適用于多類型負(fù)載的高效無線充電電路設(shè)計(jì)

尹丹 黎鏡林

摘? 要：針對(duì)以往無線充電電路分別搭載不同類型負(fù)載時(shí)不能保持較高傳輸效率的問題，設(shè)計(jì)了一種電磁感應(yīng)原理式的高效無線充電電路。該電路通過對(duì)能量發(fā)送電路與能量接收電路中的關(guān)鍵元器件的選型調(diào)優(yōu)，最終實(shí)現(xiàn)搭載不同類型負(fù)載時(shí)的能量傳輸效率最優(yōu)化。經(jīng)Multisim仿真實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)后的無線充電電路分別搭載感性、容性與阻性負(fù)載時(shí)，均能保持85%以上能量的高傳輸效率，其電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法可以為大學(xué)生電路理論學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性培養(yǎng)提供新的思路。

關(guān)鍵詞：無線充電電路;Multisim仿真;多類型負(fù)載;電路優(yōu)化

Abstract：Aiming at the problem that the wireless charging circuit cannot keep high transmission efficiency when carrying different types of loads，an efficient wireless charging circuit based on electromagnetic induction principle is designed. Through the selection and optimization of the key components in the energy transmitting circuit and energy receiving circuit，the energy transmission efficiency is optimized when carrying different types of loads. Multisim simulation results show that the improved wireless charging circuit can maintain a high transmission efficiency of more than 85% energy when carrying inductive，capacitive and resistive loads respectively. The optimization method of circuit design can provide new ideas for college students to learn circuit theory and cultivate innovation.

Keywords：wireless charging circuit;Multisim simulation;multiple type loads;circuit optimization

0? 引? 言

近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)、新能源汽車及電子產(chǎn)品領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)充電安全性、便攜性的要求逐漸提高[1]。傳統(tǒng)的有線充電由于采用線纜作為連接線，容易發(fā)生線纜纏繞、短路、漏電等安全性問題，且便攜性較低，因此逐漸難以滿足上述領(lǐng)域的需求[2]。無線充電作為新型的充電方式，擺脫傳統(tǒng)有線充電線纜的限制，通過非接觸式充電的方式實(shí)現(xiàn)電力傳輸，相對(duì)于有線充電，具有較高的安全性和便攜性[3]，無線充電的優(yōu)點(diǎn)決定了其在自動(dòng)化領(lǐng)域、無人操作領(lǐng)域、新能源汽車領(lǐng)域、電子產(chǎn)品與體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)[4]，因此對(duì)無線充電電路進(jìn)行研究具有十分重要的意義。目前的無線充電技術(shù)按照類型可分為電磁感應(yīng)式、磁共振式、電場(chǎng)耦合式與微波式[5]等，其尚未解決的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在：（1）能量傳輸效率低[6，7];（2）對(duì)多種類型的負(fù)載兼容性不足[8]。為此，基于作者在華南師范大學(xué)的學(xué)習(xí)，本文基于電磁感應(yīng)式原理，設(shè)計(jì)了一種新的高效無線充電電路，通過對(duì)該電路中核心模塊的元器件進(jìn)行選型調(diào)優(yōu)（如對(duì)功率放大模塊中的場(chǎng)效應(yīng)管和整流電路中的整流二極管進(jìn)行參數(shù)綜合衡量），以期達(dá)到該電路對(duì)于多種類型負(fù)載均能保持較高的能量傳輸效率的目標(biāo)。該電路可以為目前智能家居環(huán)境中多類型無線電器設(shè)備共用一個(gè)無線充電器的需求提供參考解決方案，具有實(shí)用價(jià)值。其電路優(yōu)化方法還可以作為范例，對(duì)大學(xué)生學(xué)習(xí)如何優(yōu)化電路具有啟示作用。

1? 總體設(shè)計(jì)

電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)是當(dāng)前無線充電領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的無線充電技術(shù)，本文所設(shè)計(jì)的高效無線充電電路也屬于電磁感應(yīng)式。其電路設(shè)計(jì)的技術(shù)理論依據(jù)為法拉第電磁感應(yīng)定律，通過在發(fā)送端與接收端設(shè)置感應(yīng)線圈，對(duì)發(fā)送端線圈提供高頻交流電。由電磁感應(yīng)原理可知，在接收端將產(chǎn)生相應(yīng)的電磁感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)整流電路整流后，提供能量給負(fù)載。經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)后的高效無線充電電路將具有短距離內(nèi)能量傳輸效率高的特點(diǎn)，適用于短距離充電[9]。

高效無線充電電路包括能量發(fā)送電路和能量接收電路，主要由功率放大電路、無線傳輸線圈、整流電路三個(gè)核心部分組成，其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。高頻控制信號(hào)通過功率放大電路放大功率，放大后信號(hào)會(huì)被輸出到無線傳輸線圈的發(fā)送端，無線傳輸線圈的接收端在接收到發(fā)送端的信號(hào)后產(chǎn)生相應(yīng)的交流電，經(jīng)整流電路整流后給負(fù)載提供能量。

1.1? 功率放大電路

由無線傳輸線圈發(fā)送端輸入的高頻控制信號(hào)是一種低功率信號(hào)，帶負(fù)載能力差。因此需要利用功率放大電路放大輸入功率。功率放大電路一般采用場(chǎng)效應(yīng)管或三極管作為核心器件。場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型器件，具有功耗低、響應(yīng)范圍大、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，而三極管是電流控制型器件。由于三極管的功耗比場(chǎng)效應(yīng)管大、且容易受溫度影響，因此電路設(shè)計(jì)中選擇場(chǎng)效應(yīng)管作為功率放大電路的核心器件。

