杨培凯，石　雄

（武汉轻工大学电气与电子工程学院，武汉430023）



一种无线充电管理系统的电路设计*

杨培凯，石雄

（武汉轻工大学电气与电子工程学院，武汉430023）

摘要：针对传统有线充电方式的弊端，开发一种由无线充电发射模块、无线充电接收模块、电源管理模块组成的无线充电管理方案。发射模块通过发射线圈发射能量，接收模块产生电磁感应以后将接收到的电能输出。当接收模块接收到的电能功率较小时，电源管理器能够采集毫瓦级的电能，为充电电池进行充电。整个系统能够满足各种电子产品及无线传感网络节点的供电需求。

关键词：电磁感应；无线充电；电源管理

1　引言

自从电磁感应现象发现至今，传统的电能传输大多通过有线介质进行，比如现在广泛使用的电缆、漆包线等，这种方式需要导线之间直接接触才能进行电能的传输[1]。而在易燃易爆行业，采用导线输电不仅限制了使用范围，而且裸露的导线与金属设备之间会形成高压静电，极易损坏设备。因此，研究一种无接触的新型输电方式显得迫在眉睫。在众多研究方案中，基于电磁感应原理的无线电能传输技术有着广泛的应用前景，符合科技发展当前阶段的研究情况。

在近几年的消费类电子产品中已经使用了短距离无线充电技术。无线充电联盟（WPC）为无线充电技术的发展做出了巨大的努力，他们推出了一种全球标准——Qi标准。符合该标准的充电技术充电时完全无需借助电线，当进行充电时，发射电路将电能通过发射芯片转换成振荡电流并且通过线圈产生电磁场，电磁场在空间传播，遇到接收线圈后就会在接收模块内产生感应电流。接收到的电流经过无线接收芯片进行整流稳压后就可以直接给充电电池充电或者为小功率设备供电[2]。

本次设计采用在接收模块的输出端加上电源管理模块的方法，用来采集接收模块的输出电流，能够很好地提高无线充电的效率，缩短充电时间。同时，对无线充电系统进行改装，将无线充电接收端嵌入到传感网络节点中，不仅可以解决密封的传感网络节点电源供电的问题，也可以增加传感网络节点的使用时间，减少更换节点带来的成本增加。

2　无线充电系统的组成原理

无线充电技术的电能发射端到接收端采用无接触方式，因此与传统输电方式相比，提高了用电设备获取电能的灵活性。无线充电系统需要借助发射端发出的电磁波与接收端的接受线圈产生磁耦合才能进行能量的传输。当线圈之间的耦合系数较小时，会有较大的磁漏，故电压增益下降，传输效率低，而且其耦合系数是随着磁芯之间的距离以及有效感应面积而变化的，因此，这些问题是目前无线充电技术急需攻克的难关。

无线电能传输是一种借助于电磁波进行能量传递的技术，按照电能传输原理的不同，无线电能传输可以分为电场耦合方式、电磁感应方式、磁共振方式、无线电波方式[3]。其中电磁感应充电是目前最为常用和成熟的，通过发射端和接收端的线圈进行能量耦合，从而实现电能传输。基于电磁感应原理的无线充电管理系统由3个模块组成，分别是无线充电发射器、无线充电接收器、电源管理器。该无线充电管理系统方框图如图1所示。

图1　无线充电管理系统方框图

无线充电技术的发射和接收利用了电磁感应原理，电流通过发射芯片后产生振荡的电压，振荡电压流经发射线圈后便会产生电磁场。当接收端线圈感应到发射端的电磁场后便会将电磁转换为电压，电压经过调制加上负载变成电流，电流就可以为接收设备充电。由无线充电管理系统方框图可以看到：发射线圈和接收线圈需要配套使用，发射线圈接在充电板上负责发射能量，接收线圈与传感网络节点或者电子产品相连接负责接收电能。

发射模块产生振荡的磁场，接收模块感应到磁场后，产生电磁感应，由此产生感应电压[4]。由于自由空间的磁干扰，发射和接收线圈的贴合度等问题，接收模块产生的感应电动势可能不稳定，因此在接收模块后面加一个电源管理器来稳定采集电压。电源管理器的负载端直接与手机充电电池或者无线传感网络节点的可充电电池相连，那么充电电池就可以源源不断地进行稳定的充电，从而为MCU提供一个稳定的电源输入。

3　无线充电管理系统的电路设计

整个无线充电管理系统由发射电路（TX）、接收电路（RX）、电源管理电路组成，相互之间协同工作。发射电路经过发射线圈发射能量，接收电路匹配到发射能量以后能够对接收能量进行采集处理。

