一种无线充电识别电路的设计
2021-03-05
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第33卷第1期 桂林电子科技大学学报 Vo1.33,NO.1 2013年2月 Journal of Guilin Unlvers!ty of Electronic Technology Feb.2013 一种无线充电识别电路的设计 黄创大,唐 宁,李荣毅 (桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004) 摘 要:基于原副线圈耦合程度对原边LC串联谐振电路电压产生影响,设计了一种低频的身份识别电路。在身份 识别阶段,按照一定的频率有节奏地改变副边电路补偿电容的大小,促使副边电路谐振频率发生改变,同时改变了 原副线圈的耦合系数,进而改变原边LC电路的Q值和电感峰值电压。单片机通过检测原边LC电路是否产生相 应频率的高低电压来达到身份识别的目的。若副边电路通过身份识别,则原边电路正常工作;否则原边电路进入 低功耗的待机状态。 关键词:无线充电;身份识别;耦合系数 、 中图分类号:TM133 文献标志码:A 文章编号:1673-808X(2013)01—0009—05 Design of identification circuit in wireless power transfer Huang Chuangda,Tang Ning,Li Rongyi (School of Information and Communication Erlgineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China) Abstract:The original coil and secondary coil coupling degree influences the voltage of original LC circuit,SO a low- frequency identification circuit is designed.In the state of identification,the secondary circuit changes its compensa— tion capacitor rhythmically according tO a certain frequency,the resonant frequency and the coupling coefficient of O— riginal and secondary coil were changed.So that the value Q of the primary LC circuit and the inductor peak voltage will be changed.The primary LC circuit is tested whether it produces the corresponding high or low voltage tO a— chieve the purpose of identification.If identification is successful,the primary circuit works properly else waits in a low-power loss state. Key words:wireless power transfer;identity recognition;coupling coefficient . 随着用电设备对供电品质的不断提高,以及对特 通过射频识别(RFID)加强电路安全[ ;3)感应线圈 殊场合、特殊地理环境的供电,使得接触式电能传输 上的资料传送,利用原副线圈内的电力传送,包含资 方式不能满足实际需要。近年来,有关无线充电技术 料码一起传送,这种方法最安全也最难完成,因为感 的研究不断增多L1-6]。 应线圈上有高能量的电力传输,另外还包含了系统的 无线充电系统会发射电磁波能量,当发射器上没 噪声与负载电流变化的干扰,如何有效地传送资料码 有放充电装置时也会发射能量,造成能源浪费和辐射 是一大难题[钔。为此,在原边电压采样电路 的基础 污染。当发射器上放金属异物,电磁波对其加热,轻 上,设计了一种低频的身份识别电路。 则烧毁装置,重则发生火灾。因此,无线充电系统需 要具备对受电端目标物的辨识功能,当正确的目标物 1 QI的无线充电通信标准 放置在发射器上才进行充电。 无线充电联盟(WPC)标准下,无线传输的功耗 常用的身份识别方法有:1)磁力激活,在受电端 仅为0---5 W。