解析：一种无线充电识别电路的设计 - 全文

　　随着用电设备对供电品质的不断提高，以及对特殊场合、特殊地理环境的供电，使得接触式电能传输方式不能满足实际需要。近年来，有关无线充电技术的研究不断增多。

　　无线充电系统会发射电磁波能量，当发射器上没有放充电装置时也会发射能量，造成能源浪费和辐射污染。当发射器上放金属异物，电磁波对其加热，轻则烧毁装置，重则发生火灾。因此，无线充电系统需要具备对受电端目标物的辨识功能，当正确的目标物放置在发射器上才进行充电。

　　常用的身份识别方法有：1）磁力激活，在受电端上装一个磁铁，当发射端感应到磁力后发送能量；2）通过射频识别（RFID）加强电路安全；3）感应线圈上的资料传送，利用原副线圈内的电力传送，包含资料码一起传送，这种方法最安全也最难完成，因为感应线圈上有高能量的电力传输，另外还包含了系统的噪声与负载电流变化的干扰，如何有效地传送资料码是一大难题。为此，在原边电压采样电路的基础上，设计了一种低频的身份识别电路。

　　1　QI的无线充电通信标准

　　无线充电联盟（WPC）标准下，无线传输的功耗仅为0～5W。达到这一标准范围的系统在2个平面线圈之间使用电感耦合将电力从电力发送器传输给电力接收器。原副线圈之间的距离一般为5mm，输出电压调节由一个全局数字控制环路负责，这时电力接收器会与电力发送器通信，并产生功耗。该通信是一种通过反向散射调制从电力接收器到电力发送器的单向通信。在反向散射调制中，电力接收器调整负载，从而改变电力发送器的电流消耗。对这些电流变化进行监控，并解调成2个设备协同工作所需的信息。

　　通信协议包括模拟、数字声脉冲（ping）、身份识别、配置和电力传输。电力接收器放置在电力发送器上时出现的典型启动顺序如下：

　　1）来自电力发送器的模拟ping检测到对象的存在。

　　2）来自电力发送器的数字ping为模拟ping的加长版，并让电力接收器有时间回复一个信号强度包。若该信息强度包有效，则电力发送器会让线圈保持通电并进行下一步骤。

　　3）身份识别和配置阶段，电力接收器会发送一些数据包，对其进行身份识别，并向电力发送器提供配置和设置信息。

　　4）在电力传输阶段，电力接收器向电力发送器发送控制误差包，以增加或减少电力。正常运行期间，每隔约250ms发送控制误差包，而在大信号变化期间每隔32ms发送一次。另外，在正常运行期间，电力发送器每隔5s发送一次电力包。

　　5）为了终止电力传输，电力接收器发送一条“终止充电”消息或者1.25s内不进行通信，使电力发送器进入低功耗状态。

　　2　原副线圈耦合系数对原边LC电压的影响

　　由RLC串联谐振电路得

　　当原边感应电路与副边感应电路结构存在过大的气隙时，不仅副边线圈的能量接收率变差，且副边电路和原边电路距离较远时，副边电路反射电阻变小，Q值增大。由RLC串联谐振电路可知，发生谐振时电感电压是输入电压的Q倍，当副边感应电路结构远离原边电路时，Q值增加，电感电压随之增大，所以可以通过检测电感电压值来判断副边感应结构是否远离原边感应电路。

　　除了气隙会影响原副线圈的耦合系数外，补偿电容的大小也会影响耦合系数。补偿电容与电路耦合系数的关系如表1所示。当改变副边电路的补偿电容时，谐振频率也会改变，导致电路的原副线圈的耦合系数也跟着改变，电路的效率也作相应的改变。当谐振频率接近开关频率时，原副线圈的耦合系数大，电路效率高，电感峰值电压小。当电路只有副边补偿电容改变时，电感的峰值电压的大小反应了副边电路补偿电容的改变情况。

　　表1　补偿电容与电路耦合系数的关系

　　放在电力发送器上的物体有可能是耦合系数较高的物体，如金属线圈、无线充电接收模块等，也有可能是耦合系数较低的物体。对于耦合系数低的物体，不需要对其进行身份识别，因为此时无线充电器充电效率低，原边电流大，LC电路电压高，电路在检测到一定时间的连续高电压状态后，将开关管关断，进入待机状态。对于耦合系数较高的物体，必须对其身份识别，防止误充电。

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　　在充电过程中，一般物体的耦合系数不会随时间变化，原边LC电路电压不会有太大的变化。利用这一特性，在识别阶段设法让无线充电模块的耦合状态按某个频率不断地变化，将无线充电模块从其他物体中区别出来。不断变化的耦合状态，可以通过按一定的频率有节奏地改变副边电路的补偿电容值获得。当副边电路补偿电容值变大1倍后，原边的电感电压会有明显的改变。

