2023 06月25日
作者: 小白哥
  • 浏览: 412
  • 收藏:0
  • 点赞:0
手机无线充电概述

1.手机无线充电系统原理

手机无线充电系统应用电磁感应理论,在空间形成变化的电磁场将发射端的电能传送到手机电池,即通过电磁感应使线圈中的磁通量发生变化,从而产生电流来充电,不是通过相应的物理连接,如下图所示。换言之,手机无线充电设备就是让充电和被充电设备之间充满磁场,以此来利用磁场的变化产生电能。虽然手机充电器和手机之间并没有实际性的直接接触,但是通过磁场耦合在线圈中会形成电流和电压,也就是说系统是通过一对距离相对较近的耦合线圈来实现电和磁的能量转化。

1.jpeg

根据法拉第电磁感应定律,闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,这种电流称为感应电流,生成的电动势即为感应电动势。当闭合线圈的面积不变,改变磁场强度时,磁通量也会改变,主要强调变化二字,也就是频率。高频交流电的频率越高,系统传输的能量也会随之提高,具体可通过提高原边线圈的电流变化率,使得原边和副边线圈的电磁感应强度增强,耦合度增加,提高了传输效率,同时也降低了系统损耗,但是频率如果过高,又会增强系统的电磁辐射,使得在设计电磁屏蔽的时候难度会更大。所以有必要对系统发射端结构和接收端结构进行补偿。

这种耦合式的手机无线充电原理和传统的变压器原理类似,不同之处在于耦合程度不一样,传统的变压器耦合是紧耦合,因为传统变压器原边和副边线圈在同一个磁芯上,因此位置相对于来说比较固定,系统的灵活性较差。但是手机无线充电系统体积和变压器不一样,体积必须要小,才能更好的应用在手机中,让手机看起来更加美观。另外手机和变压器不一样之处在于手机位置会比较灵活,所以松耦合更加适合手机充电系统,和传统变压器相比,不满足变压器原副边线圈中电压和电流的匝数比。因此会产生另外一个问题,即在空气磁阻上浪费很大的能量,也使得目前手机无线充电系统的效率不及有线充电,所以手机无线充电系统的设计就会比传统的变压器更加复杂。

2.无线电能传输方式

2.1电磁感应方式

电磁感应技术也称磁感应耦合(Magnetic Inductive Coupled Wireless Power Transfer,MICPT)技术,是最早进入产品化的技术,也是目前发展较为成熟的无线充电技术。其系统框架如下图所示。首先,将220V交流电整流,后经过一级或多级降压,获得目标直流电压;然后,经过高频逆变器将直流转换为高频交流电送至原边发射线圈处;然后,原边发射线圈与副边接收线圈之间经过感应耦合磁场将电能传输至副边接收线圈;然后,副边接收线圈将感应电动势经过整流稳压滤波电路,整理为直流电;最后,经由电源管理电路给负载供电。

2.jpg

目前,MICPT技术是实际投产于无线充电中应用最广泛的技术。不仅应用在电动牙刷、手机、平板电脑等数瓦、数十瓦级的小功率电子设备的充电中,还应用于工业机器人、电动汽车、轨道交通等数百瓦、数千瓦级的大功率用电设备的充电中。但是电磁感应式在实际应用中需要原副边线圈对正,即原边发射线圈与副边接收线圈在三维空间中要做到平面平行且基于中心点分布;否则,充电效率将大幅降低。而且,两线圈垂直距离不能过大,其有效充电距离仅有数毫米至数厘米之间。

2.2电磁辐射方式

电磁辐射技术又称微波辐射(Microwave Wireless Power Transfer,MWPT)技术,其实现途径是通过空间电磁波的定向辐射来实现电能的传输。电磁辐射式的主要工作原理如下图所示。功率放大器将输入的直流功率放大为射频功率,然后送至原边发射天线处,由原边发射天线通过远场电磁波的辐射将能量发送至副边接收天线;然后,由副边接收天线将电磁场携带的能量接收,再由整流稳压滤波电路,将能量整理为直流电为负载供电。

3.jpg

由上述MWPT技术工作原理可以看出,电磁辐射技术适用于远距离,甚至超远距离的电能传输,且传输功率大,电磁波在自由空间内的损耗小等优点。但是,将直流功率放大为射频功率,功耗大,且设备费用高,维护成本高。而且,众所周知,射频信号对于人体伤害大,对电子设备内的其他组件干扰高,其仅适用于航天、卫星、军事等特殊领域的充电中。所以,电磁辐射技术并不适用于民用手机等电子设备的充电领域。

