無線充電技術在消費電子產品中的設計與應用

2021-07-02 10:51:16何明超

通信電源技術 2021年5期

何明超

（英華達（上海）科技有限公司，上海 201114）

1 概述

無線充電技術源于無線電力輸送技術，根據傳輸功率可分為小功率無線充電和大功率無線充電[1]。小功率無線充電一般用于體積較小的設備，如手機、充電盒以及其他手持設備等。大功率無線充電是指通過大功率方式對電池進行感應充電，目前，大功率無線充電應用最多的是汽車行業[2]。

無線充電又稱作非接觸式感應充電，是利用近場耦合感應，由供電設備將能量傳送至用電裝置，該裝置使用接收到的能量對電池充電[3]。隨著集成電路的微型化和無線充電技術的日趨成熟，未來無線充電將會得到更加廣泛的應用。目前無線充電已經新型電子產品的標配之一。

2 無線充電技術的種類

目前無線充電主要包括電磁感應充電、磁共振充電以及無線電波充電3種。

2.1 電磁感應充電

一個交變電流通過一個感應線圈（初級線圈），隨著交變電流幅度不斷變化，磁場強度也會隨之增強，便攜式設備中的第二感應線圈（接收線圈或次級線圈）中會產生交流電，然后利用整流器將交變電流轉換成直流電為電池充電或提供工作電源[4]。該方式簡單高效、安全可靠、功率可擴展且較為成熟，但受制于傳輸空間和傳輸距離，充電時需要近距離操作，只能一對一充電，無法進行一對多充電。

2.2 磁共振充電

共振無線充電依靠高頻振蕩磁場以相同諧振頻率運行的兩個線圈之間傳遞能量。單個初級線圈可以為多個設備同時充電。該技術比電磁感應技術復雜，效率較低[5]。其優點在于充電空間不受限制，充電自由，傳輸距離可達數米，適合較遠距離充電，支持一對多充電[7]。但該充電方式較高的功率會對周圍環境造成比較大的電磁干擾，傳輸效率較低。

2.3 無線電波充電

電磁波可以用來傳遞信息，理論上只要電磁波的頻率夠高，就可以傳輸能量[6]。無線電波充電是通過發射電磁波信號的方式進行能量傳輸。和磁共振類似，無線電波充電空間不受限制，充電自由度高，傳輸的距離遠，并且支持一對多充電。但其需要更大的功率，輻射較大，傳輸效率也比較低。

因此，綜合考慮傳輸效率、成本以及對環境的影響等因素，消費電子產品基本上采用的都是磁感應技術。

3 磁感應充電原理及應用

3.1 電磁感應及能量傳輸原理

交變電流在經過一個線圈時會生成一個變化的磁場，變化的磁場能夠產生電動勢，根據這些原理可以通過兩個線圈來實現能量的轉換[8]。將初級線圈與輸入電源連接，并且將次級線圈連接到外部電路。由于初級電流是交變的，因此鐵芯內的磁通量會連續變化，并且次級線圈中變化的磁鏈會在次級電路中感應出交流電壓和電流[9]。

3.1.1 能量傳輸

磁感應能量傳輸如圖1所示。

圖1 磁感應能量傳輸

耦合無線充電技術使用磁感應將功率從發射器（Tx）傳輸到接收器（Rx）。磁場是由Tx側的初級線圈產生的，由次級線圈Rx端捕獲。磁場通過空氣進行無線傳輸，沒有磁路連接兩個線圈。在將電信號提供給負載電路之前，需要對接收到的電信號進行整流、濾波以及調制解調處理。

3.1.2 磁場的能量控制與調節

磁感應磁場能量控制與調節如圖2所示。

圖2 磁感應磁場能量控制與調節

為了實現對該磁場的控制與調節，可以使用LC諧振電路更改振蕩器頻率、更改振蕩器占空比（使用方波振蕩器）、改變振蕩器電壓以及對全橋振蕩器施加相移等。

3.1.3 能量的發射與接收

圖3為Tx和Rx的能量傳輸示意圖。

圖3 Tx和Rx的能量傳輸

由于變量太多（Rx/Tx耦合、Rx和Tx線圈以及負載等）Tx無法自行設置調節點，那么就需要一個從Rx到Tx的通信交流通道幫助Rx將有關調節設定點的數據發送給Tx。此通信通道也可以用于輔助目的，并擴展到雙向通信。

3.1.4 Rx負載檢測及異物檢測FOD

圖4為Rx負載檢測及異物檢測示意圖。

圖4 Rx負載檢測及異物檢測

從圖4可知，左端電路發射端會定期產生一個磁場，來檢查是否存在一個負載并消耗能量。

右端電路根據QI標準使用功率平衡的方法來估算是否存在異物，如果Tx發射的功率遠遠大于Rx接收到的功率，則可以判斷為存在異物。

3.2 無線充電器原理

基于磁感應原理可以設計出一個無線充電器為電子產品進行充電。無線充電器主要由電源管理模塊、發射電路模塊、接收電路模塊以及充電電路模塊構成，如圖5所示[10]。

圖5 無線充電器系統方框圖

輸入端可以是220 V交流電或24 V直流電直接供電。當輸入端是220 V交流電時，會經過一個橋式整流電路將交流電轉換成直流電供給電源管理模塊，之后再經過發射電路中的高頻振蕩電路和高頻放大電路供給初級線圈。通過初級線圈和次級線圈的耦合，次級線圈接收初級線圈傳送的電流，再將接收的電流通過接收電路轉換成直流電，從而對電池進行充電。

