無線充電器技術及低成本設計方案

　　感應式無線電力傳輸變得越來越流行。最近，許多手機制造商宣布他們生產的新型手機將支持無線充電功能。大多數新型手機都使用了基于感應電力傳輸的無線充電技術。這種技術也可用于其他便攜設備。為了令無線充電系統的設計更加簡單，無線充電聯盟(WPC)孕育而生，并提出了一個低功耗標準。

　　本文將介紹無線電力傳輸的基本理論并概述WPC提出的“Qi”標準。最后，將介紹一個符合Qi標準的低成本分立式無線充電器解決方案。

　　基本理論

　　基于感應電源的無線電力傳輸的基本理論非常簡單。眾所周知，交流電場將產生磁場，交流磁場也將產生電場。在發射機中，直流電源轉換為交流電，并產生交流電場。在接收機處，線圈拾取來自交流磁場的電源，并將交流電轉換成直流電作為輸出負載。

　　發射線圈和接收線圈彼此分離，泄漏電感大且耦合系數小。因此，傳輸效率非常低。為提高傳輸效率，必須采用一個補償電路。常用方法就是在發送機側和接收機側分別放置一個補償電容，形成一個帶有發送線圈和接收線圈的諧振電路，用于改善電源傳輸。圖1顯示了兩個補償電路方法的拓撲結構。通常情況下，在發送機側放置一個電容以形成帶有發送線圈的串聯諧振電路，而在接收機側有兩種不同的拓撲結構。一種是形成帶有接收線圈的串聯諧振電路的電容，另一種是形成帶有接收線圈的平行諧振電路的電容。

　　圖1 -兩個諧振電路拓撲結構。

　　電壓傳輸函數如下所示：

　　Cp和Lp為發射機側發送線圈的串聯電容值和電感值，而Cs和Ls為接收機側接收線圈的串聯或平行電容值和串聯電感值。M為互感系數。ω0為諧振頻率。ωn為標準化工作頻率。n為兩個線圈電感的比率。Q為品質因子。K為耦合系數。α為發射串聯電容與接收電容的比率。R為輸出負載。

　　圖2帶有電感串聯電阻的串聯諧振電路。

　　在方程式2中，沒有考慮線圈的串聯電阻。如果變更電路模型，如圖2所示，串聯諧振電路的電壓傳輸函數亦會發生變更，如下所示。

　　而且，平行諧振電路的方程式相似。

　　有些參數對無線充電器系統產生影響。在無線充電器應用中，大多數系統接收機使用串聯諧振電路。因此，下文將僅討論串聯諧振電路。

　　(1)品質因子：

　　在方程式6中，Q被稱為品質因子。發射線圈或輸出電阻的變更會影響Q值。在無線充電器系統中，工作點被設定在諧振頻率處。發射諧振頻率和接收諧振頻率總是相同。所以，我們感興趣的是諧振頻率的電壓傳遞函數值(ωn=1)。圖3顯示了Q值的系統電壓傳輸函數變化。

　　圖3具有不同質量因子的電壓傳輸函數。