无线充电技术在消费电子产品中的设计与应用

何明超

（英华达（上海）科技有限公司，上海 201114）

1 概 述

无线充电技术源于无线电力输送技术，根据传输功率可分为小功率无线充电和大功率无线充电[1]。小功率无线充电一般用于体积较小的设备，如手机、充电盒以及其他手持设备等。大功率无线充电是指通过大功率方式对电池进行感应充电，目前，大功率无线充电应用最多的是汽车行业[2]。

无线充电又称作非接触式感应充电，是利用近场耦合感应，由供电设备将能量传送至用电装置，该装置使用接收到的能量对电池充电[3]。随着集成电路的微型化和无线充电技术的日趋成熟，未来无线充电将会得到更加广泛的应用。目前无线充电已经新型电子产品的标配之一。

2 无线充电技术的种类

目前无线充电主要包括电磁感应充电、磁共振充电以及无线电波充电3种。

2.1 电磁感应充电

一个交变电流通过一个感应线圈（初级线圈），随着交变电流幅度不断变化，磁场强度也会随之增强，便携式设备中的第二感应线圈（接收线圈或次级线圈）中会产生交流电，然后利用整流器将交变电流转换成直流电为电池充电或提供工作电源[4]。该方式简单高效、安全可靠、功率可扩展且较为成熟，但受制于传输空间和传输距离，充电时需要近距离操作，只能一对一充电，无法进行一对多充电。

2.2 磁共振充电

共振无线充电依靠高频振荡磁场以相同谐振频率运行的两个线圈之间传递能量。单个初级线圈可以为多个设备同时充电。该技术比电磁感应技术复杂，效率较低[5]。其优点在于充电空间不受限制，充电自由，传输距离可达数米，适合较远距离充电，支持一对多充电[7]。但该充电方式较高的功率会对周围环境造成比较大的电磁干扰，传输效率较低。

2.3 无线电波充电

电磁波可以用来传递信息，理论上只要电磁波的频率够高，就可以传输能量[6]。无线电波充电是通过发射电磁波信号的方式进行能量传输。和磁共振类似，无线电波充电空间不受限制，充电自由度高，传输的距离远，并且支持一对多充电。但其需要更大的功率，辐射较大，传输效率也比较低。

因此，综合考虑传输效率、成本以及对环境的影响等因素，消费电子产品基本上采用的都是磁感应技术。

3 磁感应充电原理及应用

3.1 电磁感应及能量传输原理

交变电流在经过一个线圈时会生成一个变化的磁场，变化的磁场能够产生电动势，根据这些原理可以通过两个线圈来实现能量的转换[8]。将初级线圈与输入电源连接，并且将次级线圈连接到外部电路。由于初级电流是交变的，因此铁芯内的磁通量会连续变化，并且次级线圈中变化的磁链会在次级电路中感应出交流电压和电流[9]。

3.1.1 能量传输

磁感应能量传输如图1所示。

图1 磁感应能量传输

耦合无线充电技术使用磁感应将功率从发射器（Tx）传输到接收器（Rx）。磁场是由Tx侧的初级线圈产生的，由次级线圈Rx端捕获。磁场通过空气进行无线传输，没有磁路连接两个线圈。在将电信号提供给负载电路之前，需要对接收到的电信号进行整流、滤波以及调制解调处理。

3.1.2 磁场的能量控制与调节

磁感应磁场能量控制与调节如图2所示。

图2 磁感应磁场能量控制与调节

为了实现对该磁场的控制与调节，可以使用LC谐振电路更改振荡器频率、更改振荡器占空比（使用方波振荡器）、改变振荡器电压以及对全桥振荡器施加相移等。

3.1.3 能量的发射与接收

图3为Tx和Rx的能量传输示意图。

图3 Tx和Rx的能量传输

由于变量太多（Rx/Tx耦合、Rx和Tx线圈以及负载等）Tx无法自行设置调节点，那么就需要一个从Rx到Tx的通信交流通道帮助Rx将有关调节设定点的数据发送给Tx。此通信通道也可以用于辅助目的，并扩展到双向通信。

3.1.4 Rx负载检测及异物检测FOD

图4为Rx负载检测及异物检测示意图。

图4 Rx负载检测及异物检测

从图4可知，左端电路发射端会定期产生一个磁场，来检查是否存在一个负载并消耗能量。

右端电路根据QI标准使用功率平衡的方法来估算是否存在异物，如果Tx发射的功率远远大于Rx接收到的功率，则可以判断为存在异物。

3.2 无线充电器原理

基于磁感应原理可以设计出一个无线充电器为电子产品进行充电。无线充电器主要由电源管理模块、发射电路模块、接收电路模块以及充电电路模块构成，如图5所示[10]。

图5 无线充电器系统方框图

输入端可以是220 V交流电或24 V直流电直接供电。当输入端是220 V交流电时，会经过一个桥式整流电路将交流电转换成直流电供给电源管理模块，之后再经过发射电路中的高频振荡电路和高频放大电路供给初级线圈。通过初级线圈和次级线圈的耦合，次级线圈接收初级线圈传送的电流，再将接收的电流通过接收电路转换成直流电，从而对电池进行充电。

