基于BQ500212A的鋰電池無線充電系統*

喬建華，賈堯堯

(太原科技大學 電子信息工程學院，太原 030024)

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基于BQ500212A的鋰電池無線充電系統*

喬建華，賈堯堯

(太原科技大學 電子信息工程學院，太原 030024)

設計了一套針對鋰電池的諧振式電磁感應無線充電系統，該系統采用近場電磁感應方式，運用LC串聯諧振電路、電壓電流檢測電路、RC延時電路，實現了對鋰電池無線充電的要求；并建立了系統的模型，分析了系統重要器件的的選取原則和方法。經測試，該系統不僅改善了無線充電能量傳遞效率，還提高了電路對各種狀態響應的安全性。

無線充電；電磁感應；串聯諧振；BQ500212A；鋰電池

引 言

針對有線充電設備物理插拔產生磨損、可能激發電火花、攜帶不便的問題，無線充電系統成為研究的熱點、參考文獻[1]在其論述中就提出了將來無線充電將會代替接口充電的可能。無線充電有電磁感應、磁共振、電場耦合、無線電波四種方式，其中以電磁感應方式最為成熟，且容易應用。參考文獻[2]提出的設計，就是基于電磁感應技術進行電能傳輸的一種設計，該設計供電部分使用7805和7812線性電源芯片，能耗很大，半橋式發射電路設計，使得其對能量利用效率較低，使用MSP430芯片作為控制器，則提高了設計成本。現在的無線充電的研究存在安全性不高，技術不規范，能量傳遞效率低的問題，參考文獻[3]所提出的單線圈無線充電系統，對這些問題做出了改進，但其缺少對鋰電池充電電路的設計。本文以TI公司的最新產品BQ500212A和BQ51050B芯片作為核心器件，設計了一個針對鋰電池的諧振式電磁感應無線充電系統，提高了無線充電能量的傳輸效率，同時解決了當前無線充電設備安全性不高、不規范的問題，實現了通過無線充電技術對鋰電池進行高效可靠充電的功能。

1 總體方案設計

1.1 系統功能

圖1 發射端-接收端系統框圖

該無線充電系統包括兩個部分：發射端(TX)和接收端(RX)，如圖1所示。在系統的主體設計中，能量發射和接收端采用兩個控制器。發射端控制器對輸入電流進行逆變調控，利用交變電流在發射端口周圍激發磁場發射能量。電壓電流傳感部分反饋電壓電流信號給控制器，控制器做調節。接收端接收到磁場能量后轉換成電場能量，進行整流，然后在控制器的控制下進行電壓調節，提供給負載。發射端能量傳遞給接收端，接收端信號發送給發射端。

1.2 主控芯片選型

一節鋰電池滿電時電壓為4.2 V，若對其以1 A電流進行充電，則瞬時功率最大不會超過4.2 W，另外考慮到電路中正常的能量損耗，需輸出功率選擇比4.2 W略大一些的芯片。經過計算，在接收端我們選擇最大輸出功率為5 W的芯片。BQ51050B最大輸出功率為5 W，內部集成有鋰電池充電控制功能，所以選擇它作為接收端的主控芯片。考慮按照BQ51050B的參數選擇TX端的控制芯片， BQ500212A最大輸出功率5 W滿足要求，輸入電壓5 V較為接近鋰電池的滿電電壓，選擇它作為發射端主控芯片滿足需求。兩款芯片均兼容WPC協議，符合設計要求。

2 硬件電路設計

2.1 低功耗電路設計

為節約能量消耗，系統采用了低功耗和休眠的電路設

計。TX端的低功耗模式是通過不斷地關閉電路及喚醒電路實現的，BQ500212A有一個輸出低功耗控制信號SNOOZE，電路如圖2所示。當發射端電路正常工作時，SLEEP和SNOOZE為低電平信號，場效應管關閉，EN端為高電平，U3正常工作并輸出3.3 V電壓給BQ500212A。當發射電路沒有負載需要進入低功耗模式時，SNOOZE信號變成高電平，場效應管打開，EN端變為低電平，U3關閉，BQ500212A關閉，發射端電路停止工作。此時SNOOZE信號消失，場效應管關閉，由于電容C5和電阻R6的存在，EN端會在一段時間后變成高電平，這個延時時間可以通過改變電容和電阻值的大小來改變。當EN端變為高電平時，BQ500212A被喚醒，若電路依然沒有負載，BQ500212A會在非常短暫的時間后輸出一個高電平的SNOOZE信號，再一次關閉U3，使發射電路停止工作。

圖2 供電及低功耗及休眠電路

TX端的休眠模式和低功耗模式類似，當電路長時間沒負載或負載充電完成時，BQ500212A提供一個高電平的SLEEP信號，對于R5和C4來說，其延時時間更長。

2.2 檢流電路、逆變電路及發射端口電路設計

圖3 檢流電路

檢流電路如圖3所示，差放U6為50倍增益，采集電阻R25兩端電壓。R25為20 mΩ的電阻，用其和50倍增益差放進行組合，使得差放的輸出電壓值大小剛好等于流過電阻R25的電流值大小。C30對差放輸出電壓進行穩壓，使得將要提供給控制芯片的電壓I_SENSE是一個穩定值。

