陈瑞霞++田壮壮++忽晓伟

摘 要：介绍了一种智能型磁耦合无线充电器的设计方案，它可以通过功率发射端与接收端的通信确定充电状态，并且以Ping命令错误判断功能判别异物及移动设备是否需要充电，减少功率浪费。该文阐述了无线充电系统的原理和结构，通过软件设计使无线充电更加智能、实用、节能。

关键词：无线充电 磁耦合 Ping命令

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（a）-0036-02

电力电子技术所涉及的两个主要方面则是电能传输和信号传递，两者往往共同存在与同一个电力电子应用系统中。电能用来给系统运行提供能量和动力，而信号用来检测系统操作状态或者传递控制指令。如果没有信号，系统运行状态将难以知晓或难以控制，但是没有电能，系统将完全不能运行[1]。自从1840年科学家解释电磁感应现象以来，就已经采用导线直接接触的方式解决了电能和信号的传输问题。现在，信号的传输以移动手机为例，不需要直接接触，利用空气可以实现远距离的传递，为人们在生活上提供了极大的方便。而电能的传输仍然主要由导线直接接触进行传输，电工电子设备的供电通过插头和插座来进行，它的发展远远滞后于信号传输的发展。如果能彻底去掉移动终端的各种插口及数据线，那将会给我们的生活带来真正的自由便利。

长期以来，利用磁耦合原理实现电能传输只是在传统变压器和感应电机中得到了应用，根据这个原理利用空气来完成远距离的电能传送。最近几年，很多新方法都是应用的无线电，这让其又受到了欢迎。在给移动设备进行供电时采用无线供电技术（Wireless Power Technology），简称WPT，人们对此课题的兴趣是越来越浓。

1 系统结构原理

在两个共振频率相同的物体之间能有效地传输能量，而不同频率物体之间的相互作用较弱。变化的磁场会产生变化的电场，变化的电场会产生变化的磁场，其大小均与它们的变化率有关系。而正弦函数的变化率是另外一个正弦函数，所以电磁波能够传播出去，而感应电压的产生与磁通量的变化相关，所以线圈内部变化的磁场产生感应电压，从而完成充电过程[2]。

无线充电技术正是利用这一原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图1所示，系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用直流电端直接为系统供电。经过电源管理模块后输出的直流电通过有源晶振逆变电路转换成高频交流电供给初级绕组。通过2个电感线圈耦合能量，次级线圈输出的电流经功率接收转换电路变换成直流电为电池充电。通信控制电路用于将功率控制信息（如控制错误包）传输至功率发射器，以调节功率传输操作点或功率发射器的其他状态。

2 硬件电路设计

我们选用三极管发射极耦合多谐振荡器和共基极复合管放大器组成无线充电电路，发射极耦合多谐振荡器用两个小功率三极管组成，如图2所示。按图中的元器件数据，振荡频率约为400 kHz。充电电路元器件中仅最后一级三极管Q4的耗散功率大些，其他都是一些低功耗器件，有助于提高传输效率及实用性能。

电源信号通过射极耦合多谐振荡电路变换成高频信号再通过R4和C3组成的耦合电路之后被共基极复合管功率放大电路放大。L1和L2分别是初级和次级耦合线圈，放大后的信号通过L1和L2的耦合被无线传送到次级接收电路。高频交流信号被整流滤波后变成直流电能给移动设备电池GB1进行充电。电路可以设计成多个耦合线圈部分能够同时给多部移动终端进行充电。

接收端信息通过通信控制单片机反馈给发射端，并可通过LED显示充电状态、电压、电流以及控制功耗等信息。

3 软件设计

功率发射流程如图3所示。功率发射器发出功率并检测其表面是否放置物体，然后检查所放物体是否为潜在功率接收器，若是则进入Ping阶段进行错误检测[3]。在Ping阶段，功率发射器应执行数字Ping命令。它检查潜在功率接收器是否为功率接收器或功率接收器是否需要功率传输。因此功率接收器必须在功率发射器给主线圈供电的时间内通过负载调制回应。完成此操作后，系统将进入下一阶段，即配置阶段。如果未完成，系统应返回上一阶段，即功率选择阶段。在配置阶段，功率发射器识别并接收功率接收器传输的配置信息，以调节工作点进入功率传输阶段。在功率传输阶段，功率发射器应监控功率传输参数。若参数超出限制，将中止功率传输并返回选择阶段。最后，从功率接收器接收了终止传输数据包时，功率发射器将终止功率传输。

