低功耗车载的手机无线充电设计

刘正全，邓亮，王金磊，薛蔚平，徐健

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213000)

0 引言

目前乘用车的手机充电方式主要是将车上12 V电压转成5 V恒压输出的有线充电模式，不仅很不方便而且也存在着安全隐患。为了解决上述问题，作者将无线充电技术应用于车载充电，提出了安全高效的车载手机无线充电方案，给用户带来更好的体验。无线充电方式一般有4种：电磁感应式、电场耦合式、磁共振式和无线电波式。手机电池的标准电压为3.82 V，额定容量2 500～3 500 mA·h，充电电流一般设定为2 A，系统充电输出功率为10 W。这种应用完全符合无线充电联盟基于电磁感应方式所制定的“Qi”充电标准[1]的要求，所以车载无线充电方案采用电磁感应方式是合理的。

1 电磁感应车载无线充电的原理

电磁感应无线充电原理是在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈TX连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈RX感应发送端的电磁信号进而产生电流给电池充电，TX与RX两个线圈之间的距离一般需要小于8 mm，并且两个线圈的中心必须完全吻合，否则会使传输效率急剧下降。

依照无线充电联盟“Qi”的标准，车载无线充电系统中输出电压调节由一个全局数字闭环控制，接收端与发送端进行定时通信，对充电输出的变化进行动态响应[2]。该通信是一种通过反向散射调制从接收端到发送端的单向反馈。在反向散射调制中，接收端线圈会根据充电负载的变化，随之改变通过发送端线圈的电流大小。车载无线充电系统对这些电流变化进行监控，并解调成收发两个设备协同工作所需的信息。车载无线充电功能结构图如图1所示。

图1 车载无线充电功能结构图

2 电力发送端与接收端的电路设计

2.1 车载发送端高频逆变电路

车载无线充电方案使用全桥逆变电路，该电路由4个开关MOSFET管组成，每个开关管承受的电压为输入电压的一半，可以直接通过对开关管的控制来实现输出功率大小的调节。该电路转换效率高、易于控制、功率密度大，也符合车载电子设备的能效要求。

图2 全桥式逆变电路

2.2 车载无线充电系统谐振网络

车载无线充电系统发送和接收端线圈之间会存在一层1.85 mm的ABS塑料外壳，使得两个耦合线圈之间的磁路漏感变大、耦合系数变低，系统的传输效率降低。

为了解决上述问题，采用谐振技术对发送和接收耦合线圈进行补偿，不仅可以减少器件上的电流和电压应力，延长电子器件的使用寿命，而且可以减少系统中的无用功，提高整个系统的传输效率和传输能力[3]。此设计中，补偿电容和耦合电感串联，电容电压对电感压降进行补偿，同时电源电压最大限度地加在阻抗两端，使工作频率不会随负载的变化而变化。接收端采用串联和并联谐振补偿相结合的电路结构，这样既能获得更大的电感电流又能保持输出电压的稳定。系统的谐振网络拓扑结构如图3所示。

图3 谐振网络拓扑结构

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

(1)

(2)

(3)

根据公式(4)计算得出在fD频率下接收端线圈的品质因素，其中R为该线圈的直流阻抗：

(4)

Q>>77，该谐振网络满足车载设计的具体要求。

2.3 车载通信信号调制电路

为了将手机电池的充电状态实时反馈到车载发送端，以便发送端通过调整发送频率来控制电能输出，需要在两者之间建立从接收端到发送端的无线单向通信路径。

接收端通过拾取发送端的电能来实现传输信号的调制，该调制过程会引起发送线圈电流的变化，发送端即可检测发送端线圈的电流幅值来解调信号。车载无线充电系统的接收端耦合线圈两侧并联两个调制电容，这两个电容并入或脱开由调制信号驱动的MOSFET控制，使谐振曲线发生偏移，从而改变发射线圈的电流幅值。当两个调制电容并入接收端耦合线圈时，逻辑状态为0；当两个调制电容与接收端耦合线圈脱开时，逻辑状态为1，如图4所示。

图4 电容式调制电路

2.4 车载无线充电故障检测电路

当有外来金属物体存在于发送线圈和接收线圈之间时，会导致传输能量的严重损失或者系统发热量异常。所以依照“Qi”标准的要求，监控电能无线传输过程中有可能发生的异常状况，需要对输入输出功率和系统温度进行检测。当输入输出功率之间的差值低于允许阈值时，或者系统温度不在允许区间内时，需要立即让无线充电系统停止工作，并发出故障提示，保证整个充电设备的安全。

由采样到的输入输出电压电流值，可以根据公式(5)、(6)和(7)精确计算出输入输出功率Pin、Pout和两者之间的差值ΔP：

Pin=Uin·Iin

(5)

Pout=Uout·Iout

(6)

ΔP=Pin-Pout

(7)

在发送与接收两线圈中心完全耦合时且两者间隙为3 mm的实际应用情况下，对ΔP的阈值进行标定。测得输入电压为12 V，输入电流为1.1 A；输出电压为5 V，输出电流为1.85 A。

由公式(7)可知:

ΔP=Pin-Pout=12×1.1-9.25=3.95 W

同时器件差异和耦合间隙公差会引入±5%的ΔP变化，即ΔP∈[3.75 W,4.15 W]，也就是输入输出之间的传输效率ηP∈[68.56%,71.59%]，当输出效率低于68.56%时，即停止发送。

温度检测由热敏电阻NTC及相应的电阻网络构成，如图5所示。热敏电阻设置在发热源区域，并定义了低温5 ℃和高温90 ℃两个阈值点，为无线充电提供了一个较为安全的工作温度范围。热敏电阻在低温5 ℃时，温度检测端输出电压值为56%Vcc，即1.848 V；热敏电阻在高温90 ℃时，温度检测端输出电压值为36.6%Vcc，即1.207 8 V。NTC在20 ℃时标称阻值RNTC_20 ℃为10 kΩ，温度系数常数β为4 200。上拉电阻R1为20 kΩ，根据以上选定参数确定出电阻网络中R2和R3的阻值。

图5 车载无线充电接收端温度检测电路

由公式(8)可得NTC分别在低温5 ℃和高温90 ℃时的阻值：

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)

由此确定整个温度检测电阻网络的全部参数：R2=8.6 kΩ，R3=100.5 kΩ，以满足车载无线充电过程符合“Qi”标准的温控要求。

3 结论

基于电磁感应原理，依照“Qi”标准规范设计了车载无线充电方案。该系统包含了高频逆变电路、谐振电路、通信信号调制电路和故障检测电路4个组成部分。使用高效稳定的全桥逆变电路，以满足车载电子设备的能效要求。同时针对发送端和接收端的工作特点，采用了对应的谐振补偿电路，提高了整个接发系统的传输能力。为了实现能量传送和充电信息的同步，接收端运用了高品质因数的电容式信号调制电路，建立从接收端到发送端的单向无线通信链路。最后依照“Qi”标准要求，配备了输入输出功率检测和温度检测电路，使得发送端可以判别是否有外来物体出现在电磁耦合路径内，并同时监控整个充电过程的温度变化，使车载无线充电系统具备更高级别的安全性。