低功耗車載的手機無線充電設計

劉正全，鄧亮，王金磊，薛蔚平，徐健

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

0 引言

目前乘用車的手機充電方式主要是將車上12 V電壓轉成5 V恒壓輸出的有線充電模式，不僅很不方便而且也存在著安全隱患。為了解決上述問題，作者將無線充電技術應用于車載充電，提出了安全高效的車載手機無線充電方案，給用戶帶來更好的體驗。無線充電方式一般有4種：電磁感應式、電場耦合式、磁共振式和無線電波式。手機電池的標準電壓為3.82 V，額定容量2 500～3 500 mA·h，充電電流一般設定為2 A，系統充電輸出功率為10 W。這種應用完全符合無線充電聯盟基于電磁感應方式所制定的“Qi”充電標準[1]的要求，所以車載無線充電方案采用電磁感應方式是合理的。

1 電磁感應車載無線充電的原理

電磁感應無線充電原理是在發送和接收端各有一個線圈，發送端線圈TX連接有線電源產生電磁信號，接收端線圈RX感應發送端的電磁信號進而產生電流給電池充電，TX與RX兩個線圈之間的距離一般需要小于8 mm，并且兩個線圈的中心必須完全吻合，否則會使傳輸效率急劇下降。

依照無線充電聯盟“Qi”的標準，車載無線充電系統中輸出電壓調節由一個全局數字閉環控制，接收端與發送端進行定時通信，對充電輸出的變化進行動態響應[2]。該通信是一種通過反向散射調制從接收端到發送端的單向反饋。在反向散射調制中，接收端線圈會根據充電負載的變化，隨之改變通過發送端線圈的電流大小。車載無線充電系統對這些電流變化進行監控，并解調成收發兩個設備協同工作所需的信息。車載無線充電功能結構圖如圖1所示。

圖1 車載無線充電功能結構圖

2 電力發送端與接收端的電路設計

2.1 車載發送端高頻逆變電路

車載無線充電方案使用全橋逆變電路，該電路由4個開關MOSFET管組成，每個開關管承受的電壓為輸入電壓的一半，可以直接通過對開關管的控制來實現輸出功率大小的調節。該電路轉換效率高、易于控制、功率密度大，也符合車載電子設備的能效要求。

圖2 全橋式逆變電路

2.2 車載無線充電系統諧振網絡

車載無線充電系統發送和接收端線圈之間會存在一層1.85 mm的ABS塑料外殼，使得兩個耦合線圈之間的磁路漏感變大、耦合系數變低，系統的傳輸效率降低。

為了解決上述問題，采用諧振技術對發送和接收耦合線圈進行補償，不僅可以減少器件上的電流和電壓應力，延長電子器件的使用壽命，而且可以減少系統中的無用功，提高整個系統的傳輸效率和傳輸能力[3]。此設計中，補償電容和耦合電感串聯，電容電壓對電感壓降進行補償，同時電源電壓最大限度地加在阻抗兩端，使工作頻率不會隨負載的變化而變化。接收端采用串聯和并聯諧振補償相結合的電路結構，這樣既能獲得更大的電感電流又能保持輸出電壓的穩定。系統的諧振網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 諧振網絡拓撲結構

CP=[(fS·2π)2·LP]-1=[(100×103×2π)2×6.3×10-6]-1=402 nF

(1)

(2)

(3)

根據公式(4)計算得出在fD頻率下接收端線圈的品質因素，其中R為該線圈的直流阻抗：

(4)

Q>>77，該諧振網絡滿足車載設計的具體要求。

2.3 車載通信信號調制電路

為了將手機電池的充電狀態實時反饋到車載發送端，以便發送端通過調整發送頻率來控制電能輸出，需要在兩者之間建立從接收端到發送端的無線單向通信路徑。

接收端通過拾取發送端的電能來實現傳輸信號的調制，該調制過程會引起發送線圈電流的變化，發送端即可檢測發送端線圈的電流幅值來解調信號。車載無線充電系統的接收端耦合線圈兩側并聯兩個調制電容，這兩個電容并入或脫開由調制信號驅動的MOSFET控制，使諧振曲線發生偏移，從而改變發射線圈的電流幅值。當兩個調制電容并入接收端耦合線圈時，邏輯狀態為0；當兩個調制電容與接收端耦合線圈脫開時，邏輯狀態為1，如圖4所示。

