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

安徽师范大学物理与电子信息学院 马赟馨 谢 妍

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

安徽师范大学物理与电子信息学院 马赟馨 谢 妍

利用磁耦合共振传输技术对无线充电系统进行电能-磁场能-电能的转换和传输，实现对手机的无接触充电。从磁耦合共振的原理、系统结构及组成模块、工作流程、A4WP技术标准、影响无线充电传输效率的因素以及该系统的创新特色分别进行研究。

磁耦合共振；手机无线充电系统；设计与研究

0 引言

有线充电因为摆脱不了电源线的束缚，不同移动设备接口的适配器不同等原因在使用上会有诸多不便，在处理手机耗电量快的问题上，仅仅增加电池的容量是一种治标不治本的体现，对于充电困难方面并没有很好的解决。因而，无线充电技术应运而生，在很大程度上满足了人们的充电需求。本论文主要研究基于磁耦合共振传输技术的手机无线充电系统的系统各组成模块、工作流程的设计和影响无线充电传输效率的因素、A4WP 技术标准以及系统的创新特色等。

1 磁耦合共振的原理和结构

无线充电技术的发展主要经历了两种模式，分别是磁感应模式和磁共振模式。磁感应要求充电板与充电设备必须紧密耦合，只能一对一充电；相反，磁共振是松散耦合，有极大的空间自由，可以被多台充电设备使用。磁耦合共振传输技术是一种新兴的磁共振传输技术。

1.1 磁耦合共振传输技术的原理

磁耦合共振传输技术的原理如图1所示。磁耦合共振传输技术是将发射端和接收端的线圈制作成磁共振体系，当发射电路线圈产生的磁场振动频率与接收电路的固有频率一致的时候，在相距一定的距离，由于磁场耦合产生共振，从而进行电能和磁能的能量传递。

图1 磁共振的原理图

1.2 磁耦合共振传输技术的结构

磁耦合共振无线充电系统由电能输送模块和电能接收模块两部分组成。电能输送模块包括交流电源、直流电源、基准电压、驱动结构、控制保护装置、功率放大器输出、振荡结构以及发射电磁线圈；电能接收模块包括接收电磁线圈、供电负载和高频整流滤波装置。磁耦合共振无线充电系统的结构类似于电磁感应的结构，区别在于磁耦合共振多了一个高频驱动电源设备来供电，加载在有电磁线圈和电容器的LC共振电路中，并非简单的用普通电磁线圈构成电能输送和电能接收的两个模块。当电源输送模块接上电源时，就会产生交变磁束帧使电能接收模块产生电动势，为负载持续不断地供电。

2 磁耦合共振无线充电系统结构

磁耦合共振无线充电系统框图如图2所示，该系统包括直流电输入模块、交流电输入模块、电源管理模块、发射电路模块、接收转换电路模块、充电电路模块等六大模块。

图2 磁耦合共振式无线充电系统框图

2.1 发射电路

该系统的发射端等同于传统充电系统的充电器端。发射电路主要由驱动电路、保护电路、阻抗匹配、驱动线圈、发射线圈以及DDS、MCU与RFID阅读器和AD/DC转换器组成。

（1）驱动电路

驱动电路实现放大丙类信号的功能，过零比较器可以把DDS产生的正弦波信号转变成方波信号，方波通过驱动电流驱动场效应管。

（2）DDS

DDS由丙类功放电路的大功率信号调控，使得正弦信号和线圈共振的频率调为一致，再通过过零比较器，将正弦波信号转变成方波信号，再把方波信号送到发射电路中。

（3）RFID

RFID是一种无线自动识别技术，它通过发射信号来识别目标产物，并由此分析得到所需数据。其最大的优势就是不需要人员的控制，并且通过耦合来实现阅读器和电子标签间的不接触无线数据通信。RFID的原理图如图3所示。

图3 RFID的原理图

当RFID技术运用到无线充电系统中时，阅读器经过磁感应产生电流并转化成一种具有特别频率的信号，这个信号在被电子标签收到之后，同时产生射频信号并做出回应，这样阅读器就不需要接触目标产物来间接分析出电子数据，进而识别出身份，最终确认目标。确认目标后，电能的发射端驱动电路产生小范围的电磁场，该电磁场的磁场弱且频率变化快。当电能的接收端进入这个电磁场时，发射端因磁通量的改变产生感应交流电动势，接收端的桥式整流就会产生作用把交流电动势转变成直流电动势，但这个时候输出的直流电混有其他杂乱的信号，需要借助电容进行过滤，才能得到所需的直流电动势，来为负载电路供电，完成无线电的传输。