功率接收流程如图4所示。功率接收端发送配置信息并计算控制数据以调整输出电压电流。功率控制信息（如控制错误包）通过通信控制模块传输至功率发射器，以调节功率传输操作点或功率发射器的其他状态。

4 结语

无线充电能让人们更简便地使用基础设施，并创造新的方式使设备与互补性产品的设计相互兼容。这一新领域将对众多电子产品设计产生巨大影响，同时对环保节能有很大的帮助。该文介绍了一款简单实用，成本低廉的无线充电系统，并对其结构和原理进行了详细的分析。该系统能够检测接收端有无可充电移动设备，并准确判断该设备是否需要进行充电。该设计安全、方便、适用范围广，具有较好的应用前景。

参考文献

[1] 肖志坚，韩震宇.关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究[J].自动化技术与应用，2007（12）：56-58.

[2] 周志敏，周纪海.充电器电路设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3] 李一玫.电磁场与电磁波基础教程[M].北京：中国铁道出版社，2010.endprint

摘 要：介绍了一种智能型磁耦合无线充电器的设计方案，它可以通过功率发射端与接收端的通信确定充电状态，并且以Ping命令错误判断功能判别异物及移动设备是否需要充电，减少功率浪费。该文阐述了无线充电系统的原理和结构，通过软件设计使无线充电更加智能、实用、节能。

关键词：无线充电 磁耦合 Ping命令

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（a）-0036-02

电力电子技术所涉及的两个主要方面则是电能传输和信号传递，两者往往共同存在与同一个电力电子应用系统中。电能用来给系统运行提供能量和动力，而信号用来检测系统操作状态或者传递控制指令。如果没有信号，系统运行状态将难以知晓或难以控制，但是没有电能，系统将完全不能运行[1]。自从1840年科学家解释电磁感应现象以来，就已经采用导线直接接触的方式解决了电能和信号的传输问题。现在，信号的传输以移动手机为例，不需要直接接触，利用空气可以实现远距离的传递，为人们在生活上提供了极大的方便。而电能的传输仍然主要由导线直接接触进行传输，电工电子设备的供电通过插头和插座来进行，它的发展远远滞后于信号传输的发展。如果能彻底去掉移动终端的各种插口及数据线，那将会给我们的生活带来真正的自由便利。

长期以来，利用磁耦合原理实现电能传输只是在传统变压器和感应电机中得到了应用，根据这个原理利用空气来完成远距离的电能传送。最近几年，很多新方法都是应用的无线电，这让其又受到了欢迎。在给移动设备进行供电时采用无线供电技术（Wireless Power Technology），简称WPT，人们对此课题的兴趣是越来越浓。

1 系统结构原理

在两个共振频率相同的物体之间能有效地传输能量，而不同频率物体之间的相互作用较弱。变化的磁场会产生变化的电场，变化的电场会产生变化的磁场，其大小均与它们的变化率有关系。而正弦函数的变化率是另外一个正弦函数，所以电磁波能够传播出去，而感应电压的产生与磁通量的变化相关，所以线圈内部变化的磁场产生感应电压，从而完成充电过程[2]。

无线充电技术正是利用这一原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图1所示，系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用直流电端直接为系统供电。经过电源管理模块后输出的直流电通过有源晶振逆变电路转换成高频交流电供给初级绕组。通过2个电感线圈耦合能量，次级线圈输出的电流经功率接收转换电路变换成直流电为电池充电。通信控制电路用于将功率控制信息（如控制错误包）传输至功率发射器，以调节功率传输操作点或功率发射器的其他状态。