达到这一标准范围的系统在2个平面 上装一个磁铁,当发射端感应到磁力后发送能量;2) 线圈之间使用电感耦合将电力从电力发送器传输给 收稿日期:2012-09-17 通信作者t唐宁(1964一),男,湖南邵阳人,副教授,研究方向为专用集成电路的设计与应用。E-mail:ningt ̄guet.edu.cn 引文格式:黄创大。唐宁,李荣毅.一种无线充电识别电路的设计[J].桂林电子科技大学学报,2013。33(1):9-13. 1O 桂林电子科技大学学报 2013年2月 电力接收器。原副线圈之间的距离一般为5 mm,输 容的大小也会影响耦合系数。补偿电容与电路耦合 系数的关系如表1所示。当改变副边电路的补偿电 容时,谐振频率也会改变,导致电路的原剐线圈的耦 合系数也跟着改变,电路的效率也作相应的改变。当 谐振频率接近开关频率时,原副线圈的耦合系数大, 电路效率高,电感峰值电压小。当电路只有副边补偿 电容改变时,电感的峰值电压的大小反应了副边电路 补偿电容的改变情况。 出电压调节由一个全局数字控制环路负责,这时电力 接收器会与电力发送器通信,并产生功耗。该通信是 一种通过反向散射调制从电力接收器到电力发送器 的单向通信。在反向散射调制中,电力接收器调整负 载,从而改变电力发送器的电流消耗。对这些电流变 化进行监控,并解调成2个设备协同工作所需的信 息。 通信协议包括模拟、数字声脉冲(ping)、身份识 别、配置和电力传输。电力接收器放置在电力发送器 上时出现的典型启动顺序如下: 1)来自电力发送器的模拟ping检测到对象的存 柱。 2)来自电力发送器的数字ping为模拟ping的 加长版 并让电力接收器有时间回复一个信号强度 包。若该髅息强度包有效,则电力发送器会让线圈保 持通电并进行 -_.一步骤。 3)身份识别和 置阶段,电力接收器会发送一些 数据包,对其进行身份识别,并向电力发送器提供配 置和设置信息。 4)在电力传输阶段,电力接收器向电力发送器发 送控制误差包,以增加或减少电力。正常运行期间, 每隔约250 ms发送控制误差包,而在大信号变化期 间每隔32 ms发送一次。另外,在正常运行期间,电 力发送器每隔5 s发送一次电力包。 5)为了终止电力传输,电力接收器发送一条“终 止充电”消息或者1.25 S内不进行通信,使电力发送 器进入低功耗状态[1。。。 2 原副线圈耦合系数对原边LC电压的影响 由RLC串联谐振电路得 IVL I:I、,rc I—QVcc, (1) Q一警 壶√号 卫R。 (2) 当原边感应电路与副边感应电路结构存在过大的气 隙时,不仅副边线圈的能量接收率变差,且副边电路 和原边电路距离较远时,副边电路反射电阻变小,Q 值增大[9]。由RLC串联谐振电路可知,发生谐振时 电感电压是输入电压的Q倍,当副边感应电路结构 远离原边电路时,Q值增加,电感电压随之增大,所以 可以通过检测电感电压值来判断副边感应结构是否 远离原边感应电路。 除了气隙会影响原副线圈的耦合系数外,补偿电 表1 补偿电容与电路耦合系数的关系 Tab.1 The relationship of the compensation capacitor and circuit coupling coefficient 放在电力发送器上的物体有可能是耦合系数较 高的物体,如金属线圈、无线充电接收模块等,也有可 能是耦合系数较低的物体。对于耦合系数低的物体, 不需要对其进行身份识别,因为此时无线充电器充电 效率低,原边电流大,LC电路电压高,电路在检测到 一定时间的连续高电压状态后,将开关管关断,进入 待机状态。对于耦合系数较高的物体,必须对其身份 识别,防止误充电。 在充电过程中,一般物体的耦合系数不会随时间 变化,原边LC电路电压不会有太大的变化。利用这 一特性,在识别阶段设法让无线充电模块的耦合状态 按某个频率不断地变化,将无线充电模块从其他物体 中区别出来。不断变化的耦合状态,可以通过按一定 的频率有节奏地改变副边电路的补偿电容值获得。 当副边电路补偿电容值变大1倍后,原边的电感电压 会有明显的改变。 3识别电路的设计 原边电路如图1所示,其中,控制、驱动电路用 U 代替;剐边电路如图2所示,其中,降压、稳压电路 用Uz代替。副边电路采用并联补偿方式,感应电压 经副边电路的整流滤波、稳压降压后输出。在副边 LC并联谐振电路中,增加一个由电容和2个开关管 第1期 . 黄创大等:一种无线充电识别电路的设计 图1原边电路 Fig.1 Primary circuit 原边单片机的工作时间分为识别阶段和充电阶段。 在识别阶段,若单片机收到预设信号,则发出使能信 号,原边电路进入充电阶段;反之,单片机关断使能信 号,原边电路进人低功耗的待机状态。 图2副边电路 Fig.2 Secondary circuit 组成的电路,单片机通过控制开关管达到改变原副线 图3电压采样电路 圈耦合程度的目的。