手機(jī)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

何 芹，張佳斌，戴麗潔，虞致國，顧曉峰

（1. 輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)電子工程系，江蘇 無錫 214122；2. 無錫市航道管理處，江蘇 無錫 214031）

1 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、平板電腦等越來越多的消費(fèi)類電子產(chǎn)品進(jìn)入到人們的生活和工作中。然而，這些便攜式電子產(chǎn)品往往需要利用專用的充電器進(jìn)行有線充電。有線供電方式在方便性、安全性等方面有很多問題，例如頻繁地插拔易損壞接頭，存在觸電隱患，在一些易燃易爆場合極易引發(fā)安全事故[1～2]。相比之下，非接觸式的無線供電[3]作為一種新型電能傳輸方式，可實(shí)現(xiàn)電源和便攜式電子設(shè)備之間沒有電氣連接的供電，擺脫了電源線的束縛，具有安全可靠、方便靈活等優(yōu)點(diǎn)[4～6]。

無線供電大多利用磁感應(yīng)耦合進(jìn)行能量傳遞，即平面初級線圈產(chǎn)生的時(shí)變磁場在次級線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳輸[7]。目前已提出的近距離無線供電方案大都利用磁感應(yīng)耦合實(shí)現(xiàn)[7～9]，但一般只能對單個(gè)負(fù)載充電，且理想傳輸效率僅60%。本文采用多個(gè)初級線圈并聯(lián)的技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種能對多個(gè)手機(jī)類便攜式電子設(shè)備同時(shí)充電的無線充電系統(tǒng)，其傳輸效率測量值超過了理想傳輸效率。此外，該充電系統(tǒng)中初級線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分量均勻分布，不同電子產(chǎn)品都能獲得基本恒定的充電電壓，充電效率不會隨擺放位置而變化。

2 無線充電系統(tǒng)的原理及構(gòu)成

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場。電能、磁能隨著電場與磁場的周期變換，通過電磁波的方式在空間傳遞；電磁波被接受后轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。變壓器就是根據(jù)這一原理工作的[10]，傳統(tǒng)變壓器初、次級線圈用完整磁芯連接在一起，初級和次級線圈之間緊密耦合。但在無線供電技術(shù)中，初、次級線圈相互獨(dú)立，它們的形狀、線徑等參數(shù)會影響耦合特性。

本文設(shè)計(jì)的無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由發(fā)射和接收兩個(gè)模塊組成，包括電源、整流濾波、高頻逆變、分離式變壓器等部分。交流電源產(chǎn)生的交流電壓經(jīng)整流濾波后得到直流電壓，直流電壓經(jīng)高頻交流逆變后變?yōu)楦哳l交流電壓。高頻交流電壓在變壓器初級線圈產(chǎn)生高頻電流，在分離式變壓器次級線圈中通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，再經(jīng)過整流濾波為負(fù)載提供電壓。由于分離式變壓器的初、次級線圈相互分離，漏感較大，耦合系數(shù)較小，變壓器的傳輸效率較低。為了提高功率傳輸能力，通常在分離式變壓器的初級和次級增加補(bǔ)償電容[11]。

一個(gè)初級線圈可同時(shí)為多個(gè)用電設(shè)備供電，但也存在不少缺點(diǎn)，如充電區(qū)域小、效率低、設(shè)備擺放位置不同容易導(dǎo)致充電效率不相當(dāng)?shù)?。采用多個(gè)初級線圈并聯(lián)的方式供電可克服上述缺點(diǎn)，相同的初級線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分量均勻分布，保證了待充電設(shè)備可獲得基本恒定的充電電壓。

圖1 無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)射電路

無線充電系統(tǒng)的發(fā)射電路如圖2所示。交流電壓源AC產(chǎn)生的交流電壓經(jīng)過橋式整流及電容C1、C2濾波后送給逆變電路。半橋式逆變電路由開關(guān)管Q1、Q2，電感Lr、L1，電容C3、C4、C5、C6和電阻R1、R2組成。Q1、Q2采用3DK7-9小功率開關(guān)管。3DK7-9具有壽命長、安全可靠、開關(guān)速度快、體積小等優(yōu)點(diǎn)。為了降低開關(guān)損耗，在開關(guān)管外并聯(lián)電容C5、C6，串聯(lián)電感Lr，使流過開關(guān)管的電流為正弦波；在正弦波過零時(shí)導(dǎo)通開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)零電壓的軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用諧振原理，調(diào)節(jié)開關(guān)開通、關(guān)斷時(shí)電壓和電流的變化，以減少開關(guān)損耗。

圖2 無線充電系統(tǒng)的發(fā)射電路

開關(guān)管Q1和Q2的門極由芯片SG3525控制，SG3525是一種性能優(yōu)良、功能完整和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，它不僅簡單可靠、工作效率高，而且使用方便靈活，輸出信號的占空比、頻率等易于控制，便于開關(guān)電源的高頻化和小型化[12～13]。SG3525的工作電壓范圍很寬(8～35 V)，可正常工作的溫度范圍為0～70 ℃，其應(yīng)用電路如圖3所示。

3.2 接收電路

無線充電系統(tǒng)的接收電路如圖4所示。電壓經(jīng)分離式變壓器到達(dá)接收端，經(jīng)過次級補(bǔ)償和橋式整流后轉(zhuǎn)換為直流電壓，再經(jīng)過電容濾波輸出比較穩(wěn)定的直流電壓，最終采用LM317穩(wěn)壓芯片調(diào)整穩(wěn)壓。考慮到不同電子設(shè)備的充電電壓不同，而且適當(dāng)提高充電電壓有利于改善充電效率。因此，采用LM317來調(diào)整輸出電壓。LM317是輸出電壓可調(diào)的集成三端穩(wěn)壓器[14]，輸出電壓在1.25～37 V內(nèi)連續(xù)可調(diào)，最小穩(wěn)定工作電流不大于5 mA。LM317的輸出電壓Vout與R10、R11存在如下關(guān)系：

