一种带负载识别的多负载无线充电系统设计

戴英花，董林玺

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)



一种带负载识别的多负载无线充电系统设计

戴英花，董林玺

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

针对手机等便携式设备无线充电的需求及便利性，提出了一种基于脉冲检测的支持多负载的无线充电系统.采用施加脉冲检测波的方式对线圈进行扫描，以识别负载状态，减少空载损耗，提高系统效率.为验证系统方案的可行性，制作了实物样机.实验结果表明，样机可以同时给2个手机充电，充电具有更大的空间位置自由性，待机功耗仅为0.2 W.

无线充电；多负载；感应耦合电能传输；负载识别

0　引　言

磁感应耦合式无线充电技术的出现，实现了用电设备和供电电源之间电能的无接触传输[1]，并广泛应用于各个实用领域，例如便携式设备无线充电器[2]、植入式医疗设备体外无线供能[3]、新能源电动汽车无线充电[4]等.市面上成熟的无线充电产品主要给单个便携式设备进行无线充电，考虑到产品的易用性，必须将无线充电技术推广到2个及以上的多个便携式设备的充电情况，同时还需要考虑充电摆放位置的自由性问题[5].因此，本文设计的多负载无线充电系统，能够实现负载状态的自动检测，仅当负载存在时，执行充电操作，移开负载或电池充满情况下自动进入待机状态，从而降低待机功耗，提高了电能的转化效率.此外，本充电平台在空间摆放上具有更大的位置自由性.

1　系统工作原理

多负载无线充电系统主要由无线充电发射端和多个无线充电接收端两个部分组成.发射端由直流供电电源、功率驱动电路、高频全桥逆变电路、发射线圈构成.接收端由接收线圈、功率变换电路和负载构成.系统结构框图如图1所示.发射端采用ATmega16做主控芯片完成驱动信号的产生和负载识别的控制，全桥逆变模块驱动发射线圈阵列.接收端接收电能后通过整流、滤波和电压调节向负载端供电.

2　理论分析

2.1原副边线圈设计及谐振补偿电容的选取

对于多负载的充电平台，需要设计1个面积适当且磁场均匀分布的原边发射线圈.就磁场分布上而言，对于螺旋线圈，磁场最强的部分在线圈中心，沿半径向线圈边沿逐步减弱.为了获得均匀的磁场场强，根据磁场叠加原理，采用弱磁场场强区域与强磁场场强区域叠加的方法，将3个绕组在空间上排列成两层的方式实现.原边A6线圈由Litz线绕制而成，可以有效地减少邻近效应和集肤效应.副边线圈采用单个平面螺旋跑道形状PCB线圈.

原边线圈的结构示意图如图2(a)所示，使用HFSS电磁场仿真工具，对上述结构进行仿真，距离线圈高度为5 mm时产生的垂直方向磁场如图2(b)所示，可以看出在原边线圈上方磁场近似均匀，满足设计要求.原副边线圈参数如表1所示.

图1　系统结构框图

长度/cm宽度/cm圈数自感/μH互感/μH耦合系数原边4.5(单个)5.312左12.5,中11.5,右12.53.63.6副边43174.5--

图3　电容补偿结构

2.2互感对充电性能的影响分析

(1)

由式(1)计算得到单个接收负载谐振时的系统能量传输效率为：

(2)

当同时给2个接收负载充电时，其互感等效电路如图4(b)所示.Rs1，Rs2分别为2个副边接收线圈内阻，RL1，RL2分别为负载1、负载2的电阻，Ip，I1，I2分别为原边和2个副边接收线圈电流.M1，M2分别为原边线圈与副边接收线圈1、副边接收线圈2之间的互感.同理可得：

(3)

由式(3)计算得到两个接收负载谐振时的系统能量传输效率为：

(4)

图4　互感等效电路图

为了具体分析互感系数对充电性能的影响，选取其他因素为常量.根据系统实际情况选定常量参数如下：工作频率f0=180 kHz，原边线圈内阻Rp=2 Ω,考虑2个接收负载参数相同，即副边线圈内阻Rs1=Rs2=5 Ω,负载电阻RL1=RL2=5 Ω.分析结果如图5所示.

(a)互感系数对充电电流的影响　　　　　　　(b)互感系数对传输效率的影响图5　互感系数对充电性能的影响

由图5可以看出，随着互感的增大，系统的充电电流存在极大值，M在3～4 μH之间时，充电电流最大；同时随着互感的增大，系统传输效率随之增大.另外，相对于单个负载的系统，带两个负载的充电电流和传输效率都会相应减小.

