隨著用電設(shè)備對(duì)供電品質(zhì)的不斷提高，以及對(duì)特殊場(chǎng)合、特殊地理環(huán)境的供電，使得接觸式電能傳輸方式不能滿足實(shí)際需要。近年來(lái)，有關(guān)無(wú)線充電技術(shù)的研究不斷增多。

　　無(wú)線充電系統(tǒng)會(huì)發(fā)射電磁波能量，當(dāng)發(fā)射器上沒(méi)有放充電裝置時(shí)也會(huì)發(fā)射能量，造成能源浪費(fèi)和輻射污染。當(dāng)發(fā)射器上放金屬異物，電磁波對(duì)其加熱，輕則燒毀裝置，重則發(fā)生火災(zāi)。因此，無(wú)線充電系統(tǒng)需要具備對(duì)受電端目標(biāo)物的辨識(shí)功能，當(dāng)正確的目標(biāo)物放置在發(fā)射器上才進(jìn)行充電。

　　常用的身份識(shí)別方法有：1）磁力激活，在受電端上裝一個(gè)磁鐵，當(dāng)發(fā)射端感應(yīng)到磁力后發(fā)送能量；2）通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）加強(qiáng)電路安全；3）感應(yīng)線圈上的資料傳送，利用原副線圈內(nèi)的電力傳送，包含資料碼一起傳送，這種方法最安全也最難完成，因?yàn)楦袘?yīng)線圈上有高能量的電力傳輸，另外還包含了系統(tǒng)的噪聲與負(fù)載電流變化的干擾，如何有效地傳送資料碼是一大難題。為此，在原邊電壓采樣電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種低頻的身份識(shí)別電路。

　　1　QI的無(wú)線充電通信標(biāo)準(zhǔn)

　　無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC）標(biāo)準(zhǔn)下，無(wú)線傳輸?shù)墓膬H為0～5W。達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)范圍的系統(tǒng)在2個(gè)平面線圈之間使用電感耦合將電力從電力發(fā)送器傳輸給電力接收器。原副線圈之間的距離一般為5mm，輸出電壓調(diào)節(jié)由一個(gè)全局?jǐn)?shù)字控制環(huán)路負(fù)責(zé)，這時(shí)電力接收器會(huì)與電力發(fā)送器通信，并產(chǎn)生功耗。該通信是一種通過(guò)反向散射調(diào)制從電力接收器到電力發(fā)送器的單向通信。在反向散射調(diào)制中，電力接收器調(diào)整負(fù)載，從而改變電力發(fā)送器的電流消耗。對(duì)這些電流變化進(jìn)行監(jiān)控，并解調(diào)成2個(gè)設(shè)備協(xié)同工作所需的信息。

　　通信協(xié)議包括模擬、數(shù)字聲脈沖（ping）、身份識(shí)別、配置和電力傳輸。電力接收器放置在電力發(fā)送器上時(shí)出現(xiàn)的典型啟動(dòng)順序如下：

　　1）來(lái)自電力發(fā)送器的模擬ping檢測(cè)到對(duì)象的存在。

　　2）來(lái)自電力發(fā)送器的數(shù)字ping為模擬ping的加長(zhǎng)版，并讓電力接收器有時(shí)間回復(fù)一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度包。若該信息強(qiáng)度包有效，則電力發(fā)送器會(huì)讓線圈保持通電并進(jìn)行下一步驟。

　　3）身份識(shí)別和配置階段，電力接收器會(huì)發(fā)送一些數(shù)據(jù)包，對(duì)其進(jìn)行身份識(shí)別，并向電力發(fā)送器提供配置和設(shè)置信息。

　　4）在電力傳輸階段，電力接收器向電力發(fā)送器發(fā)送控制誤差包，以增加或減少電力。正常運(yùn)行期間，每隔約250ms發(fā)送控制誤差包，而在大信號(hào)變化期間每隔32ms發(fā)送一次。另外，在正常運(yùn)行期間，電力發(fā)送器每隔5s發(fā)送一次電力包。

　　5）為了終止電力傳輸，電力接收器發(fā)送一條“終止充電”消息或者1.25s內(nèi)不進(jìn)行通信，使電力發(fā)送器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

　　2　原副線圈耦合系數(shù)對(duì)原邊LC電壓的影響

　　由RLC串聯(lián)諧振電路得

　　當(dāng)原邊感應(yīng)電路與副邊感應(yīng)電路結(jié)構(gòu)存在過(guò)大的氣隙時(shí)，不僅副邊線圈的能量接收率變差，且副邊電路和原邊電路距離較遠(yuǎn)時(shí)，副邊電路反射電阻變小，Q值增大。由RLC串聯(lián)諧振電路可知，發(fā)生諧振時(shí)電感電壓是輸入電壓的Q倍，當(dāng)副邊感應(yīng)電路結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離原邊電路時(shí)，Q值增加，電感電壓隨之增大，所以可以通過(guò)檢測(cè)電感電壓值來(lái)判斷副邊感應(yīng)結(jié)構(gòu)是否遠(yuǎn)離原邊感應(yīng)電路。

