基于電磁感應(yīng)原理的手機(jī)無線充電技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用

鄭長波

（珠海市理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校 廣東省珠海市 519100）

目前很多手機(jī)廠商都支持手機(jī)無線充電技術(shù)，例如華為、小米、oppo、vivo等一線品牌手機(jī)都有了自己的無線手機(jī)充電產(chǎn)品，這些手機(jī)背部都內(nèi)置了接收線圈，確保了無線充電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。但是很多二、三線品牌手機(jī)不支持無線充技術(shù)，本文運(yùn)用IP6808芯片設(shè)計(jì)了一款手機(jī)無線充電系統(tǒng)，采用的是電磁感應(yīng)方式作為本次設(shè)計(jì)的主要方案，從而實(shí)現(xiàn)了手機(jī)的無線快充功能。

1 電磁感應(yīng)無線充電原理

1831年，科學(xué)家邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了磁與電之間的相互聯(lián)系以及轉(zhuǎn)化關(guān)系。電磁感應(yīng)現(xiàn)象的產(chǎn)生條件有兩點(diǎn)（缺一不可）：

（1）閉合回路。

（2）穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。

第一個條件，手機(jī)內(nèi)部電池有閉合的充電電路，這個回路可以實(shí)現(xiàn)電池的正常充電、放電，所以閉合回路條件滿足。第二個條件，磁通量發(fā)生變化。根據(jù)公式得知：磁通量φ=磁場B×有效面積S。我們知道有效面積S是一個實(shí)實(shí)在在的物理量很難改變，所以只能靠改變磁場強(qiáng)度來確保磁通量的改變。產(chǎn)生磁場的方式有兩種，一種是磁鐵，一種是電流。變化的電流，可以產(chǎn)生變化的磁場。通俗的講，電能生磁，磁也能生電，我們可以設(shè)計(jì)一個電流不斷變化的電路，實(shí)現(xiàn)磁場的不斷變化，進(jìn)而得到一個變化的磁場。

2 發(fā)射線圈和接收線圈的設(shè)計(jì)

為了盡可能的降低制造成本，我們將發(fā)射線圈和接收線圈設(shè)計(jì)成圓形，為什么不設(shè)計(jì)成長方形或者平行四邊形呢？我們以長方形和圓形做比較：一個長度為πr，寬度為r的長方形，其面積為S=πr2；一個半徑為r的圓形，其面積為 S=πr2。兩種形狀在面積相等的情況下，長方形所用材料周長L=2πr+2r，圓形所用材料周長L=2πr；

結(jié)論：從生產(chǎn)成本考慮，同等面積下，圓形所用材料最節(jié)省，所以我們的發(fā)射線圈和接收線圈形狀全部采用圓形設(shè)計(jì)。

關(guān)于材料的選擇問題，為了盡可能的提高手機(jī)無線充電的效率，降低輻射損耗，線圈的材料采用多股的細(xì)漆包線繞成，發(fā)射線圈和接收線圈的距離最好在幾個厘米以內(nèi)，這樣可以降低磁通量能量損耗。

3 手機(jī)無線充電電路設(shè)計(jì)

為了增加設(shè)計(jì)電路的邏輯性，首先通過框圖的方式設(shè)計(jì)出電路的總體框架，然后根據(jù)電路原理一步一步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各功能，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1：無線充電設(shè)計(jì)框圖

原理如下：220V的交流電通過橋式整流電路變成直流電，然后通過電容濾波作用變成脈動直流電，脈動直流電在高頻逆變開關(guān)電路基礎(chǔ)上變成高頻可變的交流信號，再通過高頻RC振蕩電路經(jīng)過發(fā)射線圈發(fā)射出去。發(fā)射出來的高頻交流信號在接收線圈里產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流，再通過整流、濾波、穩(wěn)壓、恒壓充電電路，給手機(jī)充電，完成電路設(shè)計(jì)。

3.1 整流濾波電路設(shè)計(jì)

整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娮兂芍绷麟姷倪^程。常見的整流濾波電路由半波整流電路、全波整流電路、橋式整流電路三種。

綜合考慮，選用經(jīng)典的橋式整流電路。橋式整流電路不但克服了全波整流的不足，而且充電效率是半波整流的一倍，需要注意的是濾波電容為了達(dá)到較好的濾波作用，要盡可能的選用容量較大的電解電容。

3.2 高頻逆變電路設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，兩個感應(yīng)線圈要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢必須有變化的磁通量。因此需要設(shè)計(jì)高頻逆變電路，產(chǎn)生不斷變化的電流，這是整個無線充電電路設(shè)計(jì)的核心。常用的高頻逆變電路由半橋式逆變電路、全橋式逆變電路、單端式逆變電路，從充電效率出發(fā)，我們采用全橋式逆變電路。此電路是整個手機(jī)無線充電的核心電路，它是由全橋電路和諧振電路構(gòu)成。如圖2所示。