2.2 接收转换电路

该系统的接收端等同于手机等便携式待充电设备。接收转换电路主要由谐振网络阻抗匹配、AD/DC转换器、稳压电路、接收电路、负载电路和有RFID 标签电路组成。

（1）谐振网络

系统的接收转换电路的谐振网络实现两个转换，首先将电能发射端的谐振网络产生的交变电磁场能转换成电能，然后将该电能转换成高频交流电。电能接收端的谐振网络作用是增强从电磁场获取电能的能力，提高电能传输能力，其中的补偿电容的组成部分是一个耦合电感Ls和补偿电容Cs。

（2）AC/DC转换

AC/DC转换也是实现能量的转换，它把接收端接收到的高频交流电转换成较为稳定的直流电，并输送给负载电路。

电能接收端的流程如图4所示，当接收端接收到电能后，与发射端进行及时通信，若发射端没有终止传输电能，则继续发送信号强度数据包、身份标识数据包和配置数据包这三种数据包，并开始发送第四种数据包，即控制误差数据包。然后通过检测电路反馈给控制器的信号，判断整流滤波后的输出电压是否正常。当整流后的电压不正常时，控制器立即向电能发射端发送终止传输电能的信号，终止电能传输；当整流电压正常时，控制器检查反馈的设备信息，来判断充电是否完成。如果充电完成，那么控制器向电能发射端发送结束充电的信号，充电过程结束；如果充电未完成，那么发射端发送控制误差信号，通过调节，继续步骤。

图4 电能接收端的流程图

图5 系统工作流程图

3 工作流程

系统工作流程如图5所示。首先进入待机模式，发送端开始探寻待充电设备，若探寻成功，则检测是否为可充电设备，若检测为可充电设备，则发送端检测待充电设备信息，检测后充电并读取设备信息；若检测到不是可充电设备，则回到初始待机模式。读取设备信息完成后，实时监测设备信息，若设备充电完成，则充电结束；若充电没有完成，则继续充电，直到充电完成。

4 无线充电传输效率的影响因素

无线充电传输可以采用增加耦合的方式来提高效率，所以耦合系数在传输电能的过程中起着至关重要的作用，而损耗系数在能量无线传输中的作用也不可磨灭，两者一同决定着传输系统的共振程度。

4.1 传输系统的耦合系数

当两个螺旋线圈之间的距离d,远小于谐振波长λ，但又远大于线圈半径r时，两个线圈之间的互感M可表示为：

则两线圈之间的耦合系数k可表示为：

由上述公式可知，当d>>r时，耦合系数k将随距离以d3衰减，故传输效率跟耦合系数有很大的关系。

4.2 传输系统的损耗系数

损耗系数可以由下列计算式算出

其中R为等效电阻，L是线圈的等效电感，由此可见线圈寄生电阻和线圈感数对于损耗系数的影响是很大的。当系统处于高频环境下，产生的感应电流通过导电线圈时会沿着导线截面而分布不均，这就是所谓的集肤效应。

5 A4WP技术标准

A4WP标准是Alliance for Wireless Power标准的简称，A4MP标准设定了精准的共振频率，能够在极弱的感应磁场产生共振，给负载充电。A4WP采用“电磁谐振无线充电技术”，可以实现稍远距离的无线充电，是基于磁耦合共振的第一标准，被称为明天的无线充电标准。

6 系统的创新特色

（1）基于磁耦合共振传输技术的手机无线充电系统能量传输率高、自由度大、无辐射和无电磁干扰；

（2）系统电能发射端采用RFID技术具有识别功能，防止因误加热充电器以外的金属，且无需人工干预。

（3）超低待机功耗，若充电器长时间检测不到物体，系统则进入深度睡眠模式，降低功耗，提高整体效率。

7 结束语

本文提出的基于磁耦合共振传输技术的手机无线充电系统解决了有线充电带来很大的不便，且相比于电磁感应的无线充电技术，它的优势是无线充电的距离更远，并且可以自动识别充电器以外的金属，智能地分配能量，达到节能的目的。只要制定统一的无线充电标准，就能使所有符合该标准的可充电设备使用同一无线充电器充电。

综合来看，本文研究的磁耦合共振无线手机充电系统摆脱了手机充电时对于数据线的依赖，不是通过物理连接而是通过空间中的电磁变化来提供电能给手机电池充电，这种充电灵活、方便、通用性好的特点使得无线充电技术具有广阔的发展和应用前景，对于推动无线充电技术上具有一定的理论意义和实用价值，为后续无线充电系统的设计提供了可靠的参考和借鉴。

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马赟馨（1997—），女，安徽阜阳人，大学本科，学士，现就读于安徽师范大学物理与电子信息学院，主要研究方向：硬件电路设计与仿真、无线通信。

国家级大学生创新创业项目（201610370154）。

谢妍（1996—），女，安徽马鞍山人，大学本科，学士，现就读于安徽师范大学物理与电子信息学院，要研究方向：软件算法设计、嵌入式开发。