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基于劃小分割式電極的電場耦合無線充電方法
摘要：針對目前可穿戴設(shè)備無線充電時(shí)需與充電位置精確對準(zhǔn)的不便利性，對基于電場耦合原理的無線充電式移動電源進(jìn)行研究，提出了劃小分割式電極板，以降低電場耦合無線充電中平行板電容交叉耦合帶來的影響，提高可穿戴設(shè)備充電位置的自由程度。同時(shí)，為解決可穿戴設(shè)備充電時(shí)需卸下的問題，給出了3種無線充電式移動電源方案，以提供新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路。
關(guān)鍵詞：可穿戴終端 電場耦合 移動電源 無線充電
一、引言
近兩年，從頭戴設(shè)備、手表到手環(huán)，可穿戴設(shè)備的興起成為移動市場的新焦點(diǎn)。然而，由于硬件體積受限，可穿戴設(shè)備的電池容量僅為幾十到幾百毫安，續(xù)航時(shí)間短、需頻繁充電成為用戶體驗(yàn)中的痛點(diǎn)。在電池新技術(shù)短時(shí)間內(nèi)難以迅速突破的困境下，具備更好體驗(yàn)的無線充電成為折中的解決方案。由于具備一定的技術(shù)門檻，目前大多數(shù)可穿戴設(shè)備還是使用傳統(tǒng)的有線充電方式，僅Moto360、高通Toq手表、蘋果Apple Watch等數(shù)款明星產(chǎn)品采用了無線充電。
無線充電從原理上可分為電磁感應(yīng)式、磁共振式、電場耦合式和無線電波式4種，市面上支持無線充電的可穿戴設(shè)備大多基于技術(shù)較成熟的電磁感應(yīng)式，但存在占用空間大、發(fā)熱明顯等問題[1]。由于電場耦合無線充電方式電極薄、電極發(fā)熱極低[2]，符合可穿戴設(shè)備的訴求，且因起步晚而發(fā)展空間較大，因此本文將針對這種充電方式進(jìn)行研究和改進(jìn)。
現(xiàn)有電場耦合無線充電都是采用整塊極板的方式，在終端與電源端充電接口未精確對準(zhǔn)時(shí)充電效率會大幅降低，不符合用戶自由放置充電的需求。針對這個(gè)問題，本文提出針對可穿戴設(shè)備的劃小分割式電極板，有效降低交叉耦合產(chǎn)生的影響。
同時(shí)，可穿戴設(shè)備是為日常的持續(xù)使用而設(shè)計(jì)的，能與用戶在任何時(shí)刻進(jìn)行交互[3]，然而目前可穿戴設(shè)備充電時(shí)仍需將其從腕部拆下后進(jìn)行充電，存在數(shù)據(jù)記錄的盲區(qū)，本文也針對此問題提出了關(guān)于無線充電式移動電源的幾種實(shí)現(xiàn)方案。
二、工作原理
電場耦合式無線充電最初由村田制作社提出，并被廣泛引入新的設(shè)計(jì)。該公司的做法是使用準(zhǔn)靜電電場并通過電容傳輸能量，這種電容則是由屬于物理上分開的器件的兩個(gè)電極組成。將這兩個(gè)器件彼此靠近就能形成一個(gè)電容陣列，并用來傳輸能量。在工作狀態(tài)中電場耦合結(jié)構(gòu)的絕大部分電通量分布于電極之間，對周圍環(huán)境的電磁干擾很小[4]。
本系統(tǒng)通過一組3.7V鋰電池提供電能，經(jīng)過升壓電路、逆變電路、驅(qū)動電路，為發(fā)射極板提供高頻交流電，并在終端接收后經(jīng)整流濾波為終端充電，具體如圖1所示。其中，電極板的改進(jìn)以及其邏輯選擇的方式是本研究的重點(diǎn)。
三、極板設(shè)計(jì)
在電場耦合式無線充電中，平板式耦合結(jié)構(gòu)對發(fā)射端與接收端的相對位置要求比較嚴(yán)格。圖2展示了平板式耦合機(jī)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)的電極未對準(zhǔn)的情況。發(fā)射電極1不僅和接收電極1存在耦合，和接收電極2也有部分耦合，同時(shí)發(fā)射電極2也和兩接收電極均存在耦合，這種一個(gè)發(fā)射電極同時(shí)與兩個(gè)接收電極耦合，或者一個(gè)接收電極同時(shí)與兩個(gè)發(fā)射電極耦合的現(xiàn)象被稱為交叉耦合。
在存在錯(cuò)位的情況下，嚴(yán)重的交叉耦合容易造成輸出電壓波動，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)壓控制或者恒定功率輸出。且對于平板式耦合機(jī)構(gòu)，在偏差角度不一致的情況下，即使偏移距離一樣，其交叉耦合程度的差異也可能非常大，交叉耦合的情況比較復(fù)雜[5]。
