基于電磁共振的無線充電器研究與設(shè)計(jì)

周猛 瞿齊 瞿敏驍 宋葉帆

摘 要：研究了電磁共振技術(shù)的無線電能傳輸原理，并基于此原理設(shè)計(jì)無線充電系統(tǒng)。以常用電子器件構(gòu)成，主要由電源管理電路、發(fā)射電路、接收電路和充電電路4個電路組成。該電路采用采用交直流供電，利用有源晶振發(fā)出高頻激勵信號和丙類諧振功率放大器，傳送效率高。

關(guān)鍵詞：無線充電 電磁共振 線圈耦合

中圖分類號：TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-00-02

隨著時代的發(fā)展，移動電子設(shè)備越來越普及。目前傳統(tǒng)的移動設(shè)備配置的電池容量有限，有限數(shù)據(jù)充電方式又過于限制使用范圍，無法滿足人們?nèi)粘Ｋ琛６鵁o線充電器采用無線充電技術(shù)，通過使用線圈之間產(chǎn)生的磁場傳輸電能，進(jìn)行電能—磁場能—電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，實(shí)現(xiàn)對手機(jī)的無接觸充電。本文基于電磁共振設(shè)計(jì)一種無線充電器，可實(shí)現(xiàn)一種無線的快速充電方式，同時能減小甚至避免因充電線斷裂而引發(fā)的安全問題，便于人們使用。

1 無線充電能傳輸原理

本無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取電磁共振方式傳輸電能。電磁共振耦合的能量傳輸方式通常在兩個同頻率的諧振體之間產(chǎn)生強(qiáng)耦合，利用收發(fā)兩端的線圈及電容組成諧振電路，實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。其自身消耗電能較電磁感應(yīng)式無線傳輸能量非常小，有效傳輸距離也較遠(yuǎn)。

2 電磁共振無線充電器設(shè)計(jì)

無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采取交直流供電，通過電源管理電路得到5V直流電，經(jīng)發(fā)射電路的振蕩電路和諧振功率放大器輸出至發(fā)送端線圈，與接收端線圈諧振耦合傳送能量，接收電路再通過整流、濾波和穩(wěn)壓為負(fù)載供電。

2.1 電源電路

如圖2所示，通過單刀雙閘繼電器切換交直流供電。交流電常開閉合，常閉打開為交流供電，交流斷電后繼電器常閉閉合，為24V直流供電。交流供電，通過全橋整流，電容濾波，穩(wěn)壓得到直流電。24V直流電通過穩(wěn)壓器降壓得到直流電。

2.2 發(fā)射電路

發(fā)射電路振蕩電路和諧振功率放大電路組成，為發(fā)送端線圈提供高頻交流電。

2.2.1 振蕩電路

如圖3所示，振蕩電路采用有源晶振。有源晶振通常的用法：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接輸入電壓[2]。由于有源晶振輸出的是方波，這將引起諧波干擾，在輸出端接入積分電路，將方波轉(zhuǎn)近似轉(zhuǎn)換為正弦波。

2.2.2 諧振功率放大電路

功率放大器常采用效率較高的丙類工作狀態(tài)， 即三極管集電極電流導(dǎo)通時間小于輸入信號半個周期的工作狀態(tài)。為了濾除丙類工作時產(chǎn)生的眾多高次諧波分量， 采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)功率放大器的選頻回路與振蕩電路的頻率相同時，功率放大器發(fā)生諧振，此時線圈中的電壓電流達(dá)到最大值。

2.3 接收電路

接收電路如圖4所示，當(dāng)接收線圈與發(fā)送線圈接近時，接收端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。接收端與發(fā)送端諧振頻率相同時，感應(yīng)電壓達(dá)到最大值。實(shí)際上，發(fā)射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態(tài)時，具有最好的能量傳輸效果。

2.4 充電電路

如圖5所示，接收端線圈電壓經(jīng)過全橋整流，電容濾波后，接入充電電路，三極管的基極電壓在穩(wěn)壓二極管的作用下穩(wěn)定為5V電壓，當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時，三級管射極電壓低于基極電壓，三級管導(dǎo)通，led燈亮起，表示進(jìn)入充電狀態(tài)。當(dāng)電池充滿時，三極管的射極電壓等于三極管的基極電壓，使三極管斷開，從而使led燈熄滅說明充電結(jié)束。

3 結(jié)語

該設(shè)計(jì)采用一種以電磁共振技術(shù)為基礎(chǔ)的無線充電器的電路設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過對電磁共振技術(shù)的深入分析，得到它是通過磁場的近距離的相互作用，引起接收線圈和發(fā)射線圈發(fā)生共振，從而實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。在此的基礎(chǔ)的上，研究并設(shè)計(jì)出來電路的各個部分電路。

參考文獻(xiàn)

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