　　3　识别电路的设计

　　原边电路如图1所示，其中，控制、驱动电路用U1代替；副边电路如图2所示，其中，降压、稳压电路用U2代替。副边电路采用并联补偿方式，感应电压经副边电路的整流滤波、稳压降压后输出。在副边LC并联谐振电路中，增加一个由电容和2个开关管组成的电路，单片机通过控制开关管达到改变原副线圈耦合程度的目的。原边电路采用半桥谐振电路和串联补偿方式。电压采样电路如图3所示。通过并联感应线圈的电阻，取其分量经过半波整流滤波后，输出直流回馈电压VC。取样初级侧感应线圈的电压大小变化作为保护控制电路的回馈信号，其中，

　　图1　原边电路

　　图2　副边电路

　　图3　电压采样电路

　　用LM319判定原边LC谐振电路电压是否为高电压。原边LC谐振电路电压经过电压采样电路的采样后，再经过半波整流滤波，得到一个较为平稳的采样电压。采样电压送入LM319的同相端，基准电压输入到LM319的反相端。若原边LC串联谐振电路的电压较低，则采样电压也较低，LM319输出一个低电平电压；反之，LM319输出一个高电平电压。

　　原边单片机接收来自LM319的电压判别信号。原边单片机的工作时间分为识别阶段和充电阶段。在识别阶段，若单片机收到预设信号，则发出使能信号，原边电路进入充电阶段；反之，单片机关断使能信号，原边电路进入低功耗的待机状态。

　　3.1　副边单片机设计

　　副边单片机的程序流程如图4所示。为了与原边同步，副边单片机并非一启动就输出8个高低电平，而是在原边电路向副边电路发送能量之后才发送。原边电路向副边电路发射能量，电容C6会积累电荷，电压升高并维持一定的时间。单片机就可以通过检测第6引脚的电压是否为高电平来确定原边电路是否向副边电路发送能量。开始后，单片机不断地检测第6引脚电压是否为高电平，若是高电平，则单片机执行下一步动作；若不是高电平，则单片机继续检测第6引脚的电压是否为高电平。

　　图4　副边单片机程序流程

　　在检测到第6引脚的高电平后，单片机向开关管发送8个高低电平的驱动电压，以使副边感应电路有节奏地改变耦合系数。

　　在发送完8个高低驱动电平后，单片机就一直检测第6引脚是否为低电平。若是高电平，则说明原边一直都在向副边发送能量，此时原副边线圈处于较大的耦合系数状态下，副边电路可以高效地接收原边电路向副边电路发送的能量；若是低电平，则说明本次循环结束，或者受到某种影响而中断了原边能量的发送，单片机进入下一个循环。

　　3.2　原边单片机设计

　　原边单片机的工作时间分为2个阶段：识别阶段和充电阶段。在识别阶段，若单片机收到预设的信号，则单片机发出使能信号，电路进入充电阶段；若在规定的周期内，单片机没有收到预设的信号，则单片机关断使能信号，电路进入低功耗的待机状态，直到下一个循环。

　　假设副边电路发送的是10101010八位高低驱动电平，则其反射到原边电路，经过电压采样电路的采样，原边单片机最终检测到的电压应该是10101010八位高低判别电平。在原边单片机启动后，原边单片机进入识别阶段，原边单片机先发出16个周期的使能信号，让控制电路能正常工作；单片机不停地检测电压采样电路的电压，只要检测到的采样电压与预设值相符，单片机立即进入充电阶段；若单片机检测到的电压与预设值不相符，并且达到了16个检测周期，则判定原边电路没有检测到相符的接收模块，单片机关断使能信号，无线充电器进入低功耗待机阶段；待机结束后，单片机进入下一个循环。在充电阶段，若电压采样电路出现连续的8个高电平，则认为副边电路已远离原边电路，或是副边电路出现了开路、短路的现象，应该关断使能信号，让原边电路进入低功耗的待机阶段。

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　　图5　原边单片机程序流程

　　4　结束语

　　介绍了无线充电技术QI标准中的通信协议，分析了原副线圈耦合程度对原边电感电压的影响。在此基础上提出了一种身份识别电路。通过对副边电路补偿电容容量的控制，有节奏地改变原副线圈之间的耦合系数，原边单片机采样原边电感的电压，把采样电压与预设电压比较，最终达到识别副边电路的目的。通过适当设计待机时间的长短，达到降低待机功耗的目的。

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