秩名 發表於 2015-07-02 10:54:59
隨著用電設備對供電品質的不斷提高，以及對特殊場合、特殊地理環境的供電，使得接觸式電能傳輸方式不能滿足實際需要。近年來，有關無線充電技術的研究不斷增多。
無線充電系統會發射電磁波能量，當發射器上沒有放充電裝置時也會發射能量，造成能源浪費和輻射汙染。當發射器上放金屬異物，電磁波對其加熱，輕則燒毀裝置，重則發生火災。因此，無線充電系統需要具備對受電端目標物的辨識功能，當正確的目標物放置在發射器上才進行充電。
常用的身份識別方法有：1）磁力激活，在受電端上裝一個磁鐵，當發射端感應到磁力後發送能量；2）通過射頻識別（RFID）加強電路安全；3）感應線圈上的資料傳送，利用原副線圈內的電力傳送，包含資料碼一起傳送，這種方法最安全也最難完成，因為感應線圈上有高能量的電力傳輸，另外還包含了系統的噪聲與負載電流變化的幹擾，如何有效地傳送資料碼是一大難題。為此，在原邊電壓採樣電路的基礎上，設計了一種低頻的身份識別電路。
1 QI的無線充電通信標準
無線充電聯盟（WPC）標準下，無線傳輸的功耗僅為0～5W。達到這一標準範圍的系統在2個平面線圈之間使用電感耦合將電力從電力發送器傳輸給電力接收器。原副線圈之間的距離一般為5mm，輸出電壓調節由一個全局數字控制環路負責，這時電力接收器會與電力發送器通信，並產生功耗。該通信是一種通過反向散射調製從電力接收器到電力發送器的單向通信。在反向散射調製中，電力接收器調整負載，從而改變電力發送器的電流消耗。對這些電流變化進行監控，並解調成2個設備協同工作所需的信息。
通信協議包括模擬、數字聲脈衝（ping）、身份識別、配置和電力傳輸。電力接收器放置在電力發送器上時出現的典型啟動順序如下：
1）來自電力發送器的模擬ping檢測到對象的存在。
2）來自電力發送器的數字ping為模擬ping的加長版，並讓電力接收器有時間回復一個信號強度包。若該信息強度包有效，則電力發送器會讓線圈保持通電並進行下一步驟。
3）身份識別和配置階段，電力接收器會發送一些數據包，對其進行身份識別，並向電力發送器提供配置和設置信息。
4）在電力傳輸階段，電力接收器向電力發送器發送控制誤差包，以增加或減少電力。正常運行期間，每隔約250ms發送控制誤差包，而在大信號變化期間每隔32ms發送一次。另外，在正常運行期間，電力發送器每隔5s發送一次電力包。
5）為了終止電力傳輸，電力接收器發送一條「終止充電」消息或者1.25s內不進行通信，使電力發送器進入低功耗狀態。
2 原副線圈耦合係數對原邊LC電壓的影響
由RLC串聯諧振電路得
當原邊感應電路與副邊感應電路結構存在過大的氣隙時，不僅副邊線圈的能量接收率變差，且副邊電路和原邊電路距離較遠時，副邊電路反射電阻變小，Q值增大。由RLC串聯諧振電路可知，發生諧振時電感電壓是輸入電壓的Q倍，當副邊感應電路結構遠離原邊電路時，Q值增加，電感電壓隨之增大，所以可以通過檢測電感電壓值來判斷副邊感應結構是否遠離原邊感應電路。
除了氣隙會影響原副線圈的耦合係數外，補償電容的大小也會影響耦合係數。補償電容與電路耦合係數的關係如表1所示。當改變副邊電路的補償電容時，諧振頻率也會改變，導致電路的原副線圈的耦合係數也跟著改變，電路的效率也作相應的改變。當諧振頻率接近開關頻率時，原副線圈的耦合係數大，電路效率高，電感峰值電壓小。當電路只有副邊補償電容改變時，電感的峰值電壓的大小反應了副邊電路補償電容的改變情況。
表1 補償電容與電路耦合係數的關係
放在電力發送器上的物體有可能是耦合係數較高的物體，如金屬線圈、無線充電接收模塊等，也有可能是耦合係數較低的物體。對於耦合係數低的物體，不需要對其進行身份識別，因為此時無線充電器充電效率低，原邊電流大，LC電路電壓高，電路在檢測到一定時間的連續高電壓狀態後，將開關管關斷，進入待機狀態。對於耦合係數較高的物體，必須對其身份識別，防止誤充電。
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在充電過程中，一般物體的耦合係數不會隨時間變化，原邊LC電路電壓不會有太大的變化。利用這一特性，在識別階段設法讓無線充電模塊的耦合狀態按某個頻率不斷地變化，將無線充電模塊從其他物體中區別出來。不斷變化的耦合狀態，可以通過按一定的頻率有節奏地改變副邊電路的補償電容值獲得。當副邊電路補償電容值變大1倍後，原邊的電感電壓會有明顯的改變。