若Vout=5 V，則R10=3R11，若Vout=10 V，則R10=7R11，因此滑動變阻器R10的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)盡可能大。

圖3 SG3525控制芯片的應(yīng)用電路

圖4 無線充電系統(tǒng)的接收電路

3.3 分離式變壓器的線圈

無線充電系統(tǒng)發(fā)射端有一個(gè)線圈和接收端耦合，初級和次級線圈的形狀、線徑等參數(shù)直接影響著電能的傳輸效率。

3.3.1 線圈的設(shè)計(jì)方案

考慮到線圈的趨膚效應(yīng)[15]，線圈表面電流最大，越靠近中心越小。由于多股線圈的表面積大于單股線圈，對應(yīng)的等效電阻較小，線圈本身的單體損耗也較低。因此，初級線圈使用直徑為0.55 mm的漆包線繞制，線圈線徑不易過粗，否則容易出現(xiàn)折斷；匝數(shù)和形狀根據(jù)實(shí)際情況確定。

由于無線充電系統(tǒng)的初、次級線圈相互分離，存在空氣間隙，導(dǎo)致耦合系數(shù)較低。要實(shí)現(xiàn)同時(shí)為多負(fù)載供電，必須使用大的初級線圈。但是，使用大的初級線圈需用更多的匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)磁場的均勻分布，會增加線圈的自感系數(shù)。因此，采用多個(gè)初級線圈并聯(lián)的方式，在減小初級線圈自感的同時(shí)，還能保證足夠的充電區(qū)域，另外也可減弱待充電設(shè)備之間的相互干擾。

3.3.2 線圈形狀的選擇

利用無線充電系統(tǒng)為單個(gè)手機(jī)負(fù)載(NOKIA 5700XM)供電，使用永勝DT9205A數(shù)字萬用表測量手機(jī)輸出端的電壓和電流。線圈形狀設(shè)定為圓形或方形，初級和次級線圈形狀相同。方形線圈線徑為0.55 mm，線圈邊長為40 mm，匝數(shù)為12匝；圓形線圈線徑為0.55 mm，線圈外徑為40 mm，匝數(shù)也為12匝。為提高充電效率，次級線圈的擺放應(yīng)與初級線圈重合，以便接收更多垂直方向的磁通量。表1列出了使用兩種線圈為單手機(jī)負(fù)載充電的測試結(jié)果。結(jié)果表明，隨著初級線圈和次級線圈間距離的增加，電流逐漸減小。另外，還可以看出，采用圓形線圈的傳輸效果更好。因此，在以后的實(shí)驗(yàn)中均采用圓形線圈且保持初級線圈和次級線圈間的距離接近0。

3.3.3 初級線圈的連接方式

保持初級和次級線圈均為圓形線圈，分別采用兩個(gè)初級線圈并聯(lián)的方式，以及只采用一個(gè)大的初級線圈、次級線圈不變的方式，同時(shí)為兩個(gè)相同的手機(jī)負(fù)載(NOKIA 5700XM)充電。兩個(gè)手機(jī)負(fù)載的輸出端電壓和電流測量結(jié)果列于表2。大的初級線圈需使用更多的匝數(shù)實(shí)現(xiàn)磁場的均勻分布，與前面的理論分析一致。

表1 采用不同線圈形狀時(shí)單負(fù)載充電的輸出參數(shù)

表2 采用不同初級線圈連接方式時(shí)雙負(fù)載充電輸出參數(shù)

4 多負(fù)載充電效率的測試

保持初級和次級線圈為圓形線圈，采用三個(gè)初級線圈并聯(lián)的方式同時(shí)為三個(gè)相同的手機(jī)負(fù)載(NOKIA 5700XM)充電，測量輸出端的電壓和電流，結(jié)果列于表3?？梢钥闯觯捎贸跫壘€圈并聯(lián)技術(shù)能增大充電區(qū)域，保證充電效率相當(dāng)。

根據(jù)圖5所示的磁耦合等效模型，初級線圈和次級線圈的阻抗Z1、Z2分別為：

表3 三負(fù)載充電的輸出參數(shù)

其中，R1、L1、C1為初級線圈的電阻、電感和電容，R2、L2、C2為次級線圈的電阻、電感和電容，RL為負(fù)載電阻。

圖5 磁耦合等效模型

線圈L2的輸入功率P1、負(fù)載ZL上消耗的功率P2可表示為：

其中，uin為高頻功率源電壓，ω為諧振頻率，M為初、次級線圈間的互感。因此，無線充電系統(tǒng)的傳輸效率η可表示為：

在忽略傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和電磁損耗等的前提下，假設(shè)系統(tǒng)理想諧振，三個(gè)負(fù)載的傳輸效率都能達(dá)到理想傳輸效率。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于半橋式逆變技術(shù)和磁感應(yīng)耦合技術(shù)的手機(jī)無線充電系統(tǒng)，初、次級線圈形狀均為圓形，并采用多個(gè)初級線圈并聯(lián)的方式為多個(gè)負(fù)載同時(shí)供電。測試結(jié)果顯示，在系統(tǒng)理想諧振的情況下，該系統(tǒng)對多個(gè)負(fù)載同時(shí)充電的效率均能達(dá)到理想傳輸效率，解決了已有類似無線供電方案中充電區(qū)域不足、待充電設(shè)備間相互干擾及充電效率較低等問題。

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