无线充电方案总结



  • 一、绪论
    1.背景
    无线充电的历史可以追溯到1890年,特斯拉的无线输电构想。特斯拉最初的想法是利用电磁共振,把地球作为内导体,地球电离层作为外导体,通过大功率发射机建立起地球与电离层之间约8Hz的低频共振。该方案虽在理论上可行,但实际上由于国际形式,是不可能实现的。
    特斯拉的想法,无疑给人们一种实现无线充电的梦想。终于,在2007年,麻省理工通过线圈制成的电磁共振器,成功实现了对电磁波能量的捕捉,以磁场共振为原理的无线充电从此开始走向实用。
    事实上,以电磁感应为原理的无线充电装置发展更早,早在2005年,比亚迪就申请了非接触感应式充电器的专利。
    2.原理
    <1> 电磁感应
    通过线圈中的磁场传递能量,类似于变压器,变压器的两个线圈并没有实质性的连接,只是通过共用磁场,后级线圈利用前级产生的磁场而感应出电流。这也要求着,充电过程中需要利用交流电。
    电磁感应原理简单,弊端是充电距离很短,需要受电线圈紧贴着充电板。
    <2> 磁场共振
    磁场共振是利用两个线圈中磁场频率相同,利用磁场之间的共振来传递能量,就像两个频率相同的音叉并排放置的时候,敲击一个音叉,另一个音叉也会发生振动。两个线圈的固有频率由电容和电感决定。
    磁场共振方式充电距离比电磁感应要远,但效率很低。
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    <3> 无线电波
    无线电波则是通过电磁波发生器,通过天线将信号发出,接收板再将信号接收,将携带能量的信号转化为稳定的电流,这种方法的传输距离较远,但信号容易受到干扰。

    本报告主要分析1、3两种无线充电的方式,并以XKT-801、XKT-001两块无线充电芯片为例介绍相关应用。
    

    二、磁场共振式无线充电
    1.磁场共振式无线充电原理
    磁场共振充电原理是,将直流电源输入转换成交流信号,再将这一交流信号放大到一定程度,通过发射线圈,使受电线圈可以感应出较大的电流。磁场共振与普通的电磁感应不同的地方在于,发射与接收的线圈,往往会并联或串联一个电容,使之形成谐振,当发射线圈和接收线圈的频率相同时,即便没有贴在一起,也能够形成共振,传递能量。
    共振电路模型:
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    当供电线圈与受电线圈之间形成共振时,供电线圈的等效阻抗为:
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    受电线圈的等效阻抗为:
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    供电线圈的输入阻抗:
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    根据基尔霍夫方程:
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    进而得到两个线圈的电流,整个电路的功率、充电的效率:
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    因此,当其他参数都不变的情况下,发送端线圈中的电流频率越高,受电线圈感应出的电压越高。
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    2.XKT-801芯片原理及其应用
    封装图如下
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    工作电压:直流12~48V
    工作频率:0~1MHz
    典型应用电路
    输入电压为24~32V直流,70W
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    充电原理上,XKT-801采用了电磁感应的方式,将输入直流电压转换为较低频的方波信号,再由XKT-1511将方波交流信号倍频并放大,输入到线圈,产生磁场。6脚为输出端,4脚为功率加强端,6脚输出为方波交流信号,与4脚连接,形成反馈。
    24V25W
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    从电路图上来看,主要发生变动的地方有两处,一处是R4的阻值,2脚是用来控制频率的引脚,说明改变了方波的频率,另一处是线圈处的电容值与电感值,调整此处以匹配方波产生的频率。其实R1的值也存在改变,但这一改变应当是控制电路的最大电流(经由三极管放大),事实上,功率更大的电路,该电阻还要大一点,因此假设主要影响电路功率的应当为频率。
    由此可以看出,频率更高时,功率更低,频率低时,功率更高,这可能和芯片的内部结构有关系,也可能和反馈有关系。
    下面是XKT-801芯片的一些测试结果
    测试电路:(24V、25W电路)
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    测试结果:
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    1. XKT-001芯片原理及其应用
      封装图如下
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      引脚编号 引脚名称 耐压值(V) 功能描述
      1 VDD 0-18 电源
      2 OUT - 功能输出
      3 GND - 电源地
      4 R - 电阻
      5 R - 电阻
      6 N/F 0-18 控制端,置高工作,置低关闭输出,可接入自定义控制信号
      4、5脚上所接电阻可以调节频率,数据手册上不建议进行改动

    典型应用电路
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    和XKT-801类似,发射电路也分为方波产生和信号放大两个部分。
    接收电路如下图
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    接收到的电流首先通过整流和滤波,输入到T3168,由T3168从3脚输出5V稳压,5脚为反馈,用于控制输出电压。7脚为使能端,接高电压使能,1脚、6脚NC,不连接。
    用于电池充电的接收电路
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    XKT-R2只有五个引脚,功能较为简单,电源脚、地、反馈、输出、充电指示引脚。当电路处于工作状态下,D3灯亮时表示正在充电,灯灭时表示充满,该脚不可悬空。

    1. XKT-510芯片原理及其应用
      管脚图
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      管脚描述
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      发射电路
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      接收电路
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    2. XKT-412芯片原理及其应用
      管脚图
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      5V2A输出
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      5V1A输出
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      PCB线圈要求NPO材质电容

    USB低压发射
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