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无线充电方法详解(无线充电怎么用)

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一.常见的无线充电 介绍

近年来越来越多的智能手机开始配备无线充电功能，目前无线充电方式主要有四种：电磁感应式、磁场共振式、无线电波式、电场耦合式。

充电方式

电磁感应式

磁场共振式

无线电波式

电场耦合式

简要说明

初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。

利用磁共振现象进行的非接触供电方式

由微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。

将两个平面电极平行排列，利用电场耦合原理来供电的方式

功率、效率

功率小、效率最高

功率大、效率适中

功率最小、效率最低

功率小、效率高

无线距离

距离短

距离远

距离最远

距离短

优点

适合短距离高效率充电。

适合远距离大功率充电，效率适中

适合远距离小功率充电，自动随时随地充电。

适合短距离、高效率充电，位置不用固定。

缺点

特定摆放位置才能充电

磁场辐射、安全、健康

转换效率低、传输功率小

体积大，功率小

目前这四种无线充电方式中，电磁感应式无线充电方案最为成熟、被商用最广泛，比如我们手机需要用到的各种无线充电器，就是利用了这种技术方案。

二.了解qi无线充电过程

Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织–无线充电联盟简称WPC)推出的“无线充电”标准，具备便捷性和通用性两大特征。首先，不同品牌的产品，只要有一个Qi的标识，都可以用Qi无线充电器充电。其次，它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈，在不久的将来，手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电，为无线充电的大规模应用提供可能。

基于Qi的系统工作频率通常在87至205 kHz的范围内，在功率从第一线圈传输到第二线圈的意义上类似于传统变压器，但由于无线充线圈之间的磁耦合度要低很多，因此也有很大不同。传统变压器的磁耦合系数接近1，而基于Qi的系统的磁耦合系数通常在0.5或以下，由于能量转化效率和有线充电相比并不高，多余的能量会以热量的形式散发，导致无线充电一段时间后，手机和底座都会发烫。这也是很多无线充电底座都会配置风扇的原因。同时，由于金属有电磁屏蔽的作用，所以带有无线充电的手机的背盖都不会用金属，一般会采用玻璃、陶瓷，或者塑料。

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(1)

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(2)

无线QI充电过程：

无线充电WPC通信序列简单介绍：1) selection阶段:用于检测是否有RX存在，检测方法可以是定期发射固定频率的信号（Analog Ping），也可以使用检测电容的变化来实现检测；

2ping阶段：检测到RX后，TX会发送足够能量的信号（Digital Ping）启动RX的通讯功能。RX回应信号强度指示包，TX收到信号强度包后，会维持电源信号，系统进入下一阶段；

3) identification & configuration阶段:RX将WPC信息参数，比如所需最大输出功率等参数发送给TX。如果是EPP模式，由于其包含5W，10W，15W三种功率水平，不同的底座支持的最大传输功率不同。因此在这里会多出Negotiation阶段和Calibration阶段，用于协商来确定最终的传输功率，以及过程中的功率大小。4) power transfer阶段: 完成配置后，进入电力传输阶段。RX会检测整流后的电压电流，发送错误包（Error Packet）使TX增大或减少发射功率。此外，RX会定期发送收到功率包发给TX，如果TX发现收到功率与所发射功率差异过大，为确保传输安全,会停止发射功率并关闭系统。如果RX不再需要电源（电池已经充满）时，会发送结束功率传输包，TX接收到后返回selection阶段。

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(3)

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(4)

三.电磁感应无线充电原理

1.无线充电组成部分

?左侧为TX，也就是发射端，对应产品就是无线充电发射器。

?右侧为Rx，也就是接收端，对应产品就是带无线充电功能的手机等。

?TX端：MCU，功率全桥，以及由电感和电容组成的LC谐振Tank，其中电感就是发射端线圈。

?RX端：MCU，整流桥，LDO，Charger芯片，电池，以及LC谐振Tank，其中电感就是接收端线圈。

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(5)

2.无线充电的功率传输途径

?无线充电发射端输入直流电压(DC Voltage)。

?直流电压通过功率全桥，在SW1和SW2点产生交流电压(AC Voltage)，其实就是一个方波。

?方波加载在LC Tank两端产生一个交流电流(AC Current)。

?交流电流通过线圈产生磁场。

?接收端线圈感应到这个磁场，在接收端LC Tank产生交流电流（AC Current）。

?交流电流通过整流桥转化为直流电压（DC Voltage) 。

?直流电压再通过一个LDO和一个Charger给电池充电。

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(6)

3.无线充电的控制回路

?为了保证整个无线充电系统稳定，VRECT需要设定一个目标电压（Target Voltage），并通过一个反馈环路来控制；为了转化效率高，它的值通常设置成只比LDO高一点。

?反馈环路会先采集VRECT电压，并与目标电压相减，产生一个误差信号（Control Error）。

?误差信号会通过WPC规定的通信方式传到发射端的MCU，MCU会判断接收端是希望发射端增加能量还是减少能量。

?MCU通过控制三个信号来控制发射的能量：输入电压、功率全桥的开关频率、功率全桥的输入占空比

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(7)