3　系统硬件设计

3.1高频逆变电路设计

原边线圈驱动采用3路独立的全桥逆变电路，通过选通信号COIL_1，COIL_2和COIL_3控制逆变电路的工作状态，选通信号由MCU输出.其中1路全桥逆变电路的连接如图6所示，Q1，Q2，Q3，Q4构成全桥逆变电路，由MCU产生PWM控制信号控制MOS管的导通和截止，Q1，Q4导通时，Q2，Q3截止；Q2，Q3导通时，Q1，Q4截止.驱动芯片TPS28225内置14 ns的自适应死区时间，使得上下2个桥臂的MOS管不能同时导通.当负载置入系统时，负载阻抗变大，原边电流增大，电流检测电阻R4上的反馈电压经放大后送到MCU，MCU通过反馈电压的大小来判断是否有负载存在.

图6　高频逆变电路图

3.2副边接收电路

为了便于便携式设备充电使用，需要接收模块的体积做到尽可能的小.本文选用TI公司的锂电池无线充电管理芯片BQ50013，AC/DC转化效率高达93%，集成包括同步整流、电压调节和锂电池充电管理功能，只需简单的外围电路就可以实现功率转换，并能输出5 V直流电压直接给手机等便携式设备供电.若副边PCB线圈和接收模块电路采用FPC工艺制作，厚度可以做到很薄，置于手机壳内使得手机放到平台上即可充电.单个接收端电路连接如图7所示.

4　系统工作过程

为了减少待机功耗，提高电能转化效率，本文采用施加脉冲检测波和定时线圈扫描的方式检测负载是否存在，相对于使用RFID检测[6]和数字通信的方法，这种控制方法更简单.在待机模式下，MCU每隔0.5 s发送一次脉宽为140 μs的脉冲PWM波，从而形成交互磁场嗅探是否有无线充电接收负载置入.若有负载置入，改变脉冲波为同频率PWM波，进入充电模式，然后扫描线圈以确定负载线圈的位置，即确定相对应原边电流是否大于设定的阈值，根据负载位置信息使能对应线圈的全桥逆变驱动电路，给置入的接收负载供电.当接收负载移除或电池充满，原边电流减小，即所有原边电流都小于设定阈值，停止供电进入待机模式.系统工作过程如图8所示.

图7　接收端电路图

图8　系统软件控制策略

5　样机实验结果

样机采用5 V/2.5 A的适配器供电，其中为了测量输出电流，加入ASC8513锂电池充电管理Demo板进行效率测试.样机的主要技术性能指标如表2所示，测试波形如图9所示.

表2　主要技术性能指标

图9　测试波形图

图10　样机实物图

图9中、图9(a)为待机模式下输出的脉冲检测波，图9(b)为充电模式下全桥变电路的上下2个桥臂上的驱动波形，图9(c)、(d)分别为原副边线圈上的电压波形和最终输出充电电压波形.样机的实物图如图10所示.

6　结束语

本文提出一种基于脉冲波检测的多负载无线充电方案，采用施加脉冲检测波的方式对线圈进行扫描，以识别负载状态，从而根据负载的情况切换工作状态，以实现待机功耗的降低和系统效率的提高.文中所设计的样机可以用于两部手机同时充电，具有较好的应用价值.

[1]DANG Z, ABU QAHOUQ J A.Range and misalignment tolerance comparisons between two-coil and four-coil wireless power transfer systems [C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC).Charlotte NC:IEEE,2015:1234-1240.

[2]YUN Y, BOON H S, SELVA R, et al．Palm Size Charging Platform With Uniform Wireless Power Transfer[C]//2010 11th International Conference on Control Automation Robotics & Vision (ICARCV).Singapore:IEEE, 2010: 85-89.

[3]MIRBOZORGI S A, BAHRAMI H, SAWAN M, et al.A Smart Multicoil Inductively Coupled Array for Wireless Power Transmission[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2014,61(11):6061-6070.

[4]QUALCOMM H.Wireless charging for electric vehicles[EB/OL].[2013-06-20].http://www.qualcomm.com/solutions/wireless-charging/qualcomm-halo#n_home-intro．

[5]孙轩.非接触式手机充电平台的设计[D].杭州：浙江大学，2010.

[6]荆晓博，陈启军.基于RFID技术的多负载无线供电系统研制[J].现代科学仪器，2007(4)：43-45.

Design of a Multiple-loads Wireless Charging System with Identification

DAI Yinghua, DONG Linxi

(KeyLoboratoryofRFCircuitandSystemMinistryofEducation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

A multiple-loads wireless charging system based on impulse detection technology was proposed for the requirement and convenience of portable consumer electronic products. The coils are scanned by applying a pulse detection wave to identify the load status; it can reduce the standby loss and improve the efficiency of the system. In order to verify the feasibility of the system, an experimental prototype has been made. The experimental results indicate that the experimental prototype can charge two mobile phones at the same time, and it has more spatial position freedom in charging process. The standby power consumption of it is only 0.2 W.

wireless powering; multi-load; inductively coupled power transfer; load identification

10.13954/j.cnki.hdu.2016.01.005

2015-06-09

戴英花(1990-)，女，安徽黄山人，硕士研究生，无线电能传输.通信作者：董林玺教授，E-mail:donglinxi@hdu.edu.cn.

TN86

A

1001-9146(2016)01-0021-06