圖4 電容式調制電路

2.4 車載無線充電故障檢測電路

當有外來金屬物體存在于發送線圈和接收線圈之間時，會導致傳輸能量的嚴重損失或者系統發熱量異常。所以依照“Qi”標準的要求，監控電能無線傳輸過程中有可能發生的異常狀況，需要對輸入輸出功率和系統溫度進行檢測。當輸入輸出功率之間的差值低于允許閾值時，或者系統溫度不在允許區間內時，需要立即讓無線充電系統停止工作，并發出故障提示，保證整個充電設備的安全。

由采樣到的輸入輸出電壓電流值，可以根據公式(5)、(6)和(7)精確計算出輸入輸出功率Pin、Pout和兩者之間的差值ΔP：

Pin=Uin·Iin

(5)

Pout=Uout·Iout

(6)

ΔP=Pin-Pout

(7)

在發送與接收兩線圈中心完全耦合時且兩者間隙為3 mm的實際應用情況下，對ΔP的閾值進行標定。測得輸入電壓為12 V，輸入電流為1.1 A；輸出電壓為5 V，輸出電流為1.85 A。

由公式(7)可知:

ΔP=Pin-Pout=12×1.1-9.25=3.95 W

同時器件差異和耦合間隙公差會引入±5%的ΔP變化，即ΔP∈[3.75 W,4.15 W]，也就是輸入輸出之間的傳輸效率ηP∈[68.56%,71.59%]，當輸出效率低于68.56%時，即停止發送。

溫度檢測由熱敏電阻NTC及相應的電阻網絡構成，如圖5所示。熱敏電阻設置在發熱源區域，并定義了低溫5 ℃和高溫90 ℃兩個閾值點，為無線充電提供了一個較為安全的工作溫度范圍。熱敏電阻在低溫5 ℃時，溫度檢測端輸出電壓值為56%Vcc，即1.848 V；熱敏電阻在高溫90 ℃時，溫度檢測端輸出電壓值為36.6%Vcc，即1.207 8 V。NTC在20 ℃時標稱阻值RNTC_20 ℃為10 kΩ，溫度系數常數β為4 200。上拉電阻R1為20 kΩ，根據以上選定參數確定出電阻網絡中R2和R3的阻值。

圖5 車載無線充電接收端溫度檢測電路

由公式(8)可得NTC分別在低溫5 ℃和高溫90 ℃時的阻值：

RNTC_T=RNTC_20 ℃eβ(1/T-1/293)

(8)

RNTC_5 ℃=RNTC_20 ℃eβ(1/T5C-1/293)=10e4 200(1/(5+273)-1/293)=21.672 kΩ

RNTC_90 ℃=RNTC_20 ℃eβ(1/T90C-1/293)=10e4 200(1/(90+273)-1/293)=630.25 Ω

由公式(9)和(10)可得R2和R3的阻值：

(9)

(10)

由此確定整個溫度檢測電阻網絡的全部參數：R2=8.6 kΩ，R3=100.5 kΩ，以滿足車載無線充電過程符合“Qi”標準的溫控要求。

3 結論

基于電磁感應原理，依照“Qi”標準規范設計了車載無線充電方案。該系統包含了高頻逆變電路、諧振電路、通信信號調制電路和故障檢測電路4個組成部分。使用高效穩定的全橋逆變電路，以滿足車載電子設備的能效要求。同時針對發送端和接收端的工作特點，采用了對應的諧振補償電路，提高了整個接發系統的傳輸能力。為了實現能量傳送和充電信息的同步，接收端運用了高品質因數的電容式信號調制電路，建立從接收端到發送端的單向無線通信鏈路。最后依照“Qi”標準要求，配備了輸入輸出功率檢測和溫度檢測電路，使得發送端可以判別是否有外來物體出現在電磁耦合路徑內，并同時監控整個充電過程的溫度變化，使車載無線充電系統具備更高級別的安全性。