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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：針對目前可穿戴設備無線充電時需與充電位置精確對準的不便利性，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，提高可穿戴設備充電位置的自由程度。同時，為解決可穿戴設備充電時需卸下的問題，給出了3種無線充電式移動電源方案，以提供新的產品設計思路。
關鍵詞：可穿戴終端 電場耦合 移動電源 無線充電
一、引言
近兩年，從頭戴設備、手表到手環，可穿戴設備的興起成為移動市場的新焦點。然而，由于硬件體積受限，可穿戴設備的電池容量僅為幾十到幾百毫安，續航時間短、需頻繁充電成為用戶體驗中的痛點。在電池新技術短時間內難以迅速突破的困境下，具備更好體驗的無線充電成為折中的解決方案。由于具備一定的技術門檻，目前大多數可穿戴設備還是使用傳統的有線充電方式，僅Moto360、高通Toq手表、蘋果Apple Watch等數款明星產品采用了無線充電。
無線充電從原理上可分為電磁感應式、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備大多基于技術較成熟的電磁感應式，但存在占用空間大、發熱明顯等問題[1]。由于電場耦合無線充電方式電極薄、電極發熱極低[2]，符合可穿戴設備的訴求，且因起步晚而發展空間較大，因此本文將針對這種充電方式進行研究和改進。
現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時充電效率會大幅降低，不符合用戶自由放置充電的需求。針對這個問題，本文提出針對可穿戴設備的劃小分割式電極板，有效降低交叉耦合產生的影響。
同時，可穿戴設備是為日常的持續使用而設計的，能與用戶在任何時刻進行交互[3]，然而目前可穿戴設備充電時仍需將其從腕部拆下后進行充電，存在數據記錄的盲區，本文也針對此問題提出了關于無線充電式移動電源的幾種實現方案。
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計。該公司的做法是使用準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電極組成。將這兩個器件彼此靠近就能形成一個電容陣列，并用來傳輸能量。在工作狀態中電場耦合結構的絕大部分電通量分布于電極之間，對周圍環境的電磁干擾很小[4]。
本系統通過一組3.7V鋰電池提供電能，經過升壓電路、逆變電路、驅動電路，為發射極板提供高頻交流電，并在終端接收后經整流濾波為終端充電，具體如圖1所示。其中，電極板的改進以及其邏輯選擇的方式是本研究的重點。
三、極板設計
在電場耦合式無線充電中，平板式耦合結構對發射端與接收端的相對位置要求比較嚴格。圖2展示了平板式耦合機構經常出現的電極未對準的情況。發射電極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，同時發射電極2也和兩接收電極均存在耦合，這種一個發射電極同時與兩個接收電極耦合，或者一個接收電極同時與兩個發射電極耦合的現象被稱為交叉耦合。
在存在錯位的情況下，嚴重的交叉耦合容易造成輸出電壓波動，不利于系統的穩壓控制或者恒定功率輸出。且對于平板式耦合機構，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雜[5]。
對于可穿戴設備來說，在進行無線充電時，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，延長充電時間。為解決交叉耦合產生的影響，本文提出劃小分割式電極，通過將發射電極進行細分切割以及每個電極分別接上控制開關，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備，可采用如圖3的結構，其中發射電極由7個正六邊形組成，接收電極為2個正六邊形的電極板。
在終端位置確定后，需通過開關控制電路進行最佳正負極板的選擇。極板選擇的邏輯流程如圖4所示，通電后將計數器i與參考最大電壓分別置于1與0，使計數器i從1開始計數，選擇不同的發射極板，直至達到最佳耦合狀態，在未接收到充電已滿信息時，維持正常充電狀態，直至充滿。充電時若收到終端發射的電流異動信號，即表明可穿戴終端位置可能偏移或者設備已移走不再充電，那么重新對極板進行選擇，并進行充電。若在n次選擇后Imax仍為0，即表明設備已移走，此時關閉電源，充電停止。
通過上述改進的劃小分割式極板設計和選擇，當接收電極放在不同位置時能得到大致相同的耦合電容，并在耦合電容發生變化時，通過控制發射極板實現動態調諧[6]，以此控制輸出功率，調節輸出電壓，保證充電效率。
四、實現電路
4.1 移動電源端發射電路
圖5為電能發射基礎電路圖。升壓采用TI的TLV61220電池解決方案，可實現輸出電流取決于輸入輸出電壓比。升壓轉換器建立在采用同步整流的磁滯控制器拓撲基礎上，能夠以最少的靜態電流實現最高的效率。E類放大器電路與CLC高頻諧振電路將直流電逆變為高頻交流電，其中CLC諧振電路相比單級LC諧振系統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電路圖。在實際的充電過程中，發送極板與接收極板進行耦合，接收端得到交變電流，然后經過一個橋式整流電路。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RC濾波電路[9-10]，濾波電路將脈動的直流電壓變為平滑的直流電壓。在理想情況下，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
針對可穿戴設備充電時需從身上卸下的問題，本文對此提出了關于無線充電式移動電源的幾種實現方案。如圖7(a)所示，智能手表表帶上設有接收極板，與表盤內無線充電接收模塊及電池相連接，表帶狀電源實質為一腕帶式移動電源，若按此大小設計，電池容量至少有300mAh。在腕帶電源的中部朝里設有無線充電發射極板，當將其扣上手表表帶時，腕帶式移動電源的發射極板與表帶上接收極板匹配，即可進行無線充電，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，表蓋部分內置有鋰電池。圖7(c)為手環式移動電源，手環外接一個圓盤，設有充電極板及充電電路，手腕圓環部分內置有鋰電池。當智能手表需要充電時，只需要戴上該無線充電手環，并將圓盤極板置于表背，即可實現無線充電。
六、結束語
本文針對可穿戴設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行改進，使設備在充電時有更大的空間自由度，不會由于可穿戴設備端與電源端未完全對準而導致充電效率低下甚至不充電，提升了用戶體驗。在電路實現上，本文給出電源端與可穿戴設備接收端的基礎電路圖作為參考。最后，3種針對可穿戴設備的移動電源方案可以為該類產品的設計提供思路。
參考文獻：
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