基于磁耦合共振传输技术的手机无线充电系统的设计与研究

2021-11-21闫德鑫彭云喆

无线互联科技 2021年1期

杨军，闫德鑫，彭云喆

（湖南交通工程学院，湖南衡阳 421009）

1 磁耦合共振的原理概述

1.1 磁耦合传输法

磁耦合共振也可以称为感应耦合，主要是通过两个可以产生互感的线圈，通过电磁感应的方式实现电力网络的输入与输出之间的影响和调节，两个线圈内部可以实现电磁的共振叠加。磁耦合共振装置包括与终端相连的受电线圈、与电源相连的送电线圈。两个线圈在磁场内部以相同的频率发生共振，并利用磁感应来实现电能传输[1]。

1.2 耦合共振模型

首先，根据实际使用情况的不同，电源输送的可能是交流电或直流电，必须要对其进行调节，满足受电端的实际需求，将其调节为系统的基准工作电压。电源模块内部需要有一定的驱动和保护装置，作为整个充电系统的电能来源，必须要和其他的各类元器件进行搭配使用，为受电端不断提供电动势。其次，在发射电路中需要有电磁线圈和震荡结构，使其和接受转化模块中的受电电磁线圈相匹配，二者相互靠近时可以产生电磁感应。在磁耦合共振的作用之下实现电力的传输，多余的电能可存储在受电端的电池中。最后，为了保证线路能够更好地完成电能转化的需求，还需要在其中设计一些匹配电路保障安全和功能的多样性。

2 手机无线充电系统概述

2.1 无线充电优势

无线充电技术采用了电磁感应的方式进行充电信号的快速传输，相比传统线充的应用优势更加突出。无线充电技术为非接触式的一对多充电设备，与一般充电器相比，减少了插拔的麻烦，同时亦避免了接口不适用、接触不良等现象，老年人也能很方便地使用。无线充电器的应用范围更加广泛，供电与受电的端口只需要按照同一电磁标准进行设计就可以使用。

2.2 应用发展现状

尽管手机无线充电具有较好的发展前景，但是目前研究仍然较为有限，需要进一步对其进行优化和升级。首先，无线充电器充电传输距离短，有效传输距离通常在10 mm以内，需要将手机完全放置在充电器上，较线充模式限制了使用者的移动距离。但这一缺点主要是由于电磁感应传输导致的，在具体的研究应用中还未能找到较好的解决方式。其次，无限充电器的工作功率比较低，大部分的无限充电器和设计标准都规定了10 w，15 w左右。但市面上一些常见的有线快充的工作功率可达到18 w，48 w，手机的充电效率能够得到较好的保障。目前的大部分手机没有实现无线充电的普及，需要增加无线充接收片才能体验无线充的功能。在这样的应用现状之下，加强对无线充电系统的设计分析和功能开发十分重要，是推动手机充电模式革新的重要发展方向。

3 该技术在充电系统的设计分析

3.1 信号发射电路

在信号的发射端口需要设计一定的驱动电路和功放模块，提升电能的传输效率，为了更加精准的识别手机，还需要加设RFID保证通信稳定。电源的电能需要经过调节转化为能够被电磁线圈识别并使用的方波频率，需要利用比较器完成，驱动电路中可以用方波信号带动发电线圈。在功放结构中可以调节两个线圈中的电磁频率，使其保持一致产生共振，为后续的电能传输做好前期准备。功放中使用的电力信号也需要经过比较器转变为方波。在识别待充电设备时需要利用天线对经过磁感应区域的金属进行检测，其频率信号会发生相应的变化，且能够发出对应的射频信号。RFID系统中能够检测到这种信号并利用交直流的转化实现为受电端提供电动势。

3.2 接收转换电路

在手机上需要进行电能的接受和转化，保证受电线圈能够稳定工作。首先，该设备的工作原理主要是在电磁感应的网中实现频率的一致，从而保证振幅的叠加，提升受电端的电能接受能力。在构建接收电路的共振网络时需要使用一些电感、电容等元件将从电磁场中获得的电动势转化为高频交流电进行传输，有利于减少在传递过程中的损耗。接收电路中有交直流转换器可以对高频交流电进行整流和转化，使其转变为能够供手机等受电端使用和存储的直流电。在工作过程中要按照一定的频次对终端设备进行检验，合理判断充电过程的进行，若充电接触则可以向设备发送相应的信号结束充电工作。

3.3 匹配电路设计

在进行匹配电路的设计时主要是考虑到实际电阻、电感等设备的搭配使用，使无线充电系统的工作更加稳定。常见的匹配电路可以实现自动调节的功能，根据负载的变化调节系统的最大输出功率的相关参数，保证使用的便捷与安全。在对互感电路的输出特性进行分析时发现，当负载电路中的电阻值与线路内阻一致时的输出功率最佳。按照这一思路对匹配电路进行设计，可以合理调节线圈的耦合系数、线圈位置关系和电压、电阻数值，确保电力转化的稳定性和高效性。

3.4 充电效率分析

无线充电器摆脱了数据线的连接方式，通过电磁耦合来实现电能传输和数据交换，必须要对其充电的效率与稳定性进行分析，保证电能供应服务。在该系统中可能会对电能传输造成影响的因素主要包括系统的信号传输耦合参数和电能损耗参数。首先，电磁的耦合主要是通过两个线圈相互接触实现的，其间隔距离、线圈半径和匝数等都会影响整个系统的耦合程度。一般来说距离越近、半径越大、匝数越多，耦合程度越高。在进行系统设计时要根据线路的互感公式和耦合参数公式进行合理计算，考虑充电器的尺寸限制等因素，提升其充电效率。其次，在线路中的电阻、电感会造成电流传递的损失，损耗参数。从公式中可以发现，线路的等效电阻和损耗呈现正相关，等效电感和损耗呈现负相关。技术人员在进行参数设计和元件连接规划时要充分考虑损耗因素，确保电能传输更加高效。

3.5 行业设计标准

在进行手机无线充电系统设计的过程中必须要遵从一定的设计规范要求，确保能够与市面上现有的手机型号和配置相互匹配，实现更加高效便捷的充电应用。A4WP规范当中对手机和充电设备使用的共振频率做出了规范要求，其数量级能够较好地匹配弱感应感磁场中的信号检验，实现电力供应的需求。对于一些保持稍远距离的手机充电情况下也可以实现连接与供电，也是目前手机无线充电设计当中应用较为广泛的一种设备频率[2]。随着手机的不断深入研发和更新换代，无线充电系统的研究也应该与时俱进，推动行业的不断发展与进步，为消费者提供更加便捷的充电服务，适应更多品牌、型号的手机充电需求。

3.6 系统创新优化

根据手机无线充电的实际应用需求，还需要对其磁耦合传输的参数进行进一步的优化和创新，确保电力供应的稳定性。首先，手机电池和无线充电器之间主要是通过磁耦合共振的方式实现信号的传输，在扩大其能量的容载率的同时也可能会造成一些电磁干扰的问题，需要在系统中增加一些零件设备提升其灵敏度。其次，在充电系统的信号发送端，主要是通过金属元件进行识别的，在充电的过程中会因为电磁感应的问题而产生一些热效应，不利于维护手机使用的安全性。在进行信号识别时要注意提升其识别的精准性，避免出现手机的外壳或其他芯片设备中的金属部分造成过热情况[3]。最后，为了实现无线充电设备的低功耗，可以在进行系统工作模式设计时引入睡眠模式等。在充电设备无法在30分钟内检测到有效的待充电设备时，可以自动切断工作实现待机，通过手动唤醒的方式延续工作。