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标题: 助力磁感应无线充电系统,MCU大有作为 [打印本页]

作者: forsuccess 时间: 2014-5-15 23:22 标题: 助力磁感应无线充电系统,MCU大有作为

微控制器（MCU）在磁感应无线充电系统中扮演举足轻重的角色。磁感应无线充电系统是利用发射端与接收端内的线圈耦合产生功率，因此损耗问题严重。开发人员可利用微控制器感应线圈中的电压和电流，藉此调节逆变器参数，以确保无线充电系统运作效能。
　　技术、软件和硬件不断革新，使得手持行动设备如平板电脑、智能手机、摄像机、全球卫星定位系统（GPS）等设备飞速发展。这些设备主要都由电池驱动，而且新功能还在不断增加，如触控萤屏、宽萤屏显示器等，同时设备还能通过网际网运行应用程式，这些都会增加功耗。
　　然而，电池的尺寸和性能增强力度远不及电量需求的增长速度，因此，电池需要频繁充电。消费者仍需要花大把力气携带充电器和大量线缆，频繁地为电池充电。虽然持有先进的设备，但感觉好像您仍活在石器时代。出于这些原因，科学家们正努力研究新方法，以无线的方式充电，无需繁琐的设备附件，实现更轻松、更方便的充电方式。这听起来很科幻，但如今却已变成现实。
　　实际上，能量的无线传输在许多领域都以电磁波的形式被普遍应用，如无线电波、微波等，这些技术都已应用在无线通信、卫星、收音机、电视机等领域。这些波从发射器发射，向各个方向传播，当到达天线的时候，天线再将这些波的频率改变，因此，只有一小部分的能量到达了接收器。如果电能的传送也是利用这个方法，将变得非常没有效率。在微处理器（MPU）问世前，这一概念受到效率低下和缺乏控制的影响，并且还有安全和其他问题的隐忧。
　　当今大多数的无线充电技术都采用电感耦合进行电量的传输。虽然还有如激光二极管、微波束等其他方法可以无线的方式进行电量的传输，但那些都不在本文讨论范围内。
　　电感耦合可产生电流磁场
　　电感耦合（图1）正应用于各种电机领域，它采用可产生各种移动电流的磁场。基本来说，变压器的原理是透过使它们磁耦合的方式改变两个电感线圈间的电能，详细内容可参照法拉第发明的电磁定律。当行动设备在交流电上工作时，接收器中感应到的电能自然地进行交替并改变为交流电。

　　图1　电感耦合示意图

　　电磁感应与可产生磁场的导体内的电流和电压强度以及频率成正比。频率越高，则感应强度越强。能量从可产生磁场（初级）的导体传输到其他导体上，并发生磁场冲击（二级）。初级导体中的部分能量通过感应传输到二级导体中，并且能量沿着初级导体快速减少。
　　高频电流不会透过远距离的导体，但会透过传感快速改变其能量到相邻导体上。更高频率所产生的更高感应很好地体现了交流电系统中高频传播与低频传播的显着差别。频率越高，感应效果越明显，并透过电路之间的空间传输能量。能量减少的越快，并且电流沿着电路消失，本地现象就越多。
　　电气设备不宜通过空气进行磁场耦合，因为空气拥有很差的渗透性，会导致效率低下。但对于移动应用而言，当使用会使设备变重的高渗透性磁心时，空气仍是首选的介质。通过使用共振技术，设计人员可以更高效地增加能源，使其在短距离内，透过空气的介质进行传输。
　　无线充电则复杂得多，这是因为它对进行发射和接收的能源，在其通信与控制方面有很高要求，需要更复杂、更高级的电路，故要为无线传输能源建立新的标准。
　　图1所示为一个理想的变压器，即没有功率损耗的变压器，在这个变压器内，初级伏安（Volt Ampere）=二级伏安。虽然实际应用中，变压器都很高效，但功率损耗还是会发生，因为不是所有由初级线圈产生的磁通量都会连接到二级线圈。以下三种情况会导致变压器的功率损耗：
　　．铜损耗
　　铜损耗也可以叫做线圈损耗或I2R损耗，因为由其他金属制成的线圈也会发生损耗。这些损耗是由于铜线线圈过热导致的，因为铜线有阻力，会消耗一定的功率。
　　变压器线圈产生的功耗可以通过计算线圈中的电流和阻力来统计，公式为P=I2R。这个公式解释了为什么铜损耗会被称做I2R损耗的原因。为了使损耗降到最低，线圈中的阻力必须保持最低，因此要使用横截面积适中且电阻率低的线圈。
　　．磁滞损耗
　　每当交流电反转（每週期一次）时，带有磁心材料的微小「磁域」也会反转。这些属于磁心材料的物理改变，也会消耗一定的能量。
　　能量损耗的大小取决于磁心材料的「磁阻」；对于大型功率变压器磁心而言，磁滞损耗或许是一个大问题，可透过采用特殊低磁阻「晶粒取向」钢做为磁心材料来克服这一问题。
　　．涡流损耗
　　因为铁和钢磁心既是导电体又是磁电路，初级线圈中的电流改变往往会建立一个电磁波（EMF），同样在二级线圈中也是如此。磁心内感应到的电流会阻碍磁心内磁场的改变，因此须尽可能使涡流保持最低，这可透过把金属磁心分离到薄片或叠片（Laminations）上来实现，并透过绝缘漆和氧化物使每一个叠片都与其他隔离。被叠片的磁心大大减少了涡流的形成，并且不影响磁心的性能。 无线充电的优缺点
　　无线充电优点如下:
　　．受保护的连接
　　当电子全部封闭时，不会受到空气中水和氧气的腐蚀。
　　．对嵌入式医疗设备而言，更加安全
　　对于嵌入式医疗设备而言，允许通过皮肤而不是让线缆穿过皮肤的方式对设备进行充电/供电，从而减少受感染的风险。
　　．方便
　　不必连接电力线缆，设备可安放在充电板或支架上。
　　．操作简单
　　比起插入电力线缆，操作更简单（对于残疾人士更加重要）。
　　．耐用
　　无须频繁插拔设备，拥有更耐磨损和撕裂的设备插槽和附加线缆。
　　另一方面，无线充电的缺点则如下所列。
　　．效率偏低，产生废热
　　与直接充电相比，磁感应充电的最大缺点就是效率偏低和不断增加的电阻热量。
　　采用低频或老式驱动技术导致充电速度缓慢并在大多数可携式电子设备中产生废热。
　　．成本昂贵
　　感应充电需要设备和充电器都具备驱动电子设备和线圈，增加了制造的复杂性和成本。
　　．充电缓慢
　　由于效率低，设备需要的充电时间更长。
　　．不方便
　　当行动设备使用线缆连接充电时，您可以随意移动该设备，并且可以在充电过程中使用设备。而采用当前的感应充电（如Qi标准）技术，行动设备必须固定在平板上，因此不能随意移动，充电时也不能轻松使用。
　　．不相容性
　　与标准微型通用串行总线（Micro USB）充电连接器不同，无线充电没有一个实际标准，当标准出现时，会给消费者、组织或制造商带来大量冗余设备（Redundant Equipment）。
　　事实上，开发商可透过采用超薄线圈、更高的频率和经过优化的驱动电子设备等新方法来减少传输损耗。这将使得充电器和接收器变得更高效、更精巧，在最大限度减少改变的同时，促进了与行动设备和电池间的整合。这些技术使得无线充电的时间可以媲美有线充电的方式。

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