2.3电场耦合方式

电场耦合(Electrical-field Coupled Power Transfer,ECPT)技术,其主要实现途径是通过两组电容极板间的高频电场耦合来实现电能的传输。电场耦合式的主要工作原理如下图所示。高频逆变器将输入的直流电能转换为高频交流电,然后将高频交流电送至原边金属板,然后,在高频交流电的作用下原边金属板与副边金属板间形成交互电场,并在此交互电场的作用下产生位移电流,实现电能的传输。副边金属板将此能量捡起后,由整流稳压滤波电路将能量整理为直流电,经由电源管理电路给负载供电。

4.jpg

由上述ECPT技术工作原理可以看出,其不需要形成闭合回路便可以实现无线充电过程,所以,其电磁辐射小,损耗低。但是两组金属板极板间的等效电容较小,且金属板的体积较大。

2.4磁耦合谐振方式

磁耦合谐振(Magnetic Resonance Coupled Wireless Power Transfer,MRCPT)技术,相比于前文所述MICPT技术,该技术的起步较晚,其主要实现途径为原副边功率线圈在相同的谐振频率产生强耦合磁场来实现电能的传输,磁耦合谐振式的主要工作原理如下所示。首先,将家庭用220V交流电整流,后经过一级或多级降压,获得目标直流电压。然后,经过高频逆变器将直流转换为高频交流电送至原边谐振网络,经由谐振网络将直流功率放大转化为高频能量,将高频能量传递至原边发射线圈,通过原边发射线圈与副边接收线圈在相同的谐振频率下激发强耦合磁场将能量传递至副边接收线圈。然后,副边接收线圈接收的能量,通过副边谐振网络后,传递至整流稳压滤波电路,经由整流稳压滤波电路整理为直流电,最后,通过电源管理电路给负载供电。

5.jpg

MRCPT不仅可以实现数瓦小功率至数千瓦大功率的电子设备供电,而且,其传输距离也可从数厘米至数米。该技术无论传输距离、传输功率还是传输效率均适中,因此,MRCPT技术是近年来研究的热点,也被认为是未来无线充电供电技术主要的突破点和研究方向。

以上介绍了四种无线充电方式的原理,现在针对这四种技术各自的优缺点进行整理总结和比较,具体如下表所示。

6.jpg

3.无线充电标准

目前全球一共有3个无线充电的标准组织,它们相互独立发展且相互影响。大多数公司同时加入了这三个无线充的标准组织,由于不确定这三个组织谁能取得最终的胜利,因为它们各自的标准利弊不同,所以许多公司就全部参加。

但是如今WPC(无线充电联盟)仍是最有影响力的标准,WPC组织目前已经拥有两百多会员,其中TI,Philips,Nokia,CP等在里面有很重要的作用。Qi是WPC的Logo,它是汉字“气”的谐音。现在市场上已经有符合WPC标准的小功率充电设备并且已经被量产。

PMA(Power Matters Alliance)无线充电标准组织联盟的主导者是Powermat。此充电标准和WPC有一些相似之处,工作频率是两者之间最大的不同之处。据说是Starbucks Coffee(星巴克咖啡)支持了此组织。WiFi现在能够火起来也是因为Starbucks Coffee(星巴克咖啡)给顾客提供免费的WiFi可以上网。如今他们也想用同样的方式来推动无线充电的发展。但是现在还没看出特别明显的效果。

最后一个是A4WP(Alliance for Wireless Power)无线充电标准组织。这三个组织的英文意思大致都是无线充电联盟,差别在于所用的英文单词不是完全相同。高通(Qualcomm)与三星(Samsung)是A4WP的主导和发起者。之后Intel也加入了进来。前面两个无线充电标准WPC与PMA可以完成的无线充电距离在10 mm以内,这个距离比较小,超过这个距离将导致充电效率下降很多,因为他们设计的是感应式无线充电。而A4WP这个标准主要做的无线充方式是共振式的,这种充电方式实现的充电距离比较远。据有关数据显示,A4WP设计的无线充电方式在给手机充电时可达到的距离为45mm。但A4WP需要的频率比较高,最少要6.8MHz,采用2.4G的蓝牙进行通信。


  

发表评论

评论列表


没有评论

筛选

文章分类

热门文章

企业招聘网址

2023-12-07  浏览:3097次

BC1.2协议介绍

2023-06-14  浏览:3002次

USB2.0速度识别

2023-10-23  浏览:1415次