2 硬件电路设计

我们选用三极管发射极耦合多谐振荡器和共基极复合管放大器组成无线充电电路，发射极耦合多谐振荡器用两个小功率三极管组成，如图2所示。按图中的元器件数据，振荡频率约为400 kHz。充电电路元器件中仅最后一级三极管Q4的耗散功率大些，其他都是一些低功耗器件，有助于提高传输效率及实用性能。

电源信号通过射极耦合多谐振荡电路变换成高频信号再通过R4和C3组成的耦合电路之后被共基极复合管功率放大电路放大。L1和L2分别是初级和次级耦合线圈，放大后的信号通过L1和L2的耦合被无线传送到次级接收电路。高频交流信号被整流滤波后变成直流电能给移动设备电池GB1进行充电。电路可以设计成多个耦合线圈部分能够同时给多部移动终端进行充电。

接收端信息通过通信控制单片机反馈给发射端，并可通过LED显示充电状态、电压、电流以及控制功耗等信息。

3 软件设计

功率发射流程如图3所示。功率发射器发出功率并检测其表面是否放置物体，然后检查所放物体是否为潜在功率接收器，若是则进入Ping阶段进行错误检测[3]。在Ping阶段，功率发射器应执行数字Ping命令。它检查潜在功率接收器是否为功率接收器或功率接收器是否需要功率传输。因此功率接收器必须在功率发射器给主线圈供电的时间内通过负载调制回应。完成此操作后，系统将进入下一阶段，即配置阶段。如果未完成，系统应返回上一阶段，即功率选择阶段。在配置阶段，功率发射器识别并接收功率接收器传输的配置信息，以调节工作点进入功率传输阶段。在功率传输阶段，功率发射器应监控功率传输参数。若参数超出限制，将中止功率传输并返回选择阶段。最后，从功率接收器接收了终止传输数据包时，功率发射器将终止功率传输。

功率接收流程如图4所示。功率接收端发送配置信息并计算控制数据以调整输出电压电流。功率控制信息（如控制错误包）通过通信控制模块传输至功率发射器，以调节功率传输操作点或功率发射器的其他状态。

4 结语

无线充电能让人们更简便地使用基础设施，并创造新的方式使设备与互补性产品的设计相互兼容。这一新领域将对众多电子产品设计产生巨大影响，同时对环保节能有很大的帮助。该文介绍了一款简单实用，成本低廉的无线充电系统，并对其结构和原理进行了详细的分析。该系统能够检测接收端有无可充电移动设备，并准确判断该设备是否需要进行充电。该设计安全、方便、适用范围广，具有较好的应用前景。

参考文献

[1] 肖志坚，韩震宇.关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究[J].自动化技术与应用，2007（12）：56-58.

[2] 周志敏，周纪海.充电器电路设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3] 李一玫.电磁场与电磁波基础教程[M].北京：中国铁道出版社，2010.endprint

摘 要：介绍了一种智能型磁耦合无线充电器的设计方案，它可以通过功率发射端与接收端的通信确定充电状态，并且以Ping命令错误判断功能判别异物及移动设备是否需要充电，减少功率浪费。该文阐述了无线充电系统的原理和结构，通过软件设计使无线充电更加智能、实用、节能。

关键词：无线充电 磁耦合 Ping命令

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（a）-0036-02

电力电子技术所涉及的两个主要方面则是电能传输和信号传递，两者往往共同存在与同一个电力电子应用系统中。电能用来给系统运行提供能量和动力，而信号用来检测系统操作状态或者传递控制指令。如果没有信号，系统运行状态将难以知晓或难以控制，但是没有电能，系统将完全不能运行[1]。自从1840年科学家解释电磁感应现象以来，就已经采用导线直接接触的方式解决了电能和信号的传输问题。现在，信号的传输以移动手机为例，不需要直接接触，利用空气可以实现远距离的传递，为人们在生活上提供了极大的方便。而电能的传输仍然主要由导线直接接触进行传输，电工电子设备的供电通过插头和插座来进行，它的发展远远滞后于信号传输的发展。如果能彻底去掉移动终端的各种插口及数据线，那将会给我们的生活带来真正的自由便利。