　　除了氣隙會(huì)影響原副線圈的耦合系數(shù)外，補(bǔ)償電容的大小也會(huì)影響耦合系數(shù)。補(bǔ)償電容與電路耦合系數(shù)的關(guān)系如表1所示。當(dāng)改變副邊電路的補(bǔ)償電容時(shí)，諧振頻率也會(huì)改變，導(dǎo)致電路的原副線圈的耦合系數(shù)也跟著改變，電路的效率也作相應(yīng)的改變。當(dāng)諧振頻率接近開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，原副線圈的耦合系數(shù)大，電路效率高，電感峰值電壓小。當(dāng)電路只有副邊補(bǔ)償電容改變時(shí)，電感的峰值電壓的大小反應(yīng)了副邊電路補(bǔ)償電容的改變情況。

　　表1　補(bǔ)償電容與電路耦合系數(shù)的關(guān)系

　　放在電力發(fā)送器上的物體有可能是耦合系數(shù)較高的物體，如金屬線圈、無(wú)線充電接收模塊等，也有可能是耦合系數(shù)較低的物體。對(duì)于耦合系數(shù)低的物體，不需要對(duì)其進(jìn)行身份識(shí)別，因?yàn)榇藭r(shí)無(wú)線充電器充電效率低，原邊電流大，LC電路電壓高，電路在檢測(cè)到一定時(shí)間的連續(xù)高電壓狀態(tài)后，將開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。對(duì)于耦合系數(shù)較高的物體，必須對(duì)其身份識(shí)別，防止誤充電。

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　　在充電過(guò)程中，一般物體的耦合系數(shù)不會(huì)隨時(shí)間變化，原邊LC電路電壓不會(huì)有太大的變化。利用這一特性，在識(shí)別階段設(shè)法讓無(wú)線充電模塊的耦合狀態(tài)按某個(gè)頻率不斷地變化，將無(wú)線充電模塊從其他物體中區(qū)別出來(lái)。不斷變化的耦合狀態(tài)，可以通過(guò)按一定的頻率有節(jié)奏地改變副邊電路的補(bǔ)償電容值獲得。當(dāng)副邊電路補(bǔ)償電容值變大1倍后，原邊的電感電壓會(huì)有明顯的改變。

　　3　識(shí)別電路的設(shè)計(jì)

　　原邊電路如圖1所示，其中，控制、驅(qū)動(dòng)電路用U1代替；副邊電路如圖2所示，其中，降壓、穩(wěn)壓電路用U2代替。副邊電路采用并聯(lián)補(bǔ)償方式，感應(yīng)電壓經(jīng)副邊電路的整流濾波、穩(wěn)壓降壓后輸出。在副邊LC并聯(lián)諧振電路中，增加一個(gè)由電容和2個(gè)開(kāi)關(guān)管組成的電路，單片機(jī)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管達(dá)到改變?cè)本€圈耦合程度的目的。原邊電路采用半橋諧振電路和串聯(lián)補(bǔ)償方式。電壓采樣電路如圖3所示。通過(guò)并聯(lián)感應(yīng)線圈的電阻，取其分量經(jīng)過(guò)半波整流濾波后，輸出直流回饋電壓VC。取樣初級(jí)側(cè)感應(yīng)線圈的電壓大小變化作為保護(hù)控制電路的回饋信號(hào)，其中，

　　圖1　原邊電路

　　圖2　副邊電路

　　圖3　電壓采樣電路

　　用LM319判定原邊LC諧振電路電壓是否為高電壓。原邊LC諧振電路電壓經(jīng)過(guò)電壓采樣電路的采樣后，再經(jīng)過(guò)半波整流濾波，得到一個(gè)較為平穩(wěn)的采樣電壓。采樣電壓送入LM319的同相端，基準(zhǔn)電壓輸入到LM319的反相端。若原邊LC串聯(lián)諧振電路的電壓較低，則采樣電壓也較低，LM319輸出一個(gè)低電平電壓；反之，LM319輸出一個(gè)高電平電壓。

　　原邊單片機(jī)接收來(lái)自LM319的電壓判別信號(hào)。原邊單片機(jī)的工作時(shí)間分為識(shí)別階段和充電階段。在識(shí)別階段，若單片機(jī)收到預(yù)設(shè)信號(hào)，則發(fā)出使能信號(hào)，原邊電路進(jìn)入充電階段；反之，單片機(jī)關(guān)斷使能信號(hào)，原邊電路進(jìn)入低功耗的待機(jī)狀態(tài)。

　　3.1　副邊單片機(jī)設(shè)計(jì)

