无线移动电源设计

安 逸，戴哲浩，陈文轩，曹玲娟，李祖昆

(华北理工大学信息工程学院,河北 唐山 063000)

0 引言

移动电源(充电宝)是出行不可或缺的随身电子产品。科技不断发展，人们对电子产品的依赖越来越强。电子产品对电能的消耗不断增加，导致电子产品的续航得不到保证。一些年前，人们面对这个问题，设计并实现了移动电源。而现在，电子产品推陈出新，不少电子产品都支持无线充电，不仅如此，有的产品只能靠无线供电充电，传统的移动电源已经不能满足这一需求，为此，我们提出一种无线移动电源方案，在原有的有线充电功能上拓展无线充电功能[1]。

1 应用情况

从奥斯特电流磁效应，到法拉第电磁感应，我们认识到电与磁不可分割的关系。后有麦克斯韦方程组，继承和拓展了电磁理论。再后来，有特斯拉的沃登克里弗塔，一次对远距离电能传输的大胆尝试。在老一辈的科学家里，无数人痴迷着对电与磁的研究，而近些年来，无线充电不断发展，已经具备实际意义。2001年，夏普发布了世界上第一款无线充电的手机，开始了无线充电在手机的逐渐普及。2015年三星发布了支持无线充电的GalaxyS6和S6 edge。2017年，iPhone全系列跟进无线充电技术，无线充电真正进入了大众的视野[2]。

2 硬件设计

如图1所示，由单片机控制的逆变电路，将锂电池产生的直流电转化成交流电，交流电流通过线圈产生交变磁场，在接收设备端发生电磁感应，次级线圈产生电动势，完成能量传输。

图1 系统框图

由IP5306作控制电路，使外围电路做到简单。再配合XB7608作保护电路，充分保障移动电源的安全。由单片机控制的逆变电路，将锂电池的直流电转化成交流电，通过线圈产生交变磁场，进行能量传输。

2.1 锂电池控制电路设计

利用锂电池作为存储能量的介质，其优点是重量轻，能量密度高，使用寿命长。锂电池组采用IP5306芯片进行管理。IP5306是一款集成升压转换器、锂电池充电管理、电池电量指示的多功能电源管理SOC，为移动电源提供完整的电源解决方案。同步升压系统提供最大2.4A输出电流，空载时，自动进入休眠状态，且内置IC温度和输入电压智能调节。

图2 锂电池控制电路和保护电路

如图2所示。充电时，usb-in(micro usb)接充电器供电，电流经IP5306后对电池进行充电。放电时，电池释放的电流经IP5306后于VOUT对USB1和USB2进行供电(其中，USB2有下拉电阻，他的输出为5V1A，而USB1输出为5V2.4 A)。IP5306的输入电压的幅值为5 A左右。输出时负载电流为2.4 A。工作的温度区间为0～70 V，这些参数一定程度上表示了整个电路的工作参数，超出这些工作条件时，器件工作特性不能保证。

2.2 锂电池保护电路设计

为了防止过放过充，过流，负载短路等情况发生而对锂电池造成损伤，采用XB7608作为锂电池保护电路。XB7608A系列产品是锂离子/聚合物电池保护的高集成解决方案。包含先进的功率MOSFET、高精度电压检测电路和延迟电路。具有电池应用所需的所有保护功能，包括过充电、过放电、过电流和负载短路保护等。低待机电流在存储时从小区中吸取少量电流。

图2中用红色粗实线圈出的部分是锂电池的保护电路，VDD过一个阻值1k的电阻与电池正极连接，GND连接电池的负极。VM接地。

2.3 逆变电路设计

锂电池产生的是直流电流，直流电通过线圈不能产生变化的磁通量，也就不能在空间中产生变化磁场，不能传递能量。因此，需要一个逆变电路，将直流电流转化成交流电流。这里采用桥式逆变电路作逆变电路。

