摘 要： 隨著科技不斷進步，個人擁有的充電設備越來越多，便攜式設備的充電問題也逐漸呈現各種弊端。智能無線充電器不僅具備基本無線充電器利用電磁感應進行充電的功能，而且其發送端能自動識別接收端需要的電壓和電流。無線充電系統由子陣充電電感、子陣激活識別電感和識別用戶低壓電感三部分組成。整個無線充電過程采用全自動智能識別，無需人工干預，自動進行充電要求匹配，使得充電過程更靈活、安全，更適用于日常生活中小功率設備。
0 引言
生活中常常發生手機充電不及時而關機的尷尬，加上各種類型手機充電設備接口不盡相同、手機電池需要的充電標準不同而無法通用；還有一些用戶手機用久了USB接口多次拔插接觸不良而只能拔出電池來充電。除了手機，還有很多像擴音器、電動牙刷、電動剃須刀、無線電話等充電移動設備同樣面臨著以上兩個問題。本文旨在研發一種可以隨時隨地方便進行充電，且能自動識別設備用電標準而進行充電的無線充電設備。現有的無線充電標準均是專用設備，不具有通用性，同類型號設備充電器和充電模塊是成對匹配出現的，從而限制了其他類設備的使用，本研究意在通用及智能判斷。
1 無線充電系統概述
1.1 無線充電原理和當前現狀
目前無線充電主要可以采用電磁感應、磁場共振和電波輻射三種方法完成。電磁感應方式理論基礎較為完備，相對較為簡單，實現無線充電的電路結構也比較簡單，成本相比于其他兩種方式要偏低，但其供電距離有限，對位置、工藝等有較大的依賴；磁場共振方式理論上傳輸效率較高，距離比電磁感應增加，但調試難度和成本也相應較高，不容易實現；電波輻射方式理論上傳輸功率和距離遠遠大于前兩種方式，但是要實現這種大功率的傳輸，技術要求和成本也相應增加[1]。本文結合無線充電應用設備的特點，采用基于電磁感應原理的無線充電技術[2]，電流流過線圈產生磁場，靠近該磁場的線圈會產生電流，充電原理如圖1所示。
固定的無線充電器設有兩端，一個發送端一個接收端[3]，在發送和接收端各有一個線圈，發送端線圈連接有線電源產生電磁信號，接收端線圈感應發送端的電磁信號從而產生電流給電池充電。智能無線充電器也設有兩端，同樣是一個發送端一個接收端，但是發送端能自動識別接收端需要的電壓和電流，從而具有智能性、便捷性和通用性[4]。
目前已有的無線充電器和被充電設備均使用單個線圈，充電器的輸出電壓和電流是固定的，被充電設備的輸入電壓和電流也是固定的，此時無線充電設備不存在通用性，均是專用的。
1.2 智能多子陣無線充電模塊設計原理
一個子陣主要是由一個充電電感構成；多子陣是由多個子陣按一定方陣構成；無線充電器和被充電模塊均由多個子陣按一定方陣構成，例如無線充電器/被充電模塊原理圖如圖2所示。
1.3 無線充電器/被充電模塊的構成
如圖2所示，無線充電器/被充電模塊由三部分組成：子陣充電電感、子陣激活識別電感和識別用戶低壓電感[5]。
（1）子陣充電電感主要用于向被充電設備充電，其輸出固定的電壓b3和電流a3；多個子陣間通過串聯和并聯電路組合成被充電設備需要的電壓b2和電流a2或者默認輸出5 V、500 mA。
（2）子陣激活識別電感用于識別并開啟充電器的充電子陣電感。每個子陣中設計4個識別電感，一旦充電器中大于等于3個子陣激活識別電感互相對正，則激活該子陣充電電感；一部分子陣激活識別電感的電壓和電流是固定的，電壓b4=10 mV和電流a4=10 mA均非常小，一部分子陣激活識別電感的電壓和電流大點，電壓b5=0.5 V，電流a5=200 mA。兩種子陣是為了用最少的子陣數適應接收端電壓和電流。
（3）識別用戶低壓電感用于被充電設備向充電器發送配置消息。被充電設備的識別用戶低壓電感輸出的電壓b1和電流a1是固定的，充電器收到后則識別出被充電設備的充電電壓和電流需求，從而調整整個充電器總輸出電壓和電流，表1為識別用戶低壓電感配置匹配表。
2 智能無線充電系統工作原理
本文在設計智能無線充電系統時，采用電感進行配置信息匹配，充電器和被充電器間可以互相通信，充電子陣獨立控制，電感可以被激活和去激活[6]。
智能無線充電系統采用全自動智能識別，無需人工干預，自動進行充電要求匹配。按照系統不同的工作狀態給予不同的系統狀態指示：
（1）充電指示燈：不亮——充電器未工作；綠色——充電器工作。
（2）工作狀態指示燈：不亮——充電器未工作；黃色閃爍——默認電壓5 V和電流500 mA輸出；黃色常亮——設備被識別但是未對正充電器和被充電設備；綠色——按照被識別設備電壓和電流需求輸出；藍色閃爍——正在識別被充電設備充電標準。
（3）電感激活和去激活：在電感電路中增加開關電路串接大阻值電阻成功則電感去激活[7]；開關電路將串聯電阻去除則是激活狀態。
2.1 被充電設備電量大于5%的系統工作原理
當被充電設備仍然保有5%及以上電力的情況下，其有能力識別用戶低壓電感[8]，此時充電器可以通過識別收到的電壓和電流從而識別出需要的總輸出電壓和電流，然后綜合已經對正的充電子陣進行串并聯調整，從而輸出被充電設備需要的輸出電壓和電流，充電流程如圖3所示。
2.2 被充電設備電量低于5%的系統工作原理
當被充電設備電力低于5%或者關機狀態下，充電器優先使用默認輸出電壓5 V和電流500 mA對其進行充電。當被充電設備電力大于等于5%時啟動識別和調整過程，后續流程同2.1所述。流程圖如圖4所示。
3 結論
本文所設計的無線充電器可以智能識別被充電設備的充電電壓和電流，從而控制所有子陣的輸出，充電子陣間采用并聯或者串聯后組成被充電設備的需求電流和電壓，充電器和被充電設備硬件架構相同，充電器可以容納多個子陣，則可以對多個被充電設備進行充電。本研究基于電感原理，輻射小而且具有安全、可靠、靈活、通用等特點，可以用于智能手機等小電器的充電，具有很好的應用價值。
參考文獻
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