3.1发射电路（TX）

无线充电的发射端为5 V直流供电，比如我们平时使用的5 V手机充电器就可以直接插在发射端的接口上，为发射模块外部供电。但是发射端的控制芯片BQ500211的外接电压为3.3 V，因此需要通过一个稳压芯片TLV70033将5 V电压降压为3.3 V。发射端3.3 V稳压电路原理图如图2所示。

5 V电压由P1口输入以后，经过TLV70033稳压芯片，将会产生3.3 V VCC输出电压，同时该电压通过电阻R3和电容C3组成的RC振荡电路以后，就会产生3.3V VDC电压，该电压作为发射线圈振荡电路的输入振荡电压。

图2　发射端3.3 V稳压电路原理图

发射端的外部振荡电路通过两片TPS28225D同步驱动器芯片驱动4片N沟道MOS管CSD17308Q3芯片。线圈的两端有两套独立的半桥振荡电路，两个对称的半桥振荡电路组成一个全桥振荡电路[5]。振荡电路的PWM频率由BQ500211的DPWM-1A和DPWM-1B接口控制，两个半桥相移电路相互切换工作，数字解调正向输入端COMM+和数字解调反向输入端COMM-也与BQ500211相连，将整个振荡电路的状态反馈给BQ500211。发射端振荡电路框图如图3所示。

图3　发射端振荡电路框图

无线充电发射端的核心控制芯片选用BQ500211，该芯片特有动态电源限制(DPL)功能，当感应到接收端开始充电时，绿色的LED灯开始闪烁，充电结束后绿色的LED灯常亮。如果出现充电故障，则红色的LED灯常亮。当在发射线圈的磁场周围感应到接收线圈产生的电磁感应时，蜂鸣器会响一声，提示开始充电。

BQ500211的两个PWM接口为全桥振荡电路提供振荡源，4个COMM口用来监测振荡电路的工作状态。发射端BQ500211控制电路框图如图4所示。

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图4　发射端BQ500211控制电路框图

3.2接收电路（RX）

接收电路的核心芯片选为BQ51013B，接收线圈接收到发射线圈产生的能量后发生电磁感应，从而产生振动电压，振荡电压输入BQ51013B进行调制后输出。BQ51013B在WPC v1.1标准下设置了一个外部检测单元（FOD）接口，对接收电压进行管理。BQ51013B自带输出电压调节、负载瞬态响应、多功能NTC和控制针温度监测等功能，能够最大程度地保证无线充电时电流的稳定和安全[6]。接收端BQ51013B电路原理图如图5所示。

图5　接收端BQ51013B电路原理图

BQ51013B的AC1和AC2接口分别接A5接收线圈的两端，负责接收发射线圈发射出的能量。采集到的能量经过电压调节，由P1口输出。

3.3电源管理电路

由于无线充电技术借助线圈进行能量的发射和接收，因此需要使用电源管理芯片对接收模块采集到的能量进行收集管理。无线充电开始时，当接收线圈与发射线圈无法完全轴对称时，充电空间有较强的电磁干扰，接收端与发射端距离过大时，接收模块采集的电流就会不稳定且比较小，如果将这种电流直接输入到充电电池中，不仅充电时间较长，而且充电效率很低，充电效果将大打折扣[7]。

为了解决无线充电过程中电流不稳定带来的影响，因此，本次设计考虑在接收模块的输出端加上一个电源管理器，进行电源管理。该电源管理器芯片选用BQ25504。电源管理电路图如图6所示。

P1口直接与无线充电接收端的输出接口相连接，电源进入电源管理器以后，经过电源管理器进行处理，然后输入到充电电池中储存起来或者通过P2口对电子设备进行供电。

图6　电源管理电路图

BQ25504还具有过压和欠压保护功能，当电压过低时，为了防止充电电池深放电以及完全耗尽电荷电容存储元素所带来的损坏，可以设置外部电阻欠压阈值使电池不再放电[8]。当外部输入电压过高，或者电池充电已经饱和时，设置电源管理器的外部电阻过压阈值可以使电池不再充电，达到保护电源的作用。

4　无线充电管理系统性能测试

按照对应的电路图设计出一套无线充电管理系统，并且在无线充电发射和接收模块设计完成后，进行性能测试。本无线充电管理系统主要应用于可充电电池或者无线传感网络节点，因此为小功率无线充电系统，充电时发射线圈与接收线圈同轴且距离小于1cm[9]。

测试时，稳压电源输出稳定的5 V直流电压作为发射模块的输入电压，将接收模块的输出端直接与功率10 W阻值分别为1 Ω、2 Ω、4 Ω、6 Ω、8 Ω……20 Ω的水泥电阻直接相连，电阻阻值用万用表测试后存在5％的误差。每种阻值的电阻作为负载上电后分别记录此时的输入电流和输出电流（由于电压均为5 V，所以电压不再记录），每种阻值测试3组，然后取平均值，再根据电流电压与功率计算公式计算出此时的输入功率和输出功率。无线充电测试结果如表1所示。

