无线充电器技术和解决方案

摘要

在移动消费电子市场，无线功率传输越来越普遍。使用此技术，最终用户可方便地对其移动电话或其他便携设备中的电池充电。它也为设计人员提供了一种开发新型移动设备的新方式。无线充电联盟(WPC)发布了一种称为"Qi"的世界无线功率传输标准。它定义电感耦合类型以及功率发射器和功率接收器操作。本文将讨论基本无线功率传输理论；将简要介绍WPC的无线充电标准；并将提供分立式无线充电器解决方案。

简介

电感无线功率传输越来越普遍。最近，许多移动电话制造商宣布其新手机将支持无线充电功能。其中多数制造商使用基于电感功率传输的无线充电技术。此技术也可用于其他便携设备。为了简化无线充电系统设计，创立了无线充电联盟(WPC)并提出了低功率标准。

本文将介绍无线功率传输的基本理论并概述WPC的"Qi"标准。最后，将引入可与Qi标准兼容的低成本分立式无线充电器解决方案。

基本理论

基于电感功率的无线功率传输的基本理论非常简单。众所周知，交变电场将产生磁场，而交变磁场也将产生电场。在发射器上，直流电已转换为交流电，并且产生交变电场。在接收器上，线圈获取交变磁场的电源，并将交流电转换为直流电用于输出负载。

发射器线圈和接收器线圈是分开的，具有大漏电感和小耦合因数，因此传输效率极低。要提高传输效率，必须采用补偿电路。常见方法是在发射器端和接收器端同时放置补偿电容，与发射器线圈和接收器线圈形成谐振电路以改进功率传输。图1显示两个补偿电路方法的拓扑。通常，电容放在传输端与发射器线圈形成串联谐振电路，而在接收器端有两种具有不同拓扑的结构类型。一种是与接收器线圈形成串联谐振电路的电容，另一种是与接收器线圈形成并联谐振电路的电容。

                                                                                     图1 – 两种谐振电路拓扑

电压传递函数如下所示，

Cp和Lp是发射器端发射器线圈的串联电容值和电感值，而Cs和Ls是接收器端接收器线圈的串联或并联电容值及其串联电感值。M是互感。ω0 是谐振频率。ωn是标准化工作频率。n是两个线圈电感的比率。Q是品质因数。K是耦合因数。α是发射器串联电容和接收器电容的比率。R是输出负载。

等式2中未考虑线圈的串联电阻。如果更改电路模型，如图2，将改变串联谐振电路的电压传递函数，如下所示。

                                                                           图2 具有电感串联电阻的串联谐振电路

和，并联谐振电路上的等式与之类似。

有一些参数对无线充电器系统产生影响。在无线充电器应用中，多数系统接收器中使用串联谐振电路，因此我们仅讨论以下这种电路。

(1) 品质因数

在等式6中，Q称为品质因数。发射器线圈或输出电阻改变会影响Q值。在无线充电器系统中，工作点设置在谐振频率上。发射器谐振频率和接收器谐振频率始终相同。因此谐振频率上的电压传递函数值(ωn=1)就是我们感兴趣的。图3 说明系统电压传递函数相对于Q值改变。

                                                                 图3 具有不同品质因数的电压传递函数