无线手机充电方法研究

陈剑波 胡聪 翁伟明 罗伟烈 杨鸿禧

摘 要：随着越来越多的移动通信设备配备无线充电功能，无线充电技术开始成为了人们关注的焦点和研究的对象。本设计利用了法拉第电磁感应原理，分为发射端和接收端两部分电路，发射端电路采用内部电压驱动，不需要额外的控制电路来驱动。由Lx和Cx构成的LC振荡电路发射稳定的电磁波，电磁波经过接收线圈后，由整流电路转换成直流信号，最后由MP2307控制输出稳定电压给电池充电。本设计最终可输出5±0.2V电压，最大电流可达1000mA。

关键词：无线充电 充电器 电磁感应

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（c）-0038-03

电子信息产业的蓬勃发展促使着各式各样的便携式电子产品如手机、数码相机、平板电脑等越来越多地出现。手机产品是便携类产品的一个大类，每个手机都需要有一个对应的充电器，每换一次电子产品，旧的充电器就基本要被废弃。大量旧充电器废弃后的处理也会增加对环境造成更重的负担。其中主要问题是大部分充电器都不能通用，即使如果使电源部分一样，但接口也不一样，甚至相同品牌的不同产品所使用的充电器都不能兼容。对使用者而言，携带有线充电器和利用它充电都不是很方便。随着人们对无线通信需求的增长，手机技术的发展和电子元器件成本的逐渐下降使手机产品得到了快速的普及。可以说手机发展到今天，人们已经离不开它，而支持无线充电功能的手机将会使人们的生活更加便捷[1]。

无线充电方式主要包括4种方式：电磁感应方式、磁共振方式、电场耦合方式和电波接收方式[2]。Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟，简称WPC。其推出的“无线充电”标准，具备便捷性和通用性两大特征。Qi标准主要是针对电磁感应的，目前Qi广泛应用于手机、MP3、照相机等手持低功率设备中。已有多款电子产品采用了Qi无线充电技术，代表产品有Nokia Lumia 920、Nokia Lumia 820等。

1 系统设计

无线充电系统主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递，变化的磁场会产生变化的电场，变化的电场会产生变化的磁场，其大小均与它们的变化率有关系，而正弦函数的变化率是另外一个正弦函数，所以电磁波能够传播出去，而感应电压的产生与磁通量的变化相关，所以线圈内部变化的磁场产生感应电压，从而完成充电过程。

该方式和变压器原理一样，通过初、次级线圈的相互感应来实现电能的传输[3]。在发射端和接收端各有一个线圈，发送端的线圈称为初级线圈，或发射线圈；接收端的线圈称为接收线圈或次级线圈。当交流电通过发射线圈后，便会向外产生磁场，接收线圈接收到磁场之后产生电磁感应，进而感应电动势，有了电压之后线圈就会产生感应电流，经过整流后的电流就可以为手机充电。

在本设计中的无线充电装置由发射端和接收端组成。发射端由直流电源、驱动器、发射线圈组成；接收端由接收线圈、整流电路、DC-DC模块、手机负载组成。系统框图如图1所示。

1.1 发射端

发射端电路原理图如图2所示，图片来源于Linear Technology公司的LTC4120芯片手册。发射端采用电流反馈式推挽电路驱动发射线圈，可提供较大的驱动电流。该发射端通常会在发射线圈产生一个2.5ARMS交流线圈电流[4]，

2.5ARMS为电流有效值。发射端的输出功率随着Cx的增加而增加，当大于300nF时，效果不明显。当采用Lx=5uH，Cx=300nF时，由Cx、Lx匹配构成LC谐振电路，可以获得较大的发射功率。发射端的频率计算公式为：

经过测试，MOS管栅源级间电压并没有超过16V，因此去掉了图2中的D1，D4的16V稳压管。对线圈的制作，因为高频电流具有趋肤效应，因此应使用多股漆包线。

使用N沟道，快速切换场效应管4800B，代替系统中的M1、M2。发射端电路原理图如图3所示。4800B作为开关使用，应选择低栅极电容的MOS管，以减小高频开关损耗。

1.2 接收端

接收端电路主要由三部分组成：接收线圈、整流电路、DC-DC模块（如图4所示）。将接收端放置在发射端产生交变磁场中，将会产生感应电动势，经过整流的电流再通过DC-DC模块将输出电压（5±0.2）V。

整流电路采用全波整流电路，DC-DC模块采用MP2307芯片，同步降压稳压器。MP2307集成了可调MOSFET，可在4.75V至23V的输入电压范围下提供3A的连续负载电流。接收端电路原理图如图5所示。

2 实验结果

实物充电图如图6所示。

测试指标包括：发射端输入电压Vin，输入电流Iin；接收端输出电压Vout，输出电流Iout。测试工具有游标卡尺，直流稳压电源，手机负载。由公式（2）计算充电效率Pc，如表1所示。由表1可知该装置的平均充电效率为50%。

随着线圈的垂直距离的增加，充电的功率下降，即垂直距离和充电功率正反比。当距离超过6mm时，该装置充电的功率直接降低为0W。本方案的最大功率可达4.92W。

3 结语

本设计主要研究无线手机充电在充电效率优化的方案，发射端采用了Linear Tecnology公司LTC4120无线功率收发器方案中的发射器方案进行优化改进，该发射器为电流反馈式推挽发射器，采用内部的电压驱动，不需要额外的驱动电路。通过改变Cx和Lx的耦合来达到最大的发射功率。实验结果表明，Cx与Lx在130kHz的时候该驱动器达到最大输出功率。接收端采用了整流电路和基于MP2307芯片的DC-DC模块的方案代替了基于LTC4120芯片的接收端方案，经过测试，该充电装置的平均充电效率达到50%，可输出5±0.2V電压，最大电流可达1000mA。

参考文献

[1] 孟庆奎.手机无线充电技术的研究[D].北京邮电大学，2012.

[2] 陈新，张桂香.电磁感应无线充电的联合仿真研究[J].电子测量与仪器学报，2014，28（4）：434-440.

[3] 贾红梅.手机无线充电系统的研究[D].安徽工业大学，2017.

[4] Trevor Barcelo.Wireless Power User Guide[D].Linear Technology，2013.