低功耗車載的手機(jī)無(wú)線充電設(shè)計(jì)

劉正全，鄧亮，王金磊，薛蔚平，徐健

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

0 引言

目前乘用車的手機(jī)充電方式主要是將車上12 V電壓轉(zhuǎn)成5 V恒壓輸出的有線充電模式，不僅很不方便而且也存在著安全隱患。為了解決上述問(wèn)題，作者將無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用于車載充電，提出了安全高效的車載手機(jī)無(wú)線充電方案，給用戶帶來(lái)更好的體驗(yàn)。無(wú)線充電方式一般有4種：電磁感應(yīng)式、電場(chǎng)耦合式、磁共振式和無(wú)線電波式。手機(jī)電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.82 V，額定容量2 500～3 500 mA·h，充電電流一般設(shè)定為2 A，系統(tǒng)充電輸出功率為10 W。這種應(yīng)用完全符合無(wú)線充電聯(lián)盟基于電磁感應(yīng)方式所制定的“Qi”充電標(biāo)準(zhǔn)[1]的要求，所以車載無(wú)線充電方案采用電磁感應(yīng)方式是合理的。

1 電磁感應(yīng)車載無(wú)線充電的原理

電磁感應(yīng)無(wú)線充電原理是在發(fā)送和接收端各有一個(gè)線圈，發(fā)送端線圈TX連接有線電源產(chǎn)生電磁信號(hào)，接收端線圈RX感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號(hào)進(jìn)而產(chǎn)生電流給電池充電，TX與RX兩個(gè)線圈之間的距離一般需要小于8 mm，并且兩個(gè)線圈的中心必須完全吻合，否則會(huì)使傳輸效率急劇下降。

依照無(wú)線充電聯(lián)盟“Qi”的標(biāo)準(zhǔn)，車載無(wú)線充電系統(tǒng)中輸出電壓調(diào)節(jié)由一個(gè)全局?jǐn)?shù)字閉環(huán)控制，接收端與發(fā)送端進(jìn)行定時(shí)通信，對(duì)充電輸出的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)[2]。該通信是一種通過(guò)反向散射調(diào)制從接收端到發(fā)送端的單向反饋。在反向散射調(diào)制中，接收端線圈會(huì)根據(jù)充電負(fù)載的變化，隨之改變通過(guò)發(fā)送端線圈的電流大小。車載無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)這些電流變化進(jìn)行監(jiān)控，并解調(diào)成收發(fā)兩個(gè)設(shè)備協(xié)同工作所需的信息。車載無(wú)線充電功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 車載無(wú)線充電功能結(jié)構(gòu)圖

2 電力發(fā)送端與接收端的電路設(shè)計(jì)

2.1 車載發(fā)送端高頻逆變電路

車載無(wú)線充電方案使用全橋逆變電路，該電路由4個(gè)開(kāi)關(guān)MOSFET管組成，每個(gè)開(kāi)關(guān)管承受的電壓為輸入電壓的一半，可以直接通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出功率大小的調(diào)節(jié)。該電路轉(zhuǎn)換效率高、易于控制、功率密度大，也符合車載電子設(shè)備的能效要求。

圖2 全橋式逆變電路

2.2 車載無(wú)線充電系統(tǒng)諧振網(wǎng)絡(luò)

車載無(wú)線充電系統(tǒng)發(fā)送和接收端線圈之間會(huì)存在一層1.85 mm的ABS塑料外殼，使得兩個(gè)耦合線圈之間的磁路漏感變大、耦合系數(shù)變低，系統(tǒng)的傳輸效率降低。

為了解決上述問(wèn)題，采用諧振技術(shù)對(duì)發(fā)送和接收耦合線圈進(jìn)行補(bǔ)償，不僅可以減少器件上的電流和電壓應(yīng)力，延長(zhǎng)電子器件的使用壽命，而且可以減少系統(tǒng)中的無(wú)用功，提高整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸能力[3]。此設(shè)計(jì)中，補(bǔ)償電容和耦合電感串聯(lián)，電容電壓對(duì)電感壓降進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)電源電壓最大限度地加在阻抗兩端，使工作頻率不會(huì)隨負(fù)載的變化而變化。接收端采用串聯(lián)和并聯(lián)諧振補(bǔ)償相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)，這樣既能獲得更大的電感電流又能保持輸出電壓的穩(wěn)定。系統(tǒng)的諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CP=[(fS·2π)2·LP]-1=[(100×103×2π)2×6.3×10-6]-1=402 nF

(1)

(2)

(3)

根據(jù)公式(4)計(jì)算得出在fD頻率下接收端線圈的品質(zhì)因素，其中R為該線圈的直流阻抗：

(4)

Q>>77，該諧振網(wǎng)絡(luò)滿足車載設(shè)計(jì)的具體要求。

2.3 車載通信信號(hào)調(diào)制電路

為了將手機(jī)電池的充電狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋到車載發(fā)送端，以便發(fā)送端通過(guò)調(diào)整發(fā)送頻率來(lái)控制電能輸出，需要在兩者之間建立從接收端到發(fā)送端的無(wú)線單向通信路徑。

