，實時監測設備信息，若設備充電完成，則充電結束；若充電沒有完成，則繼續充電，直到充電完成。

4 無線充電傳輸效率的影響因素

無線充電傳輸可以采用增加耦合的方式來提高效率，所以耦合系數在傳輸電能的過程中起著至關重要的作用，而損耗系數在能量無線傳輸中的作用也不可磨滅，兩者一同決定著傳輸系統的共振程度。

4.1 傳輸系統的耦合系數

當兩個螺旋線圈之間的距離d,遠小于諧振波長λ，但又遠大于線圈半徑r時，兩個線圈之間的互感M可表示為：

則兩線圈之間的耦合系數k可表示為：

由上述公式可知，當d>>r時，耦合系數k將隨距離以d3衰減，故傳輸效率跟耦合系數有很大的關系。

4.2 傳輸系統的損耗系數

損耗系數可以由下列計算式算出

其中R為等效電阻，L是線圈的等效電感，由此可見線圈寄生電阻和線圈感數對于損耗系數的影響是很大的。當系統處于高頻環境下，產生的感應電流通過導電線圈時會沿著導線截面而分布不均，這就是所謂的集膚效應。

5 A4WP技術標準

A4WP標準是Alliance for Wireless Power標準的簡稱，A4MP標準設定了精準的共振頻率，能夠在極弱的感應磁場產生共振，給負載充電。A4WP采用“電磁諧振無線充電技術”，可以實現稍遠距離的無線充電，是基于磁耦合共振的第一標準，被稱為明天的無線充電標準。

6 系統的創新特色

（1）基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統能量傳輸率高、自由度大、無輻射和無電磁干擾；

（2）系統電能發射端采用RFID技術具有識別功能，防止因誤加熱充電器以外的金屬，且無需人工干預。

（3）超低待機功耗，若充電器長時間檢測不到物體，系統則進入深度睡眠模式，降低功耗，提高整體效率。

7 結束語

本文提出的基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統解決了有線充電帶來很大的不便，且相比于電磁感應的無線充電技術，它的優勢是無線充電的距離更遠，并且可以自動識別充電器以外的金屬，智能地分配能量，達到節能的目的。只要制定統一的無線充電標準，就能使所有符合該標準的可充電設備使用同一無線充電器充電。

綜合來看，本文研究的磁耦合共振無線手機充電系統擺脫了手機充電時對于數據線的依賴，不是通過物理連接而是通過空間中的電磁變化來提供電能給手機電池充電，這種充電靈活、方便、通用性好的特點使得無線充電技術具有廣闊的發展和應用前景，對于推動無線充電技術上具有一定的理論意義和實用價值，為后續無線充電系統的設計提供了可靠的參考和借鑒。

[1]張寬,李金婧,蔣帆等.基于電磁共振的無線充電器設計與驗證[J].無線互聯科技,2015,(9):31-32.

[2]周建民.應用于移動電子設備的無線充電技術[J].集成電路應用,2014,(4):34-37.

[3]劉作鵬.基于電磁共振式的無線手機充電設計方法研究[J].湖北成人教育學院學,2016,22(5):73-78.

[4]李旸.微型磁共振無線能量傳輸系統及其應用研究[D].北京交通大學,2013.

[5]張榕.基于磁耦合共振的無線充電系統研究[D].電子科技大學,2014.

[6]郭建成.基于諧振耦合式電能無線傳輸系統分析與研究[D].蘭州交通大學,2015.

馬赟馨（1997—），女，安徽阜陽人，大學本科，學士，現就讀于安徽師范大學物理與電子信息學院，主要研究方向：硬件電路設計與仿真、無線通信。

國家級大學生創新創業項目（201610370154）。

謝妍（1996—），女，安徽馬鞍山人，大學本科，學士，現就讀于安徽師范大學物理與電子信息學院，要研究方向：軟件算法設計、嵌入式開發。