基于电磁耦合原理的无线充电器的设计

【摘要】电子设备的普及，有线充电的困扰，给无线充电设备的需求带来广阔的空间。现有的无线电力传输技术主要有基于电磁感应，电磁耦合，磁共振，微波等。本文在电磁耦合原理的基础上，结合TI公司的BQ500211数字无线电源控制器及BQ51013A集成型高级接收器，对无线充电进行研究，并设计一款适用于小型电子设备的无线充电器。

【关键词】电磁耦合；无线充电

1.引言

通过对电磁感应，电磁耦合，磁共振，微波等技术的综合分析和比较研究，本文选取了电磁耦合原理来设计一款无线充电器。该无线充电器由由初级线圈，次级线圈和相关的电路模块组成。初级线圈和电子产品也称为发射机和二次侧的接收机。电子的发射线圈通常嵌入充电器中。接收线圈和电子产品通常指便携设备，如手机。当接收线圈与发射线圈相对应后，在发射线圈的驱动下，磁耦合发生。磁通耦合到次级线圈产生电压，电流和功率，再经过整流和激励，便可以很有效地转移到无线负载上。

2.系统总体结构

系统主要包括能量发送单元和能量接收单元两部分。其实现方案如图1所示：

2.1 发射器模块

发射器模块以TI公司开发的第二代数字无线电源控制器BQ500211为主，它集成了无线电源传输所需的各项基本功能，包括询问周边环境以寻找将被供电的 WPC兼容器件、安全使用器件、接收来自被供电器件的数据包及管理电源传送等。BQ500211无线电源发送器特有的动态电源限制（DPL）功能大大增加无线电源应用中的灵活性。如果在电源传输期间发生异情况，BQ500211对其进行处理并提供指示器输出。该芯片还特有MSP430G2001低功耗管理模块，这是一个可选的低功耗特征。通过添加MSP430G2001，BQ500211定期关闭以降低功耗。

2.2 接收器模块

信号经过线圈的耦合，传送到接收器模块，再由BQ51013A进行整流和调节，用以作为负载的电源。该器件集成了一个低阻抗完全同步整流器、低压降稳压器、数字控制、和精确电压与电流环路。完成接收后会进行一个信息反馈，以通过反散射调制稳定电源传输过程。整个功率负温度系数热敏电阻（NTC）和控制引脚（整流器与LDO）均采用低电阻NMOS FET技术以确保高效率与低功率耗散。图2所示为其接收模块电路图。

3.系统软件设计

整个系统软件设计如图3所示：

通过控制器对整个系统进行初始化设置，然后检测设备充电状态，若充电完成则停止充电，整个系统进入低功耗模式。

4.总结

本系统基本实现了对手机等设备的充电，试验结果表明：当两个线圈对齐时具有最好的传输效率；此外，在系统设计时，电容器的选择是正确的系统运作的关键。电磁耦合要求所需要一个总值为400nF的电容，这样才能实现一个100kHz谐振频率的谐振槽，从而提高电力的传输效率。

参考文献

[1]Jung K H，Kim Y H，Kim J，et al.Wireless power transmission for implantable devices using inductive component of closed magnetic circuit.Electron Lett，Vol 45，No.1，May 2009，Page（S）：21-22.

[2]傅文珍，张波，秋东元，等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报，2009，29（18）：21-26.

作者简介：周小芹（1993―），女，湖南邵阳人，现就读于长沙理工大学计算机与通信工程学院，研究方向：无线通信。