逆變電路如圖4所示，U4、U5為CSD97394芯片，集成有兩個場效應管，每個芯片都有一個PWM波形輸入端口。在DPWM-1A和DPWM-1B信號的作用下，電流會有這樣的兩種流向，一種是從U4的VSW流出經過發射線圈，再通過U5的VSW連接GND，另一種是從U5的VSW流出經過發射線圈，再通過U4的VSW連接GND。這兩種電流流向在PWM波形的一個周期內各占半個周期，實現電流的逆變。

2.3 控制電路設計

發射端控制電路如圖5所示，芯片兩個供電端口均并聯兩個電容穩壓濾波，V33S與V33D，通過一個20 Ω的小電阻隔開，用以分隔數字電源與模擬電源。BPCAP按芯片要求，連接旁路電容。BQ500212A芯片會上電復位，在此不使用它的復位功能，也不使用它的的溫度檢測功能，將2引腳和5引腳通過一個10 kΩ電阻接3.3 V電源即可。V_SENSE管腳通過76.8 kΩ和10 kΩ電阻分壓檢測5.5 V電壓，FMOD、PMOD、FOD_CAL依次連接電阻R34、R35、R36,對應損失功率閾值為350 mW、400 mW、550 mW，LED顯示模式由R43設置。

圖4 逆變電路及發射端口電路

圖5 控制電路

2.4 接收端電路設計

接收部分是一個由接收線圈和3個電容構成的諧振電路，如圖6所示，電路中產生的感應電壓經過C52和C53濾波，提供給芯片的輸入端AC1和AC2。在電路中還可以看到擺放類似的三組電容，一組連接CLMP1和CLMP2，這是電路的過壓保護部分，當電路接收端電壓過大時，CLMP1和CLMP2在芯片內部連接GND，使接收端的感應電壓通過電容C45和C51短路，保護接收端電路不受損。COMM1和COMM2連接的電容則是為了通信，電路需要通信時，C47和C49同樣會通過芯片的COMM引腳連接GND，使接收端的負載變化，從而產生電流變化，這一變化被發射端感應，實現通信。

圖6 接收端電路

圖7 接收端電路

2.5 限流功能、滿電電流閾值及其他電路部分的設置

接收端的限流功能和滿電閾值設置如圖7所示，RECT端和BAT端均為輸出端，不一樣的是RECT端輸出的是整流后的電壓，BAT端輸出的是給電池充電的電壓。限流值大小由R29和R30共同決定，限流值IMAX=300/(R29+30)。TERM端連接的電阻R37用來設置滿電電流閾值，I=IMAX×R37/20 000。這里不使用電路的溫度檢測功能，將TS_CTRL通過一個10 kΩ電阻接地。接收端電路充電時，CHG會在內部接地，LED3提供一個充電指示功能。RECT端輸出電壓經過5.1 V穩壓管作用，輸出一個5.1 V的電壓，可供芯片EN端使用。R34和R36不貼片，僅供調試時使用。

2.6 PCB設計

對于無線充電系統發射端電路，四層板設計比較合理，中間兩層分別作為電源層和地層，其抗干擾能力較強，電源紋波也較小，但設計成本要比雙層板要高。我們可以先設計雙層板對無線充電系統進行理論驗證，之后再根據需要，對電路PCB進行改進。發射端PCB設計和接收端PCB設計，都是雙層板設計。在PCB設計中，電源回路要盡可能小，線寬應至少保證能夠流過1 A電流，濾波電容擺放應盡可能地靠近輸入輸出端口。元器件應按照電路模塊擺放，模擬電路要與數字電路分開擺放。

3 系統測試

下面對該系統做一個測試。在空載情況下，我們將接收端設置的充電滿電電流閾值為0，發射端綠燈亮，表明供電正常。接收端輸出4.16 V，為該電路所能輸出的最大電壓值，與鋰電池的滿電電壓值相同。表1為發射端接收端一些測試點的測試情況，我們分別測量了供電電壓、控制信號、輸出電壓的狀態。

接收端帶負載工作時，接收端電路板藍燈亮表明充電進行，發射端電路板兩個綠燈亮表明發射端供電正常，工作也正常。電壓源上的電壓值為發射端輸入電壓值，電流值為發射端輸出電流值，整個發射端輸入功率為3.3 W。表2為發射端接收端一些測試點的測試情況，我們分別測量了供電電壓、控制信號、輸出電壓的狀態。

