基于電磁感應(yīng)的無(wú)線充電器設(shè)計(jì)

蘇 變 玲

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

各種電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，極大地豐富了人們的生活，提高了人們的工作效率，但同時(shí)也產(chǎn)生了諸多問(wèn)題，如絕大多數(shù)充電器不能通用，充電器長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致充電接口與充電線的插頭接觸不緊密，存在安全隱患。相比較而言，無(wú)線充電則更具有優(yōu)勢(shì)，在使用無(wú)線充電器時(shí)，只需將待充電設(shè)備放在靠近無(wú)線電源發(fā)送端，即可為任意一款電子產(chǎn)品充電。此外，基于無(wú)線充電的優(yōu)越性，手機(jī)外殼可以設(shè)計(jì)為完全密封的狀態(tài)以達(dá)到防水、防塵的目的。

1 電磁感應(yīng)原理

電磁感應(yīng)是無(wú)線充電的方式之一。電磁感應(yīng)的原理是通過(guò)兩線圈之間的電磁感應(yīng)現(xiàn)象來(lái)傳送電能，在發(fā)射和接收電路部分各有一個(gè)線圈，分別為發(fā)射線圈和接收線圈。發(fā)射線圈將有源電能以電磁波的方式發(fā)射到空間中，經(jīng)接收線圈耦合后在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時(shí)將部分電能儲(chǔ)存在線圈和電容中，最后再經(jīng)過(guò)整流濾波穩(wěn)壓電路提供給電子產(chǎn)品。

電磁感應(yīng)式充電器的核心是通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)振蕩電路在發(fā)射線圈中產(chǎn)生一定頻率變化的交流電，其變化的電流會(huì)在線圈周圍的空間產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，由變化的磁場(chǎng)在接收端線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)接收線圈部分形成閉合回路時(shí)便可以產(chǎn)生變化的電流，之后再將接收端的交流電經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓之后傳輸給電子產(chǎn)品，從而達(dá)到無(wú)線充電的目的。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 無(wú)線充電結(jié)構(gòu)框圖

2 電磁感應(yīng)式理論分析及計(jì)算

2.1 系統(tǒng)模型分析

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和計(jì)算時(shí)，振蕩電路部分并沒(méi)有過(guò)多參與其中，因此將系統(tǒng)的電路模型可以簡(jiǎn)化為接收線圈和發(fā)射線圈兩部分。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于兩線圈是直接耦合的，因此還應(yīng)該考慮線圈之間的漏感[1]，故可將其等效為圖2所示系統(tǒng)。其中Z1、Z2分別代表阻抗，ZL表示互感。

圖2 等效電路圖

兩線圈在空間中直接耦合，一般存在嚴(yán)重的漏磁現(xiàn)象，因此，設(shè)兩線圈之間的耦合系數(shù)為ξ(一般情況下：0<ξ<1)，則有：

Z1=jw(1-ξ)L1，

(1)

Z2=jw(1-ξ)L2，

(2)

ZL=jwL。

(3)

因此，該無(wú)線充電裝置的效率為：

(4)

其中：P表示電源的總能量，PL表示負(fù)載所接收到的能量，η表示該裝置的效率。由式(4)可知，當(dāng)系統(tǒng)的阻抗Z1、Z2增大時(shí)，其傳輸效率降低。

2.2 無(wú)線充電技術(shù)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)電磁場(chǎng)理論可知，當(dāng)導(dǎo)體中通過(guò)恒定電流時(shí)會(huì)在導(dǎo)體的外圍產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式為[2-3]：

(5)

圖3發(fā)射線圈外一點(diǎn)的磁場(chǎng)示意圖

(6)

磁通量：φ=M×I，φ=Sdb；

綜上可知，無(wú)線供電的供電效率與線圈之間的距離成反比，與線圈的半徑R成正比,還與線圈所圍成的平面面積成正比。此外，線圈的相對(duì)位置會(huì)顯著影響互感系數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，兩線圈的軸心偏差越小，線圈之間的互感系數(shù)越大，接收線圈獲得的能量越多。因此，在實(shí)際中要使兩個(gè)線圈的軸心偏差盡可能小，繞制盡量相同。

3 無(wú)線充電器電路設(shè)計(jì)

3.1 功率放大電路設(shè)計(jì)

常用的功率放大電路主要有：乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大和甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大。乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路相對(duì)簡(jiǎn)單，但需雙電源供電且存在交越失真。甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路能克服交越失真[6]，但電路相對(duì)復(fù)雜且其偏置電壓不易調(diào)節(jié)。如圖4(a)所示為乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大，圖4(b)所示為甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大。

(a)乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大

(b)甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大

(c)E類功率放大

考慮到發(fā)射線圈主要是用來(lái)傳遞能量的，波形的失真與否并不重要，在有足夠輸出的前提下，電路應(yīng)該盡可能地簡(jiǎn)潔實(shí)用。因此，本設(shè)計(jì)采用E類功率放大，如圖4(c)所示。 E類功率放大器主要由單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和單電源等組成，其電路簡(jiǎn)單，功率放大效率高，在理想情況下可達(dá)100%，從而盡可能地提高發(fā)射線圈的功率。

3.2 振蕩電路設(shè)計(jì)

