解析:一種無線充電識別電路的設(shè)計(jì)
隨著用電設(shè)備對供電品質(zhì)的不斷提高,以及對特殊場合、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,有關(guān)無線充電技術(shù)的研究不斷增多。
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/201710/366859.htm無線充電系統(tǒng)會發(fā)射電磁波能量,當(dāng)發(fā)射器上沒有放充電裝置時(shí)也會發(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,電磁波對其加熱,輕則燒毀裝置,重則發(fā)生火災(zāi)。因此,無線充電系統(tǒng)需要具備對受電端目標(biāo)物的辨識功能,當(dāng)正確的目標(biāo)物放置在發(fā)射器上才進(jìn)行充電。
常用的身份識別方法有:1)磁力激活,在受電端上裝一個磁鐵,當(dāng)發(fā)射端感應(yīng)到磁力后發(fā)送能量;2)通過射頻識別(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別電路。
1 QI的無線充電通信標(biāo)準(zhǔn)
無線充電聯(lián)盟(WPC)標(biāo)準(zhǔn)下,無線傳輸?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)由一個全局?jǐn)?shù)字控制環(huán)路負(fù)責(zé),這時(shí)電力接收器會與電力發(fā)送器通信,并產(chǎn)生功耗。該通信是一種通過反向散射調(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。對這些電流變化進(jìn)行監(jiān)控,并解調(diào)成2個設(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)的典型啟動順序如下:
1)來自電力發(fā)送器的模擬ping檢測到對象的存在。
2)來自電力發(fā)送器的數(shù)字ping為模擬ping的加長版,并讓電力接收器有時(shí)間回復(fù)一個信號強(qiáng)度包。若該信息強(qiáng)度包有效,則電力發(fā)送器會讓線圈保持通電并進(jìn)行下一步驟。
3)身份識別和配置階段,電力接收器會發(fā)送一些數(shù)據(jù)包,對其進(jìn)行身份識別,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,所以可以通過檢測電感電壓值來判斷副邊感應(yīng)結(jié)構(gòu)是否遠(yuǎn)離原邊感應(yīng)電路。
除了氣隙會影響原副線圈的耦合系數(shù)外,補(bǔ)償電容的大小也會影響耦合系數(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、無線充電接收模塊等,也有可能是耦合系數(shù)較低的物體。對于耦合系數(shù)低的物體,不需要對其進(jìn)行身份識別,因?yàn)榇藭r(shí)無線充電器充電效率低,原邊電流大,LC電路電壓高,電路在檢測到一定時(shí)間的連續(xù)高電壓狀態(tài)后,將開關(guān)管關(guān)斷,進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。對于耦合系數(shù)較高的物體,必須對其身份識別,防止誤充電。
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在充電過程中,一般物體的耦合系數(shù)不會隨時(shí)間變化,原邊LC電路電壓不會有太大的變化。利用這一特性,在識別階段設(shè)法讓無線充電模塊的耦合狀態(tài)按某個頻率不斷地變化,將無線充電模塊從其他物體中區(qū)別出來。不斷變化的耦合狀態(tài),可以通過按一定的頻率有節(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,原邊的電感電壓會有明顯的改變。
3 識別電路的設(shè)計(jì)
原邊電路如圖1所示,其中,控制、驅(qū)動電路用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,增加一個由電容和2個開關(guān)管組成的電路,單片機(jī)通過控制開關(guān)管達(dá)到改變原副線圈耦合程度的目的。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。通過并聯(lián)感應(yīng)線圈的電阻,取其分量經(jīng)過半波整流濾波后,輸出直流回饋電壓VC。取樣初級側(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,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)過電壓采樣電路的采樣后,再經(jīng)過半波整流濾波,得到一個較為平穩(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輸出一個低電平電壓;反之,LM319輸出一個高電平電壓。
原邊單片機(jī)接收來自LM319的電壓判別信號。原邊單片機(jī)的工作時(shí)間分為識別階段和充電階段。在識別階段,若單片機(jī)收到預(yù)設(shè)信號,則發(fā)出使能信號,原邊電路進(jìn)入充電階段;反之,單片機(jī)關(guān)斷使能信號,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)并非一啟動就輸出8個高低電平,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)就可以通過檢測第6引腳的電壓是否為高電平來確定原邊電路是否向副邊電路發(fā)送能量。開始后,單片機(jī)不斷地檢測第6引腳電壓是否為高電平,若是高電平,則單片機(jī)執(zhí)行下一步動作;若不是高電平,則單片機(jī)繼續(xù)檢測第6引腳的電壓是否為高電平。
圖4 副邊單片機(jī)程序流程
在檢測到第6引腳的高電平后,單片機(jī)向開關(guān)管發(fā)送8個高低電平的驅(qū)動電壓,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個高低驅(qū)動電平后,單片機(jī)就一直檢測第6引腳是否為低電平。若是高電平,則說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個階段:識別階段和充電階段。在識別階段,若單片機(jī)收到預(yù)設(shè)的信號,則單片機(jī)發(fā)出使能信號,電路進(jìn)入充電階段;若在規(guī)定的周期內(nèi),單片機(jī)沒有收到預(yù)設(shè)的信號,則單片機(jī)關(guān)斷使能信號,電路進(jìn)入低功耗的待機(jī)狀態(tài),直到下一個循環(huán)。
假設(shè)副邊電路發(fā)送的是10101010八位高低驅(qū)動電平,則其反射到原邊電路,經(jīng)過電壓采樣電路的采樣,原邊單片機(jī)最終檢測到的電壓應(yīng)該是10101010八位高低判別電平。在原邊單片機(jī)啟動后,原邊單片機(jī)進(jìn)入識別階段,原邊單片機(jī)先發(fā)出16個周期的使能信號,讓控制電路能正常工作;單片機(jī)不停地檢測電壓采樣電路的電壓,只要檢測到的采樣電壓與預(yù)設(shè)值相符,單片機(jī)立即進(jìn)入充電階段;若單片機(jī)檢測到的電壓與預(yù)設(shè)值不相符,并且達(dá)到了16個檢測周期,則判定原邊電路沒有檢測到相符的接收模塊,單片機(jī)關(guān)斷使能信號,無線充電器進(jìn)入低功耗待機(jī)階段;待機(jī)結(jié)束后,單片機(jī)進(jìn)入下一個循環(huán)。在充電階段,若電壓采樣電路出現(xiàn)連續(xù)的8個高電平,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)了開路、短路的現(xiàn)象,應(yīng)該關(guān)斷使能信號,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
介紹了無線充電技術(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原邊電感電壓的影響。在此基礎(chǔ)上提出了一種身份識別電路。通過對副邊電路補(bǔ)償電容容量的控制,有節(jié)奏地改變原副線圈之間的耦合系數(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)到識別副邊電路的目的。通過適當(dāng)設(shè)計(jì)待機(jī)時(shí)間的長短,達(dá)到降低待機(jī)功耗的目的。
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