在給鋰電池進行充電時，因為鋰電池的內阻很小，設計時需考慮一些問題，如電路中導線的電阻大小，無線充電系統作為電源其電源內阻大小，以及鋰電池自身的內阻。在測試時，穩壓源輸出5 V電壓，而發射端電路板的輸入電壓只有4.5 V，有0.5 V都消耗在了穩壓源與電路板連接的導線上了，而這恰恰是應該避免的損耗。在充電電路中，如果導線內阻偏大，那么用以維持最大電流充電的輸出電壓值將提前達到最大，即鋰電池兩端的電壓還沒上升到較大值，電路的最大輸出就已經滿足不了最大電流充電了，之后電路將進行恒流充電。換一種說法，接收端導線內阻大會使充電電路恒流充電階段所占時間變短，提前進入恒壓充電階段。因此我們要極力減小無線充電系統中連接導線的內阻，以保證充電系統中充電效率和能量轉換效率。

表1 空載工作狀態測試點測試情況

表2 帶負載工作狀態測試點測試情況

4 問題分析

下面對無線充電系統中的電感、電容、通信和諧振電路進行一些分析探討。

在該系統的器件選擇上，對電容品質和線圈品質要求較為嚴格，因為在無線系統中，電感品質則直接影響到了耦合系數，對電路能量傳遞影響極大。如果選擇一般的電感線圈，漏磁現象嚴重時電路根本無法按照預定電流給鋰電池充電。我們在這個電路中使用和BQ500212A相匹配的A5/A11線圈，它的材質、線寬都是規定好的，符合QI標準，能夠達到給鋰電池無線充電的預期要求。

電容的品質，對該無線充電系統也有較大影響，尤其是發射端、接收端的諧振電路部分，其電容選擇非常關鍵。發射端接收端只有工作在相同諧振頻率時，其能量傳輸效率最大。使用誤差大的電容，會造成發射電路接收電路諧振頻率不匹配，電路工作在最大輸出功率時很難達到該設計電路應有的效率，失去設計應有的價值。在此電路中，電容應選擇品質較高的COG電容，其ESR、ESL最小，精度最高。在設計中，將4個電容并聯使用，可以降低電容的ESR，對電路有改善作用。但要注意的是，瓷片電容易受溫度沖擊損壞，還具有較差的抗彎曲能力，在安裝瓷片電容時應著重考慮。

無線充電系統的通信，是通過將接收端短接電容實現的。當電容短接時，接收端電流變化導致發射端電流發生變化，該系統正是通過電流的變化來傳遞信息的。這種方式需要與電容濾波區分一下，濾波電容選擇的值一般都略大，這是由電容的容抗公式所決定的，相同頻率下大電容容抗小，更容易短路交流信號，而本文系統通信所選用的電容要小很多，遠遠不能短路電路中的交流信號。它所起的作用，更多的是改變接收電路中的回路負載，引起回路電流瞬間變化，從而達到通信的目的。

對于發射端和接收端的諧振電路，簡單來講可以將兩個耦合線圈理解為一個變壓器，但是這樣不易于對電路進行深入理解。為此本文提出這樣一種模型：發射端靠電感發射能量，應把電感等效為電阻與理想電感的串聯。電阻會隨著接收端負載的變化而變化，忽略電感自身的ESR，等效電阻上消耗的能量減去磁場能量損耗，就是接收電路上消耗的能量。接收端諧振回路中，應把電感等效為電壓源與電感的串聯，等效電壓源為整個接收端電路提供能量，它所提供的能量就是發射端電路傳遞到接收電路上的所有能量。這種模型更利于對該系統電路的理解。

結 語

[1] Michael，Frank，單凱.無線充電要替代USB [J].創業邦,2016,(1):89-90.

[2] 曹琛，李元章，馬忠梅.基于MSP430的無線充電器系統設計 [J].單片機與嵌入式系統應用, 2016(2):66-69.

[3] 周婭娜.一種用于手機的無線充電系統設計 [D].重慶:重慶大學, 2014.

[4] 楊培凱，石雄.一種無線充電管理系統的電路設計 [J].電子與封裝, 2016(4).

[5] 李曉平，劉毅，肖建中.作業場所電磁輻射的測量[J].中國安全生產科學技術,2008，4(4):36-40.

[6] TI.bq500212A Data Sheet [EB/OL].[2016-06-28].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/bq500212a.pdf.

[7] TI.bq51050B Data Sheet [EB/OL].[2016-06-28].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/bq51050b.pdf.

喬建華(副教授)，主要研究方向為無線傳感器網絡；賈堯堯(本科生)，主要研究方向為嵌入式系統應用。

Wireless Charging System for Lithium Battery Based on BQ500212A

Qiao Jianhua，Jia Yaoyao

(School of Electronic and Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)

In the paper,a resonant electromagnetic induction wireless charging system for lithium battery is proposed,which adopts the near field electromagnetic induction method,uses the LC series resonant circuit,the voltage and current detection circuit,the RC delay circuit to achieve the requirements of wireless charging for lithium battery.The model of the system is established,and the selection principle and method of the important devices are analyzed.The test results show that the system not only increases the energy transfer efficiency of wireless charging,but also improves the security of the circuit to various state response.

wireless charging;electromagnetic induction;series resonance;BQ500212A;lithium battery

山西省科學基金資助(2013011019-1)。

TN92

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?迪娜

2016-06-28)