表1　无线充电测试结果

由欧姆定律可知，将电压与电流相乘得到相应的输入功率和输出功率，再用输出功率除以输入功率便得到无线充电的效率。无线充电效率与输出功率之间的关系图如图7。

从无线充电效率与输出功率之间的关系图可以看出，充电效率随着输出功率的增加而不断增加，当输出功率为3 W左右时，充电效率达到峰值，约为80％，随着输出功率的增加，充电效率开始下降。

当发射线圈和接收线圈之间的距离增大时，接收端的感应电流和感应电压就会开始逐渐降低，这个时候无线接收模块的输出功率将会降到毫瓦级以下。如果将这种毫瓦级的电能直接给用电设备或者充电电池使用，那么充电将会由于电量太小而终止。当在接收模块后面加上这种毫瓦级的电源管理器时，电源管理器就可以开始收集这种微弱的电流，并且持续为充电电池充电。

图7　输出功率与无线充电效率关系图

5　结论

电磁感应式无线充电通过磁场输送能量，充电设备的效能接收在75％左右，随着更深层次的研究以及科技不断的进步，这个效能接收率还在不断提高[10]。整个充电系统具备充电完成后自动关闭功能，不仅避免了不必要的能量损耗，而且可以有效地防止电池因为充电过量而带来发热甚至爆炸的危险。无线充电技术对于不同的电子产品，只要符合Qi标准，电源接口都能自动对应，需要充电时只需将充电设备置于充电板上，发射器和接收芯片会同时自动开始工作，充满电时就会自动关闭。

本方案将无线充电系统中加入电源管理模块，当电流非常微弱时，虽然给用电设备充电很慢，但是为埋入式传感网络节点的充电找到了方法。与将传感网络节点取出并更换电池相比，无线充电不仅方便而且节约大量的人力物力。

无线电能传输效率与功率都完全满足日常电子产品对无线充电的要求，同时由于BQ25504的加入，也可以应用于传感器网络节点以及埋入式图像采集粮虫检测系统中，能很好地解决电源供给的问题。对于无线充电技术还要克服效率、充电距离、电磁辐射等问题，因此作为一种发展中的技术，还有很长的路要走。

参考文献：

[1]杨庆新.无线电能传输技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2]韩腾，卓放，刘涛，等．采用非接触方式实现电能传输系统的研究[J]．电气传动，2004，34(z1)：146-149.

[3]陈新，张桂香.电磁感应无线充电的联合仿真研究[J].电子测量与仪器学报，2014：434-438.

[4]吴杰. Collaborative Mobile Charging and Coverage[J].计算机科学技术学报(英文版)，2014，4.

[5] Anusha Pillay, S Prabhakar Karthikeyan, D P Kothari. Congestion management in power systems——A review[J]. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2015:83-90.

[6] Thomas GSandridge,Merima Karastanovic.Digital Detectors and Electromagnetic Interference[J]. Radiologic Technology, 2015:327-328.

[7]熊承龙，沈兵，赵宁.基于电磁感应的无线充电技术传输效率的仿真研究[J].电子器件，2014：131-133.

[8]李松林.基于电磁感应耦合的无线电能传输研究[D].成都：电子科技大学，2012.10-13.

[9]王红亮，张天文，符多铎，张世界.无线充电系统的设计与实现[J].火力与指挥控制，2014，11：183-186.

[10]刘露.无线充电方兴未艾[J].百科知识，2014，6：19-20.

杨培凯（1989—），男，河南信阳人，硕士研究生，主要研究方向为无线传感网络及应用、嵌入式系统。

A kind of Circuit Design of Wireless Charging Management System

YANG Peikai，SHI Xiong
(School of Electric and Electronic Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

Abstract：Developing a kind of wireless charging management program consisting of wireless charging transmitter module, wireless charging receiver module, power management module for the shortages of the traditional wired charging mode. Transmitter module transmits energy through the transmitting coil, and then the receiver module develops electromagnetic induction and outputs the energy. When the receiving module receives electrical power is very small, the power manager can collect the degree of milliwatt energy charging for the rechargeable batteries. The whole system can support the power needs of a variety of electronic products and wireless sensor network.

Keywords:electromagnetic induction; wireless charging; power management

作者简介：

*基金项目：武汉轻工大学校立科研项目(2013d19)，武汉轻工大学研究生创新基金项目（2014cx006）

收稿日期：2015-12-24

中图分类号：TN431.1

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2016）04-0029-05