圖2：高頻逆變電路設(shè)計(jì)

其中4個mos管構(gòu)成全橋逆變電路，充電線圈L與4個NPO電容組成LC震蕩電路。4個mos管被芯片IP6808控制，其中Q2、Q3導(dǎo)通時，Q1、Q4，截止，反之Q1、Q4導(dǎo)通時，Q2、Q3截止，芯片IP6808控制四個mos管的導(dǎo)通時間，就可產(chǎn)生變化的電流。

下面講一下IP6808芯片的工作原理及作用，IP6808芯片是一款無線充電發(fā)射端控制芯片，支持5W、蘋果7.5W、三星10W快充，兼容WPC、Qi v1.2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 IP6808通過analog ping檢測到無線接收器，并建立與接收端之間的通信，則開始功率傳輸。

3.3 充電協(xié)議介紹

現(xiàn)在國際上普遍認(rèn)同的協(xié)議有QI協(xié)議和WPC協(xié)議，這個協(xié)議的目的是實(shí)時的將手機(jī)接收端的電流接收情況反饋給無線電發(fā)射端，當(dāng)手機(jī)充電完成后，發(fā)射端檢測到電池充滿信息，及時終止無線電發(fā)射端的工作。

3.4 電壓預(yù)解調(diào)電路

無線電能傳輸，需要遵循QI協(xié)議，接收端通過發(fā)送ASK信號給發(fā)射端系統(tǒng)，以此來控制發(fā)射端系統(tǒng)是否繼續(xù)供電的可能。基于此，電壓采樣電路除了具有實(shí)時匯報功能以外，還有電路保護(hù)功能，IP6808芯片可以根據(jù)電壓采樣值，迅速對外圍硬件做出反應(yīng)，起到保護(hù)作用。設(shè)計(jì)圖如圖3，加載著ASK信號的高頻信號，經(jīng)過D3二極管到達(dá)RC濾波電路，實(shí)現(xiàn)了一個簡單低通濾波器的功能。C18和C20兩個隔直電容將信號送到IP6808芯片的兩個端口，通過芯片內(nèi)部的運(yùn)算放大器的放大，將比較器分離出來的0和1電平送到芯片模塊解析，通過檢測線圈的電壓值達(dá)到控制發(fā)射系統(tǒng)的目的。

圖3：電壓、電流預(yù)解調(diào)電路原理圖

3.5 電流預(yù)解調(diào)電路

無線電能傳輸，務(wù)必確保發(fā)射端和接收端實(shí)時通信，做到精準(zhǔn)對接，所以在設(shè)計(jì)電路的時候增加了電流解調(diào)電路，此電路通過一個非常非常小的R11電阻對電流信號進(jìn)行采集完成電流采樣，確保IP6808芯片的工作安全，電路示意圖如圖3所示。

3.6 溫度檢測電路設(shè)計(jì)

因?yàn)榫€圈是電感元件，所以設(shè)計(jì)NTC溫度檢測電路和LED指示電路，確保電路可以正常工作，在手機(jī)充電充滿后LED指示燈可以給出相應(yīng)的指示。

3.7 FOD異物檢測

無線電充電技術(shù)的發(fā)展和成熟，使該技術(shù)在眾多場合得以應(yīng)用，本電路設(shè)計(jì)引入IP6808芯片，它能夠自動識別異物檢測，為電路的成功設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

3.8 手機(jī)接收端電路設(shè)計(jì)

手機(jī)無線充電接收模塊由接收線圈、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓管、IP6808構(gòu)成恒壓充電電路、以及LED指示電路構(gòu)成。

原理如下：L2是次級耦合線圈，通過電磁感應(yīng)原理，高頻交流信號從發(fā)射線圈無線傳輸?shù)浇邮站€圈L2 ，通過四個二極管整流，經(jīng)過C4、C5 電容濾波，D5穩(wěn)壓后形成5V直流恒定電壓。同時，IP6808外圍電路組成恒壓充電電路給鋰電池進(jìn)行充電，芯片接收端的電量情況實(shí)時反饋給高頻逆變電路，確保在電池充滿的情況下，電池發(fā)射端停止供電，確保發(fā)射端與接收端的信息共享。

3.9 IP6808程序錄入電路設(shè)計(jì)

IP6808芯片是可以寫入程序的，我們可以通過程序控制全橋逆變電路4個場效應(yīng)管的通斷時間，以及完成手機(jī)充電通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)，確保發(fā)射端和接收端的信號可以實(shí)時通信。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用IP6808芯片完成設(shè)計(jì)任務(wù)，其中高頻逆變電路是核心，這個電路的成功設(shè)計(jì)保證了無線電能傳輸?shù)目尚行浴Ｍㄟ^理論與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)合，確保了無線充電系統(tǒng)的可靠性。本設(shè)計(jì)著眼實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)用芯片技術(shù)提高了無線充電的效率問題，具有重要的研究意義。