长期以来，利用磁耦合原理实现电能传输只是在传统变压器和感应电机中得到了应用，根据这个原理利用空气来完成远距离的电能传送。最近几年，很多新方法都是应用的无线电，这让其又受到了欢迎。在给移动设备进行供电时采用无线供电技术（Wireless Power Technology），简称WPT，人们对此课题的兴趣是越来越浓。

1 系统结构原理

在两个共振频率相同的物体之间能有效地传输能量，而不同频率物体之间的相互作用较弱。变化的磁场会产生变化的电场，变化的电场会产生变化的磁场，其大小均与它们的变化率有关系。而正弦函数的变化率是另外一个正弦函数，所以电磁波能够传播出去，而感应电压的产生与磁通量的变化相关，所以线圈内部变化的磁场产生感应电压，从而完成充电过程[2]。

无线充电技术正是利用这一原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图1所示，系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用直流电端直接为系统供电。经过电源管理模块后输出的直流电通过有源晶振逆变电路转换成高频交流电供给初级绕组。通过2个电感线圈耦合能量，次级线圈输出的电流经功率接收转换电路变换成直流电为电池充电。通信控制电路用于将功率控制信息（如控制错误包）传输至功率发射器，以调节功率传输操作点或功率发射器的其他状态。

2 硬件电路设计

我们选用三极管发射极耦合多谐振荡器和共基极复合管放大器组成无线充电电路，发射极耦合多谐振荡器用两个小功率三极管组成，如图2所示。按图中的元器件数据，振荡频率约为400 kHz。充电电路元器件中仅最后一级三极管Q4的耗散功率大些，其他都是一些低功耗器件，有助于提高传输效率及实用性能。

电源信号通过射极耦合多谐振荡电路变换成高频信号再通过R4和C3组成的耦合电路之后被共基极复合管功率放大电路放大。L1和L2分别是初级和次级耦合线圈，放大后的信号通过L1和L2的耦合被无线传送到次级接收电路。高频交流信号被整流滤波后变成直流电能给移动设备电池GB1进行充电。电路可以设计成多个耦合线圈部分能够同时给多部移动终端进行充电。

接收端信息通过通信控制单片机反馈给发射端，并可通过LED显示充电状态、电压、电流以及控制功耗等信息。

3 软件设计

功率发射流程如图3所示。功率发射器发出功率并检测其表面是否放置物体，然后检查所放物体是否为潜在功率接收器，若是则进入Ping阶段进行错误检测[3]。在Ping阶段，功率发射器应执行数字Ping命令。它检查潜在功率接收器是否为功率接收器或功率接收器是否需要功率传输。因此功率接收器必须在功率发射器给主线圈供电的时间内通过负载调制回应。完成此操作后，系统将进入下一阶段，即配置阶段。如果未完成，系统应返回上一阶段，即功率选择阶段。在配置阶段，功率发射器识别并接收功率接收器传输的配置信息，以调节工作点进入功率传输阶段。在功率传输阶段，功率发射器应监控功率传输参数。若参数超出限制，将中止功率传输并返回选择阶段。最后，从功率接收器接收了终止传输数据包时，功率发射器将终止功率传输。

功率接收流程如图4所示。功率接收端发送配置信息并计算控制数据以调整输出电压电流。功率控制信息（如控制错误包）通过通信控制模块传输至功率发射器，以调节功率传输操作点或功率发射器的其他状态。

4 结语

无线充电能让人们更简便地使用基础设施，并创造新的方式使设备与互补性产品的设计相互兼容。这一新领域将对众多电子产品设计产生巨大影响，同时对环保节能有很大的帮助。该文介绍了一款简单实用，成本低廉的无线充电系统，并对其结构和原理进行了详细的分析。该系统能够检测接收端有无可充电移动设备，并准确判断该设备是否需要进行充电。该设计安全、方便、适用范围广，具有较好的应用前景。

参考文献

[1] 肖志坚，韩震宇.关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究[J].自动化技术与应用，2007（12）：56-58.

[2] 周志敏，周纪海.充电器电路设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3] 李一玫.电磁场与电磁波基础教程[M].北京：中国铁道出版社，2010.endprint