原边电路采用半桥谐振电路和 Fig.3 Voltage sampling circuit 串联补偿方式。电压采样电路如图3所示。通过并 联感应线圈的电阻,取其分量经过半波整流滤波后, 3.1副边单片机设计 输出直流回馈电压 。取样初级侧感应线圈的电压 副边单片机的程序流程如图4所示。为了与原 大小变化作为保护控制电路的回馈信号,其中, 边同步,副边单片机并非一启动就输出8个高低电 p Vc=√2V。on百 平,而是在原边电路向副边电路发送能量之后才发 』 ●T,Pi.b — DF。 (3) 送。原边电路向副边电路发射能量,电容C。会积累 用LM319判定原边LC谐振电路电压是否为高电 电荷,电压升高并维持一定的时间。单片机就可以通 压。原边LC谐振电路电压经过电压采样电路的采 过检测第6引脚的电压是否为高电平来确定原边电 样后,再经过半波整流滤波,得到一个较为平稳的采 路是否向副边电路发送能量。开始后,单片机不断地 样电压。采样电压送入LM319的同相端,基准电压 检测第6引脚电压是否为高电平,若是高电平,则单 输入到LM319的反相端。若原边LC串联谐振电路 片机执行下一步动作;若不是高电平,则单片机继续 的电压较低,则采样电压也较低,LM319输出一个低 检i见咀第6引脚的电压是否为高电平。 电平电压;反之,LM319输出一个高电平电压。 在检测到第6引脚的高电平后,单片机向开关管 原边单片机接收来自LM319的电压判别信号。 发送8个高低电平的驱动电压,以使副边感应电路有 12 桂林电子科技大学学报 2013年2月 3.2原边单片机设计 原边单片机的工作时间分为2个阶段:识别阶段 和充电阶段。在识别阶段,若单片机收到预设的信 号,则单片机发出使能信号,电路进入充电阶段;若在 规定的周期内,单片机没有收到预设的信号,则单片 机关断使能信号,电路进入低功耗的待机状态,直到 下一个循环。 假设副边电路发送的是10101010八位高低驱动 电平,则其反射到原边电路,经过电压采样电路的采 样,原边单片机最终检测到的电压应该是10101010 八位高低判别电平。在原边单片机启动后,原边单片 机进入识别阶段,原边单片机先发出16个周期的使 图4副边单片机程序流程 Fig.4 The program flow of the secondary side MCU 能信号,让控制电路能正常工作;单片机不停地检测 电压采样电路的电压,只要检测到的采样电压与预设 节奏地改变耦合系数。 在发送完8个高低驱动电平后,单片机就一直检 测第6引脚是否为低电平。若是高电平,则说明原边 一值相符,单片机立即进入充电阶段;若单片机检测到 的电压与预设值不相符,并且达到了16个检测周期, 则判定原边电路没有检测到相符的接收模块,单片机 直都在向副边发送能量,此时原副边线圈处于较大 关断使能信号,无线充电器进入低功耗待机阶段;待 机结束后,单片机进入下一个循环。在充电阶段,若 电压采样电路出现连续的8个高电平,则认为副边电 路已远离原边电路,或是副边电路出现了开路、短路 的现象,应该关断使能信号,让原边电路进入低功耗 的待机阶段。 的耦合系数状态下,副边电路可以高效地接收原边电 路向副边电路发送的能量;若是低电平,则说明本次 循环结束,或者受到某种影响而中断了原边能量的发 送,单片机进入下一个循环。 图5原边单片机程序流程 Fig.5 The program flow of the primary side MCU 第1期 黄创大等:一种无线充电识别电路的设计 13 4 结束语 报,2012,22(1):72-74. 、 ‘ [4]周功明,周陈琛.基于MSP430单片机的无线充电器设 介绍了无线充电技术QI标准中的通信协议,分 计[J].绵阳师范学院学报,2011,30(8);33—37. 析了原副线圈耦合程度对原边电感电压的影响。在 [5]常书惠.无线电能传输技术与QI标准[J].电子商务, 此基础上提出了一种身份识别电路。通过对副边电 2011(4):73—74. 路补偿电容容量的控制,有节奏地改变原副线圈之间 [63 孙新.基于电磁感应手机无线充电器的研究[J].管理学 的耦合系数,原边单片机采样原边电感的电压,把采 家,2011(1O):327-328. 样电压与预设电压比较,最终达到识别副边电路的目 [7]王晓静.基于RFID技术的无线充电系统研究[D].北 的。通过适当设计待机时间的长短 达到降低待机功 京:北京邮电大学,2008. 耗的目的。 [8] 富达通科技ART.无线充电系统设计原理与实物制作 [EB/OL].[2012-10:13].http://ww.w.52solution.corn/ 参考文献: data/datainfo/id/3141. 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