　　副邊單片機(jī)的程序流程如圖4所示。為了與原邊同步，副邊單片機(jī)并非一啟動(dòng)就輸出8個(gè)高低電平，而是在原邊電路向副邊電路發(fā)送能量之后才發(fā)送。原邊電路向副邊電路發(fā)射能量，電容C6會(huì)積累電荷，電壓升高并維持一定的時(shí)間。單片機(jī)就可以通過(guò)檢測(cè)第6引腳的電壓是否為高電平來(lái)確定原邊電路是否向副邊電路發(fā)送能量。開(kāi)始后，單片機(jī)不斷地檢測(cè)第6引腳電壓是否為高電平，若是高電平，則單片機(jī)執(zhí)行下一步動(dòng)作；若不是高電平，則單片機(jī)繼續(xù)檢測(cè)第6引腳的電壓是否為高電平。

　　圖4　副邊單片機(jī)程序流程

　　在檢測(cè)到第6引腳的高電平后，單片機(jī)向開(kāi)關(guān)管發(fā)送8個(gè)高低電平的驅(qū)動(dòng)電壓，以使副邊感應(yīng)電路有節(jié)奏地改變耦合系數(shù)。

　　在發(fā)送完8個(gè)高低驅(qū)動(dòng)電平后，單片機(jī)就一直檢測(cè)第6引腳是否為低電平。若是高電平，則說(shuō)明原邊一直都在向副邊發(fā)送能量，此時(shí)原副邊線圈處于較大的耦合系數(shù)狀態(tài)下，副邊電路可以高效地接收原邊電路向副邊電路發(fā)送的能量；若是低電平，則說(shuō)明本次循環(huán)結(jié)束，或者受到某種影響而中斷了原邊能量的發(fā)送，單片機(jī)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

　　3.2　原邊單片機(jī)設(shè)計(jì)

　　原邊單片機(jī)的工作時(shí)間分為2個(gè)階段：識(shí)別階段和充電階段。在識(shí)別階段，若單片機(jī)收到預(yù)設(shè)的信號(hào)，則單片機(jī)發(fā)出使能信號(hào)，電路進(jìn)入充電階段；若在規(guī)定的周期內(nèi)，單片機(jī)沒(méi)有收到預(yù)設(shè)的信號(hào)，則單片機(jī)關(guān)斷使能信號(hào)，電路進(jìn)入低功耗的待機(jī)狀態(tài)，直到下一個(gè)循環(huán)。

　　假設(shè)副邊電路發(fā)送的是10101010八位高低驅(qū)動(dòng)電平，則其反射到原邊電路，經(jīng)過(guò)電壓采樣電路的采樣，原邊單片機(jī)最終檢測(cè)到的電壓應(yīng)該是10101010八位高低判別電平。在原邊單片機(jī)啟動(dòng)后，原邊單片機(jī)進(jìn)入識(shí)別階段，原邊單片機(jī)先發(fā)出16個(gè)周期的使能信號(hào)，讓控制電路能正常工作；單片機(jī)不停地檢測(cè)電壓采樣電路的電壓，只要檢測(cè)到的采樣電壓與預(yù)設(shè)值相符，單片機(jī)立即進(jìn)入充電階段；若單片機(jī)檢測(cè)到的電壓與預(yù)設(shè)值不相符，并且達(dá)到了16個(gè)檢測(cè)周期，則判定原邊電路沒(méi)有檢測(cè)到相符的接收模塊，單片機(jī)關(guān)斷使能信號(hào)，無(wú)線充電器進(jìn)入低功耗待機(jī)階段；待機(jī)結(jié)束后，單片機(jī)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。在充電階段，若電壓采樣電路出現(xiàn)連續(xù)的8個(gè)高電平，則認(rèn)為副邊電路已遠(yuǎn)離原邊電路，或是副邊電路出現(xiàn)了開(kāi)路、短路的現(xiàn)象，應(yīng)該關(guān)斷使能信號(hào)，讓原邊電路進(jìn)入低功耗的待機(jī)階段。

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　　圖5　原邊單片機(jī)程序流程

　　4　結(jié)束語(yǔ)

　　介紹了無(wú)線充電技術(shù)QI標(biāo)準(zhǔn)中的通信協(xié)議，分析了原副線圈耦合程度對(duì)原邊電感電壓的影響。在此基礎(chǔ)上提出了一種身份識(shí)別電路。通過(guò)對(duì)副邊電路補(bǔ)償電容容量的控制，有節(jié)奏地改變?cè)本€圈之間的耦合系數(shù)，原邊單片機(jī)采樣原邊電感的電壓，把采樣電壓與預(yù)設(shè)電壓比較，最終達(dá)到識(shí)別副邊電路的目的。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)待機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短，達(dá)到降低待機(jī)功耗的目的。

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