對于可穿戴設(shè)備來說，在進(jìn)行無線充電時(shí)，這種位置和角度上的偏差在所難免，這會明顯影響到充電效率，延長充電時(shí)間。為解決交叉耦合產(chǎn)生的影響，本文提出劃小分割式電極，通過將發(fā)射電極進(jìn)行細(xì)分切割以及每個(gè)電極分別接上控制開關(guān)，將交叉耦合程度降至最低。針對智能手表等圓盤式可穿戴設(shè)備，可采用如圖3的結(jié)構(gòu)，其中發(fā)射電極由7個(gè)正六邊形組成，接收電極為2個(gè)正六邊形的電極板。
在終端位置確定后，需通過開關(guān)控制電路進(jìn)行最佳正負(fù)極板的選擇。極板選擇的邏輯流程如圖4所示，通電后將計(jì)數(shù)器i與參考最大電壓分別置于1與0，使計(jì)數(shù)器i從1開始計(jì)數(shù)，選擇不同的發(fā)射極板，直至達(dá)到最佳耦合狀態(tài)，在未接收到充電已滿信息時(shí)，維持正常充電狀態(tài)，直至充滿。充電時(shí)若收到終端發(fā)射的電流異動信號，即表明可穿戴終端位置可能偏移或者設(shè)備已移走不再充電，那么重新對極板進(jìn)行選擇，并進(jìn)行充電。若在n次選擇后Imax仍為0，即表明設(shè)備已移走，此時(shí)關(guān)閉電源，充電停止。
通過上述改進(jìn)的劃小分割式極板設(shè)計(jì)和選擇，當(dāng)接收電極放在不同位置時(shí)能得到大致相同的耦合電容，并在耦合電容發(fā)生變化時(shí)，通過控制發(fā)射極板實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)諧[6]，以此控制輸出功率，調(diào)節(jié)輸出電壓，保證充電效率。
四、實(shí)現(xiàn)電路
4.1 移動電源端發(fā)射電路
圖5為電能發(fā)射基礎(chǔ)電路圖。升壓采用TI的TLV61220電池解決方案，可實(shí)現(xiàn)輸出電流取決于輸入輸出電壓比。升壓轉(zhuǎn)換器建立在采用同步整流的磁滯控制器拓?fù)浠A(chǔ)上，能夠以最少的靜態(tài)電流實(shí)現(xiàn)最高的效率。E類放大器電路與CLC高頻諧振電路將直流電逆變?yōu)楦哳l交流電，其中CLC諧振電路相比單級LC諧振系統(tǒng)具有更大的諧振容量，且具有比LC諧振更小的頻率漂移[7-8]。
4.2 可穿戴終端接收電路
圖6為電能接收端的基礎(chǔ)電路圖。在實(shí)際的充電過程中，發(fā)送極板與接收極板進(jìn)行耦合，接收端得到交變電流，然后經(jīng)過一個(gè)橋式整流電路。整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是脈動較大，含有較大的諧波成分，不能直接對電池充電，因此需要再連接一個(gè)RC濾波電路[9-10]，濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸Ｔ诶硐肭闆r下，在濾波后只保留直流成分，而濾去所有的交流成分。
五、無線充電式移動電源方案
針對可穿戴設(shè)備充電時(shí)需從身上卸下的問題，本文對此提出了關(guān)于無線充電式移動電源的幾種實(shí)現(xiàn)方案。如圖7(a)所示，智能手表表帶上設(shè)有接收極板，與表盤內(nèi)無線充電接收模塊及電池相連接，表帶狀電源實(shí)質(zhì)為一腕帶式移動電源，若按此大小設(shè)計(jì)，電池容量至少有300mAh。在腕帶電源的中部朝里設(shè)有無線充電發(fā)射極板，當(dāng)將其扣上手表表帶時(shí)，腕帶式移動電源的發(fā)射極板與表帶上接收極板匹配，即可進(jìn)行無線充電，避免了智能手表卸下充電的步驟，可滿足智能手表全天候工作的需求。
圖7(b)為智能手表表殼，底部設(shè)有充電極板及充電電路，由于電極板只有幾百微米，加上充電電路后厚度較小，不影響舒適度，表蓋部分內(nèi)置有鋰電池。圖7(c)為手環(huán)式移動電源，手環(huán)外接一個(gè)圓盤，設(shè)有充電極板及充電電路，手腕圓環(huán)部分內(nèi)置有鋰電池。當(dāng)智能手表需要充電時(shí)，只需要戴上該無線充電手環(huán)，并將圓盤極板置于表背，即可實(shí)現(xiàn)無線充電。
六、結(jié)束語
本文針對可穿戴設(shè)備目前在無線充電中存在的問題，通過對電場耦合式無線充電中電容極板進(jìn)行改進(jìn)，使設(shè)備在充電時(shí)有更大的空間自由度，不會由于可穿戴設(shè)備端與電源端未完全對準(zhǔn)而導(dǎo)致充電效率低下甚至不充電，提升了用戶體驗(yàn)。在電路實(shí)現(xiàn)上，本文給出電源端與可穿戴設(shè)備接收端的基礎(chǔ)電路圖作為參考。最后，3種針對可穿戴設(shè)備的移動電源方案可以為該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供思路。
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