感应式无线电力传输变得越来越流行。最近，许多手机制造商宣布他们生产的新型手机将支持无线充电功能。大多数新型手机都使用了基于感应电力传输的无线充电技术。这种技术也可用于其他便携设备。为了令无线充电系统的设计更加简单，无线充电联盟(WPC)孕育而生，并提出了一个低功耗标准。
本文将介绍无线电力传输的基本理论并概述WPC提出的“Qi”标准。最后，将介绍一个符合Qi标准的低成本分立式无线充电器解决方案。
基本理论
基于感应电源的无线电力传输的基本理论非常简单。众所周知，交流电场将产生磁场，交流磁场也将产生电场。在发射机中，直流电源转换为交流电，并产生交流电场。在接收机处，线圈拾取来自交流磁场的电源，并将交流电转换成直流电作为输出负载。
发射线圈和接收线圈彼此分离，泄漏电感大且耦合系数小。因此，传输效率非常低。为提高传输效率，必须采用一个补偿电路。常用方法就是在发送机侧和接收机侧分别放置一个补偿电容，形成一个带有发送线圈和接收线圈的谐振电路，用于改善电源传输。图1显示了两个补偿电路方法的拓扑结构。通常情况下，在发送机侧放置一个电容以形成带有发送线圈的串联谐振电路，而在接收机侧有两种不同的拓扑结构。一种是形成带有接收线圈的串联谐振电路的电容，另一种是形成带有接收线圈的平行谐振电路的电容。
图1 -两个谐振电路拓扑结构。
电压传输函数如下所示：
Cp和Lp为发射机侧发送线圈的串联电容值和电感值，而Cs和Ls为接收机侧接收线圈的串联或平行电容值和串联电感值。M为互感系数。ω0为谐振频率。ωn为标准化工作频率。n为两个线圈电感的比率。Q为品质因子。K为耦合系数。α为发射串联电容与接收电容的比率。R为输出负载。
图2带有电感串联电阻的串联谐振电路。
在方程式2中，没有考虑线圈的串联电阻。如果变更电路模型，如图2所示，串联谐振电路的电压传输函数亦会发生变更，如下所示。
而且，平行谐振电路的方程式相似。
有些参数对无线充电器系统产生影响。在无线充电器应用中，大多数系统接收机使用串联谐振电路。因此，下文将仅讨论串联谐振电路。
(1)品质因子：
在方程式6中，Q被称为品质因子。发射线圈或输出电阻的变更会影响Q值。在无线充电器系统中，工作点被设定在谐振频率处。发射谐振频率和接收谐振频率总是相同。所以，我们感兴趣的是谐振频率的电压传递函数值(ωn=1)。图3显示了Q值的系统电压传输函数变化。
图3具有不同质量因子的电压传输函数。
从该图可以看出，当Q值变小时，在谐振频率点的电压传输函数曲线变得更明显。在这种情况下，电压传输函数对频率非常敏感，且输出不易于保持稳定。另一方面，当Q值变大时，谐振频率处的曲线变化变慢，但电压传输函数变得非常低。为了得到相同的输出电压，必须在导致极低效率的发射机处施加更大的输入电压和电流。因此，需要慎重选择合适的Q值。通常，Q值范围从4到6.
(2)耦合系数
在方程式7中，K被称为耦合系数。众所周知，发射机产生磁通。到达接收机的磁通越多，说明线圈耦合得越好。耦合系数用来测量该耦合级别。耦合系数取值在0和1之间，其中0表示发射线圈和接收线圈独立，1表示发射线圈和接收线圈完全耦合。当线圈完全耦合时，发射线圈产生的磁通完全被接收线圈搜集。
图4具有不同耦合系数的电压传输函数。
图4显示了耦合系数如何影响电压传输函数曲线。从该图中可以发现，有一个k值，在此处电压传输函数达到峰值，这表示已实现最佳性能。因此，良好的线圈耦合对获得更好的系统性能非常重要。
WPC无线充电器标准
无线充电联盟成立的宗旨是建立一个关于短距离移动装置无线电力传输的标准，该标准被称为「Qi」标准。WPC标准定义了低功率无线装置中的感应耦合工作方法，以及电力发射机与接收机之间的通讯协议。它还规定，从发射机到接收机的最大功率为5瓦，发射线圈与接收线圈之间的典型距离为5毫米。基本系统示意图如图5所示。WPC标准下的任何装置均可与其他符合WPC标准的任何装置一起使用。在Qi标准V1.1中，增加了异物侦测(FOD)功能。
图5基本系统。
(1)电力发射机
在WPC标准中，有三种电力发射机类型：引导定位、移动线圈自由定位及线圈矩阵自由定位，如图6所示。
图6三种电力发射机定位类型。
对于引导定位，接收线圈中心必须与发射线圈中心对准。否则，传输电源和传输效率均将显著降低。因此，发射线圈和接收线圈使用两个磁体对齐并汇聚磁力线。
自由定位发射机是一款很好的发射机类型，因为它可让一般使用者的无线充电更加便捷。有两个子类型来实现这一功能。一个是移动发射线圈，另一个是发射线圈矩阵。在第一类型中，当接收机位于发射机表面上时，发射机移动线圈以对齐接收线圈，然后进行电力传输。在第二类型中，发射线圈由线圈矩阵形成。当接收机位于发射机上时，接收线圈周围的一个或多个线圈将被启动，并将电力传输到接收机。
电力发射机有一个直流-交流区块。例如，一个半桥被连接到一个串联谐振电路。对于不同的发射机，Cp和Lp参数及输入电压会有所不同。直流-交流切换开关的操作频率在110 KHz时正常，但有可能会变化至205 KHz以进行电力控制。谐振回路也用于优化电力传输。
电力发射机还有一个通讯区块，用于解调从接收机收到的电力传输控制信息。该通讯区块由电压或电流感测电路形成。
(2)电力接收机
电力接收机通常是一款便携设备，其硬件设计比发射机更加简化。它通常包括四个部份：电力拾取区块、全桥整流电路、电压调节区块和通讯控制区块。
电力拾取区块由包含一个接收线圈(Ls)和一个串联谐振电容(Cs)的串联谐振电路组成。谐振回路用于优化电力接收。平行电容提供一个平行谐振电路，用于侦测接收机。
全桥整流器用作交流至直流转换电路，该电路将接收到的波转换成稳定电压。电压调节区块是一条直流-直流电路，用于将接收到的较高电压转换为负载所需的电压。通讯控制区块用于到电力发射机的传输电力控制信息(例如，控制错误包)，以调整电力发射机的电力传输操作点或其他状态。
(3)通讯
根据WPC标准，发射机和接收机之间的通讯是单向通讯。通讯方向是从接收机到发射机。电力接收机通过变更阻抗(例如，电阻或电容)调整功率量，此操作会引起发射线圈电流或线圈电压的周期性变化。发射机可侦测用于解调通讯信息的线圈电流或线圈电压的变化。该标准定义了逻辑高电平和逻辑低电平之间发射线圈电流或线圈电压振幅的最小振幅差，分别为15mA和200mV.
