基于电磁感应原理的手机无线充电技术设计应用

郑长波

（珠海市理工职业技术学校 广东省珠海市 519100）

目前很多手机厂商都支持手机无线充电技术，例如华为、小米、oppo、vivo等一线品牌手机都有了自己的无线手机充电产品，这些手机背部都内置了接收线圈，确保了无线充电技术的实现。但是很多二、三线品牌手机不支持无线充技术，本文运用IP6808芯片设计了一款手机无线充电系统，采用的是电磁感应方式作为本次设计的主要方案，从而实现了手机的无线快充功能。

1 电磁感应无线充电原理

1831年，科学家迈克尔·法拉第发现了磁与电之间的相互联系以及转化关系。电磁感应现象的产生条件有两点（缺一不可）：

（1）闭合回路。

（2）穿过闭合电路的磁通量发生变化。

第一个条件，手机内部电池有闭合的充电电路，这个回路可以实现电池的正常充电、放电，所以闭合回路条件满足。第二个条件，磁通量发生变化。根据公式得知：磁通量φ=磁场B×有效面积S。我们知道有效面积S是一个实实在在的物理量很难改变，所以只能靠改变磁场强度来确保磁通量的改变。产生磁场的方式有两种，一种是磁铁，一种是电流。变化的电流，可以产生变化的磁场。通俗的讲，电能生磁，磁也能生电，我们可以设计一个电流不断变化的电路，实现磁场的不断变化，进而得到一个变化的磁场。

2 发射线圈和接收线圈的设计

为了尽可能的降低制造成本，我们将发射线圈和接收线圈设计成圆形，为什么不设计成长方形或者平行四边形呢？我们以长方形和圆形做比较：一个长度为πr，宽度为r的长方形，其面积为S=πr2；一个半径为r的圆形，其面积为 S=πr2。两种形状在面积相等的情况下，长方形所用材料周长L=2πr+2r，圆形所用材料周长L=2πr；

结论：从生产成本考虑，同等面积下，圆形所用材料最节省，所以我们的发射线圈和接收线圈形状全部采用圆形设计。

关于材料的选择问题，为了尽可能的提高手机无线充电的效率，降低辐射损耗，线圈的材料采用多股的细漆包线绕成，发射线圈和接收线圈的距离最好在几个厘米以内，这样可以降低磁通量能量损耗。

3 手机无线充电电路设计

为了增加设计电路的逻辑性，首先通过框图的方式设计出电路的总体框架，然后根据电路原理一步一步设计实现各功能，总体设计框图如图1所示。

图1：无线充电设计框图

原理如下：220V的交流电通过桥式整流电路变成直流电，然后通过电容滤波作用变成脉动直流电，脉动直流电在高频逆变开关电路基础上变成高频可变的交流信号，再通过高频RC振荡电路经过发射线圈发射出去。发射出来的高频交流信号在接收线圈里产生交变的感应电流，再通过整流、滤波、稳压、恒压充电电路，给手机充电，完成电路设计。

3.1 整流滤波电路设计

整流电路是利用二极管的单向导电性将交流电变成直流电的过程。常见的整流滤波电路由半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路三种。

综合考虑，选用经典的桥式整流电路。桥式整流电路不但克服了全波整流的不足，而且充电效率是半波整流的一倍，需要注意的是滤波电容为了达到较好的滤波作用，要尽可能的选用容量较大的电解电容。

3.2 高频逆变电路设计

根据电磁感应原理，两个感应线圈要产生感应电动势必须有变化的磁通量。因此需要设计高频逆变电路，产生不断变化的电流，这是整个无线充电电路设计的核心。常用的高频逆变电路由半桥式逆变电路、全桥式逆变电路、单端式逆变电路，从充电效率出发，我们采用全桥式逆变电路。此电路是整个手机无线充电的核心电路，它是由全桥电路和谐振电路构成。如图2所示。

图2：高频逆变电路设计

其中4个mos管构成全桥逆变电路，充电线圈L与4个NPO电容组成LC震荡电路。4个mos管被芯片IP6808控制，其中Q2、Q3导通时，Q1、Q4，截止，反之Q1、Q4导通时，Q2、Q3截止，芯片IP6808控制四个mos管的导通时间，就可产生变化的电流。

下面讲一下IP6808芯片的工作原理及作用，IP6808芯片是一款无线充电发射端控制芯片，支持5W、苹果7.5W、三星10W快充，兼容WPC、Qi v1.2协议标准。 IP6808通过analog ping检测到无线接收器，并建立与接收端之间的通信，则开始功率传输。

3.3 充电协议介绍

现在国际上普遍认同的协议有QI协议和WPC协议，这个协议的目的是实时的将手机接收端的电流接收情况反馈给无线电发射端，当手机充电完成后，发射端检测到电池充满信息，及时终止无线电发射端的工作。

3.4 电压预解调电路

无线电能传输，需要遵循QI协议，接收端通过发送ASK信号给发射端系统，以此来控制发射端系统是否继续供电的可能。基于此，电压采样电路除了具有实时汇报功能以外，还有电路保护功能，IP6808芯片可以根据电压采样值，迅速对外围硬件做出反应，起到保护作用。设计图如图3，加载着ASK信号的高频信号，经过D3二极管到达RC滤波电路，实现了一个简单低通滤波器的功能。C18和C20两个隔直电容将信号送到IP6808芯片的两个端口，通过芯片内部的运算放大器的放大，将比较器分离出来的0和1电平送到芯片模块解析，通过检测线圈的电压值达到控制发射系统的目的。

图3：电压、电流预解调电路原理图

3.5 电流预解调电路

无线电能传输，务必确保发射端和接收端实时通信，做到精准对接，所以在设计电路的时候增加了电流解调电路，此电路通过一个非常非常小的R11电阻对电流信号进行采集完成电流采样，确保IP6808芯片的工作安全，电路示意图如图3所示。

3.6 温度检测电路设计

因为线圈是电感元件，所以设计NTC温度检测电路和LED指示电路，确保电路可以正常工作，在手机充电充满后LED指示灯可以给出相应的指示。

3.7 FOD异物检测

无线电充电技术的发展和成熟，使该技术在众多场合得以应用，本电路设计引入IP6808芯片，它能够自动识别异物检测，为电路的成功设计奠定了基础。

3.8 手机接收端电路设计

手机无线充电接收模块由接收线圈、整流电路、滤波电路、稳压管、IP6808构成恒压充电电路、以及LED指示电路构成。

原理如下：L2是次级耦合线圈，通过电磁感应原理，高频交流信号从发射线圈无线传输到接收线圈L2 ，通过四个二极管整流，经过C4、C5 电容滤波，D5稳压后形成5V直流恒定电压。同时，IP6808外围电路组成恒压充电电路给锂电池进行充电，芯片接收端的电量情况实时反馈给高频逆变电路，确保在电池充满的情况下，电池发射端停止供电，确保发射端与接收端的信息共享。

3.9 IP6808程序录入电路设计

IP6808芯片是可以写入程序的，我们可以通过程序控制全桥逆变电路4个场效应管的通断时间，以及完成手机充电通讯协议的设计，确保发射端和接收端的信号可以实时通信。

4 结语

本设计采用IP6808芯片完成设计任务，其中高频逆变电路是核心，这个电路的成功设计保证了无线电能传输的可行性。通过理论与系统设计的结合，确保了无线充电系统的可靠性。本设计着眼实际应用，运用芯片技术提高了无线充电的效率问题，具有重要的研究意义。