3.无线充电的通信机制

?传达信息的本质在于要让信号发生变化。就比如我跟你招手，你看到我的手在变化，就知道我在叫你。

?接收端在传达信息时，会在接收端LC Tank两侧接入或者接出一组电容。

?电容的接入或者接出会引起发射端LC Tank的等效阻抗发生变化。

?等效阻抗发生变化就会引起发射端LC Tank里面的电流发生变化，以及电容和电感连接处的电压（Coil Voltage）发生变化。

?这个变化的信号就会被采集和解调，并传到MCU当中。

?整个变化的规律就写在WPC协议当中，MCU利用WPC协议来知道接收端到底告诉了发射端什么信息。

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(8)

TX到RX的通信：

1.通讯方式：在QI协议中的定义是发射端采用频移键控（FSK）的方式进行通讯的。

FSK:TX 通过往复增大/减小驱动频率，改变RX端接收到能量的波动。当这种波动按照特定的规律波动，就可以传递信息，如下图；

注：频率高fH时间短输出H，频率低fL输L。

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(9)

2.位编码方式：差分双向编码，功率发射器发一个bit要对准功率信号的512个周期，bit0只发生一次电平翻转（开始的时候），bit1发生两次翻转，第一次转换将在该位开始时发生，第二次转换将在该位发生256个周期。

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(10)

3.字节编码方式：11位异步串行格式发送数据字节。这种格式由起始位，字节的8个数据位，奇偶校验位和单个停止位组成

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(11)

在实际项目中，先根据接收到的功率误差数据包调节工作频率 f_op ,然后根据调制深度计算出调制信号的频率 f_mod，得到这两个频率后可以分别计算出工作信号频率和调制信号频率的256周期的时间，然后按照上面的位编码和字节编码方式进行传送数据。

RX到TX的通信：

1.通讯方式：Rx通过改变自身谐振参数，（切入/切出通讯电容），改变所传递的能量大小，引起TX 端电压或输入电流产生规律性的波动，用于传递信息；

注：检测到初级线圈电压△V变高输出H，检测到初级线圈电压△V变低输出L。

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(12)

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(13)

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(14)

2. 位编码方式：差分双向编码（与TX->RX一样）。（此时tclk固定为2KHz）

功率发射器发一个bit要对准功率信号的2K个周期，bit0只发生一次电平翻转（开始的时候），bit1发生两次翻转，第一次转换将在该位开始时发生，第二次转换将在该位发生1K个周期。

3.字节编码方式：11位异步串行格式发送数据字节。这种格式由起始位，字节的8个数据位，奇偶校验位和单个停止位组成（与TX->RX一样）。

无线充电怎么用（无线充电方法详解）(15)

在实际应用中，大多数无线充电路设计的集成度较高，将直流转交流电路，解码电路都集成在一颗无线充IC中。

四.无线充电的应用

随着无线充电技术的逐步发展与成熟，其应用范围从初期的电动牙刷、剃须刀逐步扩展至智能手表、智能手环、智能手机、平板电脑、笔记本电脑，甚至电动汽车领域。如今无线充电器的应用领域正随着技术的发展进步而日益广泛。

手机领域

近些年来，随着智能手机的功能越来越多，屏幕越来越大，手机电池的续航能力变成了消费者的一大关注点。因此，无线充电技术的应用变成了以智能手机为代表的消费电子企业扩大市场销量的重要因素。在如今的“无线充电”撞上了“极速快充”，两者融合之后的化学反应，在厂商们孜孜不倦的“催化下”开始变得愈发耀眼。小米、OPPO、华为、Apple，它们都是无线充电的积极拥护者，2021年截至到目前，已经发售或者确认要发售的旗舰新机中，大部分都加入了“无线快充”功能，而对于还未亮相的新机，消费者们追问“是否支持无线充电”的频率也越来越高，随着现在各家的无线充电技术逐渐趋于成熟，晒“无线快充的功率”已经成为了各家“秀肌肉”的新方式。只是在2021年2月份，工信部发布了《无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定（征求意见稿）》》中提到：自2022年1月1日所有生产、进口在国内销售、使用的移动和便携式无线充电设备额定传输功率要求不超过50W。

汽车领域

汽车车载无线充电作为一种绝佳的无线充电应用场景，无需频繁插拔充电线，是增加行车安全、提高车主生活品质的一大利器，极大的改善了车内手机使用和充电的体验。中国拥有庞大的汽车消费市场，给了车载无线充电行业巨大的发展空间。随着“90后”逐渐成为汽车消费主力军，年轻消费者对于手机配置和个性化的要求相对较高，因此车载无线充电功能渗透率不断提升。

未来，我们将会在家庭、办公室（通常嵌入家具或电子设备中）、汽车、餐厅和公共场所以及公共交通工具中看到无线充电发送设备的增长。从无线充电技术本身来看，未来进一步提升传输功率、缩短充电时间同时降低传输温度和更高的自由度将成为趋势。

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