3.2.1 發射電路

圖6是一個簡單的發射電路，電壓V1為直流電壓，如果此發射模塊由交流電源供電，則V1是經過整流和濾波之后的直流電壓。L1是初級線圈，M1是開關元件，線圈中會形成交流電流，L1和C1形成一個諧振電路，從而能夠提供正弦電流。

圖6 發射電路圖

用上面的發射電路和接收模塊進行仿真時，可以得到初級線圈中的電流波形為一個正弦波，如圖7所示。

圖7 初級線圈中電流波形為一個正弦波

3.2.2 接收電路

接收電路模塊包括次級線圈、諧振電路、整流器以及充電IC。圖8是一個使用LTC4120作為主控制器的接收電路。一旦IC引腳變為低電平，L2和C2將形成一個串聯諧振器，而C4將形成一個并聯諧振器。對次級線圈接收到的交變信號進行濾波、整流以及穩壓處理，最終輸出一個穩定的直流電給電池充電。

圖8 接收電路圖

根據上圖接收電路和圖6發射電路進行仿真模擬，得到的Vout電壓波形如圖9所示。

圖9 Vout電壓波形圖

3.2.3 無線充電傳輸功率

在無線電力傳輸系統中，功率傳輸基于發射電路初級線圈中產生的交流電流會在次級線圈中通過互感M產生一個交變電流，無線功率傳輸如圖10所示。

圖10 無線功率傳輸

假設k為耦合系數，那么：

假設n是線圈匝數比，那么它等于接收電路次級線圈的匝數nR除以發射電路初級線圈的匝數nX，即：

匝數比與次級線圈電感LR和初級線圈電感LX之比的二次方根成正比關系。在無線傳輸系統中，初級線圈中的交變電流I與互感產生的次級線圈中的交變電流IR的關系為：

耦合系數是一個變量，它的值取決于初級線圈和次級線圈的方向和距離。在基于LTC4120的典型無線充電系統設計中，k值一般在0.18（10 mm線圈距離）和0.37（3 mm線圈距離）左右變化。由于LX和LR的阻抗很低，即使在耦合比很低的情況下，傳輸效率依然很高，如圖11所示。

圖11 耦合系數k隨距離的變化

4 設計與應用

隨著集成電路技術和新型材料的不斷創新發展，各種電子產品逐漸向小型化、智能化以及多功能化的方向發展，無線充電技術同樣也得到了集成化發展。圖12是一個無線藍牙耳機充電設計方塊圖。

圖12 TWS耳機盒方塊圖

本設計采用了兩種充電方式，除了無線充電外還可以通過USB口進行充電,采用QI標準的無線充電器都可以對其進行充電。該耳機盒內置一個無線線圈，作為接收電路的一部分，在進行無線充電時通過磁感應接收能量，線圈通過兩個濾波電容接到一個無線充電管理IC，也叫無線充電接收器。通過無線接收器進行整流，將交流電轉換成直流電，再通過內部的LDO輸出一個穩定的直流5 V電提供給電池充電管理IC，從而實現對電池的充電。

圖13是ST公司開發的一顆無線充電接收器（STWLC68）方塊圖。STWLC68是一顆適用于便攜式電子設備的高集成無線功率接收芯片，可對接收線圈接收到的交流電壓進行整流。該芯片支持Qi 1.2.4感應無線標準通信協議，可以提供高達5 W的輸出功率。由于集成了最大支持27 V的低損耗整流器，系統整體傳輸效率最高可達80%。芯片內部帶有輸出電流和輸入電壓控制環路的低壓差線性穩壓器，可以為后端電路提供一個穩定的直流電壓。

圖13 STWLC68方塊圖

線圈接收的交變信號通過AC1，AC2輸入給IC內部的同步整流器，再經過內部的主線性穩壓器輸出一個穩定的5V直流電壓VOUT，從而實現將交流電轉換成直流電。

4.1 同步整流器

STWLC68的同步整流器是將接收線圈接收到的交流功率轉換成直流電的一個關鍵模塊，由4個N-channel MOS管組成，構成一個H橋，方便由一個控制塊驅動，該控制塊監控AC1和AC2引腳的電壓，以優化換向并為外部自舉電容CRECT充電。

4.2 主線性穩壓器

STWLC68的主線性穩壓器可確保恒定的電壓輸出，且功率損耗很小。主線性穩壓器具有3個獨立的控制回路來保證功率的傳輸。一是輸出電壓調節環路，該環路將輸出電壓控制為寄存器設置的標準值。二是輸入電流調節回路，為了防止同步整流器的輸出崩潰，流經線性穩壓器的電流限制為固定的1.5 A。三是輸入電壓調節回路，該回路配合輸入電流協調工作，避免VREC電壓下降過低。同時，為了確保主線性穩壓器穩定運行，需要在穩壓器的輸出端（VOUT）接一個大于20 μF的濾波電容（COUT）。