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基于划小分割式电极的电场耦合无线充电方法
摘要：针对目前可穿戴设备无线充电时需与充电位置精确对准的不便利性，对基于电场耦合原理的无线充电式移动电源进行研究，提出了划小分割式电极板，以降低电场耦合无线充电中平行板电容交叉耦合带来的影响，提高可穿戴设备充电位置的自由程度。同时，为解决可穿戴设备充电时需卸下的问题，给出了3种无线充电式移动电源方案，以提供新的产品设计思路。
关键词：可穿戴终端 电场耦合 移动电源 无线充电
一、引言
近两年，从头戴设备、手表到手环，可穿戴设备的兴起成为移动市场的新焦点。然而，由于硬件体积受限，可穿戴设备的电池容量仅为几十到几百毫安，续航时间短、需频繁充电成为用户体验中的痛点。在电池新技术短时间内难以迅速突破的困境下，具备更好体验的无线充电成为折中的解决方案。由于具备一定的技术门槛，目前大多数可穿戴设备还是使用传统的有线充电方式，仅Moto360、高通Toq手表、苹果Apple Watch等数款明星产品采用了无线充电。
无线充电从原理上可分为电磁感应式、磁共振式、电场耦合式和无线电波式4种，市面上支持无线充电的可穿戴设备大多基于技术较成熟的电磁感应式，但存在占用空间大、发热明显等问题[1]。由于电场耦合无线充电方式电极薄、电极发热极低[2]，符合可穿戴设备的诉求，且因起步晚而发展空间较大，因此本文将针对这种充电方式进行研究和改进。
现有电场耦合无线充电都是采用整块极板的方式，在终端与电源端充电接口未精确对准时充电效率会大幅降低，不符合用户自由放置充电的需求。针对这个问题，本文提出针对可穿戴设备的划小分割式电极板，有效降低交叉耦合产生的影响。
同时，可穿戴设备是为日常的持续使用而设计的，能与用户在任何时刻进行交互[3]，然而目前可穿戴设备充电时仍需将其从腕部拆下后进行充电，存在数据记录的盲区，本文也针对此问题提出了关于无线充电式移动电源的几种实现方案。
二、工作原理
电场耦合式无线充电最初由村田制作社提出，并被广泛引入新的设计。该公司的做法是使用准静电电场并通过电容传输能量，这种电容则是由属于物理上分开的器件的两个电极组成。将这两个器件彼此靠近就能形成一个电容阵列，并用来传输能量。在工作状态中电场耦合结构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小[4]。
本系统通过一组3.7V锂电池提供电能，经过升压电路、逆变电路、驱动电路，为发射极板提供高频交流电，并在终端接收后经整流滤波为终端充电，具体如图1所示。其中，电极板的改进以及其逻辑选择的方式是本研究的重点。
三、极板设计
在电场耦合式无线充电中，平板式耦合结构对发射端与接收端的相对位置要求比较严格。图2展示了平板式耦合机构经常出现的电极未对准的情况。发射电极1不仅和接收电极1存在耦合，和接收电极2也有部分耦合，同时发射电极2也和两接收电极均存在耦合，这种一个发射电极同时与两个接收电极耦合，或者一个接收电极同时与两个发射电极耦合的现象被称为交叉耦合。
在存在错位的情况下，严重的交叉耦合容易造成输出电压波动，不利于系统的稳压控制或者恒定功率输出。且对于平板式耦合机构，在偏差角度不一致的情况下，即使偏移距离一样，其交叉耦合程度的差异也可能非常大，交叉耦合的情况比较复杂[5]。
对于可穿戴设备来说，在进行无线充电时，这种位置和角度上的偏差在所难免，这会明显影响到充电效率，延长充电时间。为解决交叉耦合产生的影响，本文提出划小分割式电极，通过将发射电极进行细分切割以及每个电极分别接上控制开关，将交叉耦合程度降至最低。针对智能手表等圆盘式可穿戴设备，可采用如图3的结构，其中发射电极由7个正六边形组成，接收电极为2个正六边形的电极板。
在终端位置确定后，需通过开关控制电路进行最佳正负极板的选择。极板选择的逻辑流程如图4所示，通电后将计数器i与参考最大电压分别置于1与0，使计数器i从1开始计数，选择不同的发射极板，直至达到最佳耦合状态，在未接收到充电已满信息时，维持正常充电状态，直至充满。充电时若收到终端发射的电流异动信号，即表明可穿戴终端位置可能偏移或者设备已移走不再充电，那么重新对极板进行选择，并进行充电。若在n次选择后Imax仍为0，即表明设备已移走，此时关闭电源，充电停止。