振蕩電路部分是采用NE555輸出PWM波，再將輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)推挽電路放大，從而控制MOS管的通斷，進(jìn)而將電能通過(guò)發(fā)射線圈發(fā)送出去。振蕩電路輸出的PWM波是多個(gè)高電平和低電平相互轉(zhuǎn)換所形成的一種波形，因此振蕩電路應(yīng)該處于振蕩狀態(tài)[7]。其電路圖和工作波形如圖5所示。

(a) NE555構(gòu)成的振蕩器

(b) 工作波形

當(dāng)電路中的電阻變化時(shí)，電路的頻率及占空比也隨之發(fā)生變化[8]，因此，可以通過(guò)改變電阻R2和R3的阻值來(lái)設(shè)定振蕩電路的頻率與占空比，其中，PWM 波的周期T為：

T=Ton+Toff。

(7)

Ton=ln2[(R1+R2)+(R3+R4)]C1=0.7(R1+R2+R3+R4)C1。

(8)

Toff=ln2(R3+R4)C=0.7(R3+R4)C1。

(9)

T=Ton+Toff=0.7[(R1+R2)+2(R3+R4)]C1。

(10)

本設(shè)計(jì)中取f=400 kHz，占空比為60%，取C2為100 pF，可得：

但在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn),NE555輸出的PWM波并不能直接驅(qū)動(dòng)IRF640，因此需要增加功放模塊?？紤]到電路的簡(jiǎn)潔和實(shí)用性，本設(shè)計(jì)選擇2N3904和2N3906構(gòu)成推挽電路，用來(lái)放大NE555輸出的PWM波信號(hào)，達(dá)到驅(qū)動(dòng)IRF640的目的。

3.3 接收電路設(shè)計(jì)

接收電路部分的主要功能是將接收線圈接收到的電能提供給電子產(chǎn)品，因此，對(duì)接收電路輸出的電壓、電流及紋波系數(shù)等參數(shù)要求比較高，同時(shí)還要考慮電池的充電保護(hù)[9]，主要是防止電壓突變和電流過(guò)大。要滿足以上要求，可以通過(guò)穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。如利用穩(wěn)壓芯片、運(yùn)放、開(kāi)關(guān)管等設(shè)計(jì)電路，再采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電路控制及保護(hù)。兩種方法在理論上都可以達(dá)到上述要求。但是通過(guò)穩(wěn)壓芯片、單片機(jī)等電路體積較大且成本相對(duì)較高。考慮到接收端電路最后要嵌入到電子產(chǎn)品內(nèi)部，在保證電路穩(wěn)定性的同時(shí)電路結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)潔，以減少電路體積，方便后期的集成化處理。基于以上考慮，本文采用模擬電路來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電路設(shè)計(jì)的主體思路是將接收線圈接收到的交流電通過(guò)整流、濾波后再穩(wěn)壓到+5 V提供給電子產(chǎn)品，考慮到電子產(chǎn)品本身自帶過(guò)流、欠壓、過(guò)充等保護(hù)，因此不需要特別設(shè)計(jì)電路的保護(hù)部分，只需要保證輸出電壓的穩(wěn)定性和輸出電流在安全范圍內(nèi)即可。本設(shè)計(jì)采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，其電路圖如圖6所示。

3.4 輔助電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的輔助電源主要是為振蕩電路和發(fā)射線圈部分提供+5 V直流電和給功放電路提供的+12 V直流電，主電路部分主要是發(fā)射線圈電路部分。

以+12 V的輔助電源為例，在DC-DC變換部分采用三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317實(shí)現(xiàn)，LM317使用簡(jiǎn)單、電壓輸出范圍廣且功能穩(wěn)定，主要在電路中起到調(diào)節(jié)電壓的作用[10]。在理想情況下，其輸出電壓幅值最低可以達(dá)到1.2 V，最高可以達(dá)到 37 V。輸出電壓值可通過(guò)改變外圍電路的兩個(gè)電阻的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)，其典型電路圖如圖7所示。

圖6 接收電路

圖7中，取R1=1 kΩ，若想得到12 V的輸出電壓，經(jīng)計(jì)算可得R2=8.6 kΩ，因此R2選用20 kΩ可調(diào)電阻。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

本設(shè)計(jì)在測(cè)試無(wú)線充電設(shè)備的傳輸效率時(shí)，主要測(cè)試在帶負(fù)載的情況下，輸入電流、輸出電壓、輸出電流隨發(fā)射線圈和接收線圈之間距離變化的關(guān)系[10]。

通過(guò)調(diào)整兩線圈之間的距離測(cè)得多組數(shù)據(jù)，記錄如表1所示。

表1 系統(tǒng)輸出效率隨線圈之間距離變化的數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)輸入電壓一定時(shí)，隨著發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離增大，系統(tǒng)輸出效率會(huì)明顯降低，同時(shí)兩線圈的幾何中心是否在同一軸線上對(duì)傳輸效率的影響也至關(guān)重要。

5 結(jié)語(yǔ)

本文討論基于電磁感應(yīng)原理的高頻手機(jī)無(wú)線充電器設(shè)計(jì)及分析調(diào)試過(guò)程。提出其電路設(shè)計(jì)方案，對(duì)無(wú)線充電設(shè)備的多種參數(shù)進(jìn)行理論分析，并按照設(shè)計(jì)方案制作了簡(jiǎn)易的系統(tǒng)模型，最后進(jìn)行電路調(diào)試，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，表明該充電器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的目的，只是充電效率還有待進(jìn)一步提高。