接收端通過(guò)拾取發(fā)送端的電能來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的調(diào)制，該調(diào)制過(guò)程會(huì)引起發(fā)送線圈電流的變化，發(fā)送端即可檢測(cè)發(fā)送端線圈的電流幅值來(lái)解調(diào)信號(hào)。車載無(wú)線充電系統(tǒng)的接收端耦合線圈兩側(cè)并聯(lián)兩個(gè)調(diào)制電容，這兩個(gè)電容并入或脫開(kāi)由調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)的MOSFET控制，使諧振曲線發(fā)生偏移，從而改變發(fā)射線圈的電流幅值。當(dāng)兩個(gè)調(diào)制電容并入接收端耦合線圈時(shí)，邏輯狀態(tài)為0；當(dāng)兩個(gè)調(diào)制電容與接收端耦合線圈脫開(kāi)時(shí)，邏輯狀態(tài)為1，如圖4所示。

圖4 電容式調(diào)制電路

2.4 車載無(wú)線充電故障檢測(cè)電路

當(dāng)有外來(lái)金屬物體存在于發(fā)送線圈和接收線圈之間時(shí)，會(huì)導(dǎo)致傳輸能量的嚴(yán)重?fù)p失或者系統(tǒng)發(fā)熱量異常。所以依照“Qi”標(biāo)準(zhǔn)的要求，監(jiān)控電能無(wú)線傳輸過(guò)程中有可能發(fā)生的異常狀況，需要對(duì)輸入輸出功率和系統(tǒng)溫度進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)輸入輸出功率之間的差值低于允許閾值時(shí)，或者系統(tǒng)溫度不在允許區(qū)間內(nèi)時(shí)，需要立即讓無(wú)線充電系統(tǒng)停止工作，并發(fā)出故障提示，保證整個(gè)充電設(shè)備的安全。

由采樣到的輸入輸出電壓電流值，可以根據(jù)公式(5)、(6)和(7)精確計(jì)算出輸入輸出功率Pin、Pout和兩者之間的差值ΔP：

Pin=Uin·Iin

(5)

Pout=Uout·Iout

(6)

ΔP=Pin-Pout

(7)

在發(fā)送與接收兩線圈中心完全耦合時(shí)且兩者間隙為3 mm的實(shí)際應(yīng)用情況下，對(duì)ΔP的閾值進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)得輸入電壓為12 V，輸入電流為1.1 A；輸出電壓為5 V，輸出電流為1.85 A。

由公式(7)可知:

ΔP=Pin-Pout=12×1.1-9.25=3.95 W

同時(shí)器件差異和耦合間隙公差會(huì)引入±5%的ΔP變化，即ΔP∈[3.75 W,4.15 W]，也就是輸入輸出之間的傳輸效率ηP∈[68.56%,71.59%]，當(dāng)輸出效率低于68.56%時(shí)，即停止發(fā)送。

溫度檢測(cè)由熱敏電阻NTC及相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖5所示。熱敏電阻設(shè)置在發(fā)熱源區(qū)域，并定義了低溫5 ℃和高溫90 ℃兩個(gè)閾值點(diǎn)，為無(wú)線充電提供了一個(gè)較為安全的工作溫度范圍。熱敏電阻在低溫5 ℃時(shí)，溫度檢測(cè)端輸出電壓值為56%Vcc，即1.848 V；熱敏電阻在高溫90 ℃時(shí)，溫度檢測(cè)端輸出電壓值為36.6%Vcc，即1.207 8 V。NTC在20 ℃時(shí)標(biāo)稱阻值RNTC_20 ℃為10 kΩ，溫度系數(shù)常數(shù)β為4 200。上拉電阻R1為20 kΩ，根據(jù)以上選定參數(shù)確定出電阻網(wǎng)絡(luò)中R2和R3的阻值。

圖5 車載無(wú)線充電接收端溫度檢測(cè)電路

由公式(8)可得NTC分別在低溫5 ℃和高溫90 ℃時(shí)的阻值：

RNTC_T=RNTC_20 ℃eβ(1/T-1/293)

(8)

RNTC_5 ℃=RNTC_20 ℃eβ(1/T5C-1/293)=10e4 200(1/(5+273)-1/293)=21.672 kΩ

RNTC_90 ℃=RNTC_20 ℃eβ(1/T90C-1/293)=10e4 200(1/(90+273)-1/293)=630.25 Ω

由公式(9)和(10)可得R2和R3的阻值：

(9)

(10)

由此確定整個(gè)溫度檢測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)的全部參數(shù)：R2=8.6 kΩ，R3=100.5 kΩ，以滿足車載無(wú)線充電過(guò)程符合“Qi”標(biāo)準(zhǔn)的溫控要求。

3 結(jié)論

基于電磁感應(yīng)原理，依照“Qi”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)了車載無(wú)線充電方案。該系統(tǒng)包含了高頻逆變電路、諧振電路、通信信號(hào)調(diào)制電路和故障檢測(cè)電路4個(gè)組成部分。使用高效穩(wěn)定的全橋逆變電路，以滿足車載電子設(shè)備的能效要求。同時(shí)針對(duì)發(fā)送端和接收端的工作特點(diǎn)，采用了對(duì)應(yīng)的諧振補(bǔ)償電路，提高了整個(gè)接發(fā)系統(tǒng)的傳輸能力。為了實(shí)現(xiàn)能量傳送和充電信息的同步，接收端運(yùn)用了高品質(zhì)因數(shù)的電容式信號(hào)調(diào)制電路，建立從接收端到發(fā)送端的單向無(wú)線通信鏈路。最后依照“Qi”標(biāo)準(zhǔn)要求，配備了輸入輸出功率檢測(cè)和溫度檢測(cè)電路，使得發(fā)送端可以判別是否有外來(lái)物體出現(xiàn)在電磁耦合路徑內(nèi)，并同時(shí)監(jiān)控整個(gè)充電過(guò)程的溫度變化，使車載無(wú)線充電系統(tǒng)具備更高級(jí)別的安全性。