图3所示桥式逆变电路中，四个三级管视作开关，其开关状态用控制极的电压信号决定。将它们分为两组，其中16,14引脚控制的三极管为A组，15，13引脚控制的三极管为B组。利用单片机程序交替控制A组和B组的开关，实现电流逆变。

图3 桥式逆变电路

如图4所示，黄线为A组的电压，蓝线为B组的电压。我们可以看到，开关周期为8 μs(频率125 kHz)，电压幅值为2.5 V。它们都呈现周期的方波变化，但相位错开半个周期(4 μs)。当A组三级管打开时，电流自上而下流过线圈。而B组打开时，电流自下而上流过线圈。桥中各臂以频率 f=125 kHz(控制极电压型号的重复频率)轮番通断时， 在线圈上产生变化电压，如图4蓝线所示。其中蓝线的幅值最大值为8 V，周期为6 μs(频率约为167 kHz)。发射线圈产生变化磁场，此时，若接收线圈在磁场中，就会在接收端产生电动势。线圈耦合度越高，其传输效率越高，接收端电压越接近发送端电压。

图4 开关电压

3 软件设计

在不使用的条件下，整个系统仅存在极小的待机电流和电池自身微弱的自放电现象，这些现象对电量消耗很小，可以忽略不记。

于microUSB接口接入充电器开始充电时，系统唤醒并开始判断是否电池需要充电(只需由内部电压比较开关简单比较电池的电压就能判断)，需要则开始对其充电，直到不满足充电的条件(电池不再需要充电)，断开充电电流并且系统挂起。

开关打开，并且在无线接收区域有接收器件时，逆变电路开始工作，线圈产生交变磁场，在接收设备端发生电磁感应，次级线圈产生电动势，进行能量传输。直到接收端电池充满电时，检测到输出负荷等于零或接近零，停止供电并且系统挂起。

有线充电方式不再赘述。

4 涡流分析

有电流经过的导线在其周围产生电磁场，如果电流经过的不是导线，而是螺旋线圈，若此时将金属物放置在其产生的磁场中，金属导体表面就会产生螺旋的电流，我们称之为涡流。

涡流在金属表面产生热能，降低了充电效率，浪费电能。不仅如此，根据楞次定律，金属内部的感应电流的磁场将阻碍由原边线圈产生的磁场变化，同样降低了充电效率。

图5 系统流程图

为提高充电效率，确保使用安全，解决充电时发热量大等缺陷，目前的主流解决方案是在无线充电器发射端和接收端线圈背面贴加隔磁片。

隔磁片的主要成分是铁氧体,一种具有亚铁磁性的金属氧化物。铁氧体在高频的时候有较高的磁导率，单位体积存储磁能低，饱和磁感应强度也较低。因此，铁氧体可以引导磁力线穿过[3]。

图6 有无隔磁片下的收发线圈

图6左图我们可以看到，没有铁氧体的情况下，接收线圈背面的金属产生涡流和反射磁场，降低了磁通量，浪费了电能[3]。右图金属被隔磁片隔开，不再产生反射磁场，并且由于在发射端隔磁片的加入，略微增大了发射端电磁场定向的作用距离。

5 结论

现阶段，无线充电存在几个技术问题。1) 效率低，多数的无线充电设备的电能转换率约70%到80%[4]。也就是说，即使在理想状态，也会有20%的电能被浪费掉。2) 因为其可充电区域小，需要刻意的摆放，并不能实现真正的“无线”充电。3) 其充电过程的温度提升较传统的带线充电可能更多，手机或其他设备发热严重。

尽管无线充电不成熟，但已有无线充电相关的产品上市。本文切合实际选用了相对成熟的电磁感应技术来设计移动电源，旨在实现目标并且优化参数。无线充电有着广阔的应用前景，相信随着今后的技术和材料的不断发展，无线技术会有新的突破，以上的问题都会被解决，届时将大大提高用户的便捷性。