通过上述改进的划小分割式极板设计和选择，当接收电极放在不同位置时能得到大致相同的耦合电容，并在耦合电容发生变化时，通过控制发射极板实现动态调谐[6]，以此控制输出功率，调节输出电压，保证充电效率。
四、实现电路
4.1 移动电源端发射电路
图5为电能发射基础电路图。升压采用TI的TLV61220电池解决方案，可实现输出电流取决于输入输出电压比。升压转换器建立在采用同步整流的磁滞控制器拓扑基础上，能够以最少的静态电流实现最高的效率。E类放大器电路与CLC高频谐振电路将直流电逆变为高频交流电，其中CLC谐振电路相比单级LC谐振系统具有更大的谐振容量，且具有比LC谐振更小的频率漂移[7-8]。
4.2 可穿戴终端接收电路
图6为电能接收端的基础电路图。在实际的充电过程中，发送极板与接收极板进行耦合，接收端得到交变电流，然后经过一个桥式整流电路。整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是脉动较大，含有较大的谐波成分，不能直接对电池充电，因此需要再连接一个RC滤波电路[9-10]，滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。在理想情况下，在滤波后只保留直流成分，而滤去所有的交流成分。
五、无线充电式移动电源方案
针对可穿戴设备充电时需从身上卸下的问题，本文对此提出了关于无线充电式移动电源的几种实现方案。如图7(a)所示，智能手表表带上设有接收极板，与表盘内无线充电接收模块及电池相连接，表带状电源实质为一腕带式移动电源，若按此大小设计，电池容量至少有300mAh。在腕带电源的中部朝里设有无线充电发射极板，当将其扣上手表表带时，腕带式移动电源的发射极板与表带上接收极板匹配，即可进行无线充电，避免了智能手表卸下充电的步骤，可满足智能手表全天候工作的需求。
图7(b)为智能手表表壳，底部设有充电极板及充电电路，由于电极板只有几百微米，加上充电电路后厚度较小，不影响舒适度，表盖部分内置有锂电池。图7(c)为手环式移动电源，手环外接一个圆盘，设有充电极板及充电电路，手腕圆环部分内置有锂电池。当智能手表需要充电时，只需要戴上该无线充电手环，并将圆盘极板置于表背，即可实现无线充电。
六、结束语
本文针对可穿戴设备目前在无线充电中存在的问题，通过对电场耦合式无线充电中电容极板进行改进，使设备在充电时有更大的空间自由度，不会由于可穿戴设备端与电源端未完全对准而导致充电效率低下甚至不充电，提升了用户体验。在电路实现上，本文给出电源端与可穿戴设备接收端的基础电路图作为参考。最后，3种针对可穿戴设备的移动电源方案可以为该类产品的设计提供思路。
参考文献：
[1] 孟庆奎. 手机无线充电技术的研究[D]. 北京： 北京邮电大学， 2012.
[2] 陈希有，伍红霞，牟宪民，等. 电流型电场耦合无线电能传输技术[J]. 中国电机工程学报， 2015，35(9)： 2279-2286.
[3] 何定润. 可穿戴计算低功耗设计方法研究[D]. 成都： 电子科技大学， 2006.
[4] 张开洪，颜禹，张欢韵，等. 电场耦合式无线供电技术研究[J]. 电源技术， 2015，39(5)： 997-1000.
[5] 孙雨. 电场耦合无线电能传输系统耦合机构研究[D]. 重庆： 重庆大学， 2014.
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[9] 周川. 基于电场耦合无线电能传输技术研究[D]. 重庆： 重庆大学， 2012.
[10] 陈新，张桂香. 电磁感应无线充电的联合仿真研究[J]. 电子测量与仪器学报， 2014，28(4)： 434-440.
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