3 識別電路的設計
原邊電路如圖1所示，其中，控制、驅動電路用U1代替；副邊電路如圖2所示，其中，降壓、穩壓電路用U2代替。副邊電路採用並聯補償方式，感應電壓經副邊電路的整流濾波、穩壓降壓後輸出。在副邊LC並聯諧振電路中，增加一個由電容和2個開關管組成的電路，單片機通過控制開關管達到改變原副線圈耦合程度的目的。原邊電路採用半橋諧振電路和串聯補償方式。電壓採樣電路如圖3所示。通過並聯感應線圈的電阻，取其分量經過半波整流濾波後，輸出直流回饋電壓VC。取樣初級側感應線圈的電壓大小變化作為保護控制電路的回饋信號，其中，
圖1 原邊電路
圖2 副邊電路
圖3 電壓採樣電路
用LM319判定原邊LC諧振電路電壓是否為高電壓。原邊LC諧振電路電壓經過電壓採樣電路的採樣後，再經過半波整流濾波，得到一個較為平穩的採樣電壓。採樣電壓送入LM319的同相端，基準電壓輸入到LM319的反相端。若原邊LC串聯諧振電路的電壓較低，則採樣電壓也較低，LM319輸出一個低電平電壓；反之，LM319輸出一個高電平電壓。
原邊單片機接收來自LM319的電壓判別信號。原邊單片機的工作時間分為識別階段和充電階段。在識別階段，若單片機收到預設信號，則發出使能信號，原邊電路進入充電階段；反之，單片機關斷使能信號，原邊電路進入低功耗的待機狀態。
3.1 副邊單片機設計
副邊單片機的程序流程如圖4所示。為了與原邊同步，副邊單片機並非一啟動就輸出8個高低電平，而是在原邊電路向副邊電路發送能量之後才發送。原邊電路向副邊電路發射能量，電容C6會積累電荷，電壓升高並維持一定的時間。單片機就可以通過檢測第6引腳的電壓是否為高電平來確定原邊電路是否向副邊電路發送能量。開始後，單片機不斷地檢測第6引腳電壓是否為高電平，若是高電平，則單片機執行下一步動作；若不是高電平，則單片機繼續檢測第6引腳的電壓是否為高電平。
圖4 副邊單片機程序流程
在檢測到第6引腳的高電平後，單片機向開關管發送8個高低電平的驅動電壓，以使副邊感應電路有節奏地改變耦合係數。
在發送完8個高低驅動電平後，單片機就一直檢測第6引腳是否為低電平。若是高電平，則說明原邊一直都在向副邊發送能量，此時原副邊線圈處於較大的耦合係數狀態下，副邊電路可以高效地接收原邊電路向副邊電路發送的能量；若是低電平，則說明本次循環結束，或者受到某種影響而中斷了原邊能量的發送，單片機進入下一個循環。
3.2 原邊單片機設計
原邊單片機的工作時間分為2個階段：識別階段和充電階段。在識別階段，若單片機收到預設的信號，則單片機發出使能信號，電路進入充電階段；若在規定的周期內，單片機沒有收到預設的信號，則單片機關斷使能信號，電路進入低功耗的待機狀態，直到下一個循環。
假設副邊電路發送的是10101010八位高低驅動電平，則其反射到原邊電路，經過電壓採樣電路的採樣，原邊單片機最終檢測到的電壓應該是10101010八位高低判別電平。在原邊單片機啟動後，原邊單片機進入識別階段，原邊單片機先發出16個周期的使能信號，讓控制電路能正常工作；單片機不停地檢測電壓採樣電路的電壓，只要檢測到的採樣電壓與預設值相符，單片機立即進入充電階段；若單片機檢測到的電壓與預設值不相符，並且達到了16個檢測周期，則判定原邊電路沒有檢測到相符的接收模塊，單片機關斷使能信號，無線充電器進入低功耗待機階段；待機結束後，單片機進入下一個循環。在充電階段，若電壓採樣電路出現連續的8個高電平，則認為副邊電路已遠離原邊電路，或是副邊電路出現了開路、短路的現象，應該關斷使能信號，讓原邊電路進入低功耗的待機階段。
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圖5 原邊單片機程序流程
4 結束語
介紹了無線充電技術QI標準中的通信協議，分析了原副線圈耦合程度對原邊電感電壓的影響。在此基礎上提出了一種身份識別電路。通過對副邊電路補償電容容量的控制，有節奏地改變原副線圈之間的耦合係數，原邊單片機採樣原邊電感的電壓，把採樣電壓與預設電壓比較，最終達到識別副邊電路的目的。通過適當設計待機時間的長短，達到降低待機功耗的目的。
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