3.2.1 发射电路

图6是一个简单的发射电路，电压V1为直流电压，如果此发射模块由交流电源供电，则V1是经过整流和滤波之后的直流电压。L1是初级线圈，M1是开关元件，线圈中会形成交流电流，L1和C1形成一个谐振电路，从而能够提供正弦电流。

图6 发射电路图

用上面的发射电路和接收模块进行仿真时，可以得到初级线圈中的电流波形为一个正弦波，如图7所示。

图7 初级线圈中电流波形为一个正弦波

3.2.2 接收电路

接收电路模块包括次级线圈、谐振电路、整流器以及充电IC。图8是一个使用LTC4120作为主控制器的接收电路。一旦IC引脚变为低电平，L2和C2将形成一个串联谐振器，而C4将形成一个并联谐振器。对次级线圈接收到的交变信号进行滤波、整流以及稳压处理，最终输出一个稳定的直流电给电池充电。

图8 接收电路图

根据上图接收电路和图6发射电路进行仿真模拟，得到的Vout电压波形如图9所示。

图9 Vout电压波形图

3.2.3 无线充电传输功率

在无线电力传输系统中，功率传输基于发射电路初级线圈中产生的交流电流会在次级线圈中通过互感M产生一个交变电流，无线功率传输如图10所示。

图10 无线功率传输

假设k为耦合系数，那么：

假设n是线圈匝数比，那么它等于接收电路次级线圈的匝数nR除以发射电路初级线圈的匝数nX，即：

匝数比与次级线圈电感LR和初级线圈电感LX之比的二次方根成正比关系。在无线传输系统中，初级线圈中的交变电流I与互感产生的次级线圈中的交变电流IR的关系为：

耦合系数是一个变量，它的值取决于初级线圈和次级线圈的方向和距离。在基于LTC4120的典型无线充电系统设计中，k值一般在0.18（10 mm线圈距离）和0.37（3 mm线圈距离）左右变化。由于LX和LR的阻抗很低，即使在耦合比很低的情况下，传输效率依然很高，如图11所示。

图11 耦合系数k随距离的变化

4 设计与应用

随着集成电路技术和新型材料的不断创新发展，各种电子产品逐渐向小型化、智能化以及多功能化的方向发展，无线充电技术同样也得到了集成化发展。图12是一个无线蓝牙耳机充电设计方块图。

图12 TWS耳机盒方块图

本设计采用了两种充电方式，除了无线充电外还可以通过USB口进行充电,采用QI标准的无线充电器都可以对其进行充电。该耳机盒内置一个无线线圈，作为接收电路的一部分，在进行无线充电时通过磁感应接收能量，线圈通过两个滤波电容接到一个无线充电管理IC，也叫无线充电接收器。通过无线接收器进行整流，将交流电转换成直流电，再通过内部的LDO输出一个稳定的直流5 V电提供给电池充电管理IC，从而实现对电池的充电。

图13是ST公司开发的一颗无线充电接收器（STWLC68）方块图。STWLC68是一颗适用于便携式电子设备的高集成无线功率接收芯片，可对接收线圈接收到的交流电压进行整流。该芯片支持Qi 1.2.4感应无线标准通信协议，可以提供高达5 W的输出功率。由于集成了最大支持27 V的低损耗整流器，系统整体传输效率最高可达80%。芯片内部带有输出电流和输入电压控制环路的低压差线性稳压器，可以为后端电路提供一个稳定的直流电压。

图13 STWLC68方块图

线圈接收的交变信号通过AC1，AC2输入给IC内部的同步整流器，再经过内部的主线性稳压器输出一个稳定的5V直流电压VOUT，从而实现将交流电转换成直流电。

4.1 同步整流器

STWLC68的同步整流器是将接收线圈接收到的交流功率转换成直流电的一个关键模块，由4个N-channel MOS管组成，构成一个H桥，方便由一个控制块驱动，该控制块监控AC1和AC2引脚的电压，以优化换向并为外部自举电容CRECT充电。

4.2 主线性稳压器

STWLC68的主线性稳压器可确保恒定的电压输出，且功率损耗很小。主线性稳压器具有3个独立的控制回路来保证功率的传输。一是输出电压调节环路，该环路将输出电压控制为寄存器设置的标准值。二是输入电流调节回路，为了防止同步整流器的输出崩溃，流经线性稳压器的电流限制为固定的1.5 A。三是输入电压调节回路，该回路配合输入电流协调工作，避免VREC电压下降过低。同时，为了确保主线性稳压器稳定运行，需要在稳压器的输出端（VOUT）接一个大于20 μF的滤波电容（COUT）。

5 结 论

本次设计的无线充电技术采用了电磁感应原理，低损耗整流系统与多环路稳压系统的加入大大提升了功率传输效率，降低能源损耗并缩短充电时间。随着无线充电管理芯片集成度越来越高，无线充电效率将会进一步提升，无线充电技术的应用将越来越广泛。