圖2為能量發(fā)送電路中的場(chǎng)效應(yīng)管功率放大電路。場(chǎng)效應(yīng)管具有截止、放大和飽和三種工作狀態(tài)，為了使功率放大電路正常工作，則需要給場(chǎng)效應(yīng)管一定的偏置電壓，使其處于放大狀態(tài)[10]。

1.2? 傳輸線圈

由法拉第電磁感應(yīng)定律可知：

由于感生電動(dòng)勢(shì)與磁通變化率成正比，因此感應(yīng)線圈的匝數(shù)、大小以及發(fā)送線圈與接收線圈之間的距離等都將會(huì)對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)大小有所影響，從而影響能量傳輸效率[11]。

兩感應(yīng)線圈距離變大，會(huì)導(dǎo)致接收線圈的磁通量減少，導(dǎo)致磁通量變化率降低，使得接收端感生電動(dòng)勢(shì)降低，繼而影響電路的能量傳輸效率。因此設(shè)計(jì)傳輸線圈時(shí)，在合理的范圍內(nèi)，傳輸線圈的匝數(shù)越多越好，發(fā)送線圈和接收線圈的距離越近越好。

1.3? 整流電路

通常電路中的直流負(fù)載不能直接使用交流電，需要用整流電路將交流電變?yōu)橹绷麟?。整流電路有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流電路等，其中橋式整流電路的整流效率最高[12]。整流二極管是橋式整流電路的核心器件，其耐壓值和導(dǎo)通電壓等對(duì)整流效率有一定的影響。綜上考慮，電路設(shè)計(jì)中選擇采用橋式整流電路和導(dǎo)通電壓低、耐壓值高的整流二極管。

圖3為能量接收電路的橋式整流電路。橋式整流電路的工作原理為：當(dāng)交流信號(hào)為正時(shí)，二極管D1和D3導(dǎo)通;當(dāng)交流信號(hào)為負(fù)時(shí)，二極管D2和D4導(dǎo)通，與負(fù)載并聯(lián)的電容能將劇烈變化的信號(hào)變得平緩。為了使得整流電路能夠工作在較好的工作狀態(tài)下，交流電壓峰值要在整流二極管的耐壓值內(nèi)，且導(dǎo)通電壓越小越好。

2? 仿真實(shí)驗(yàn)電路優(yōu)化

電路的效率通常會(huì)受到所有元器件的影響，因此，元器件的選型優(yōu)化及電路優(yōu)化對(duì)提高電路的效率起著關(guān)鍵性的作用，這種設(shè)計(jì)思想同樣也運(yùn)用到了本文設(shè)計(jì)的適用于多類型負(fù)載的高效無線充電電路中。電路的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于Multisim構(gòu)建，可完成多類型負(fù)載和具體元器件選型，仿真電路設(shè)計(jì)如圖4所示。下文將重點(diǎn)介紹如何通過選擇合適的元器件型號(hào)，優(yōu)化核心電路。

2.1? 基本要求功率放大電路器件選型優(yōu)化

場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)有開啟電壓VGS（th）、輸入電壓VGS、漏源擊穿電壓VDSS、導(dǎo)通電阻RDS等。開啟電壓VGS（th）對(duì)激勵(lì)信號(hào)有一定要求，開啟電壓VGS（th）越大，要求激勵(lì)信號(hào)的電壓越高;輸入電壓VGS為激勵(lì)信號(hào)的輸入值;漏源擊穿電壓VDSS則決定了其激勵(lì)信號(hào)的輸入電壓上限;導(dǎo)通電阻RDS則對(duì)整個(gè)電路的傳輸效率有著較大的影響，導(dǎo)通電阻越大，能量損耗越高，傳輸效率越低。因此一般而言，VGS（th）越小越好，VDSS越高越好，RDS越小越好。

仿真實(shí)驗(yàn)電路所使用的激勵(lì)信號(hào)是正弦波信號(hào)，電壓幅值在2.5 V～7.5 V之間，偏置電壓在2.5 V～7.5 V之間。通過對(duì)現(xiàn)有不同型號(hào)的場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)綜合衡量后，最終選取場(chǎng)效應(yīng)管IRF1310。場(chǎng)效應(yīng)管IRF1310的VGS（th）最小為2 V、最大為4 V，其隨溫度在2 V與4 V之間變化，因此為保證IRF1310導(dǎo)通，需保證輸入電壓VGS大于4 V。VGS最大輸入范圍為±20 V，VDSS為100 V，RDS僅為0.04 Ω，具有功耗小、開啟電壓低的顯著優(yōu)勢(shì)，綜合性能符合無線充電電路的要求。為了使得IRF1310處于放大狀態(tài)，設(shè)置IRF1310的Q點(diǎn)電壓為5 V。

2.2? 整流橋電路器件選型優(yōu)化

整流橋是由四個(gè)整流二極管按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的。整流二極管的主要參數(shù)有導(dǎo)通電壓、最大反向工作電壓等。導(dǎo)通電壓大，則整流后的電壓小;反之導(dǎo)通電壓小，則整流后的電壓大。因此導(dǎo)通電壓會(huì)對(duì)整流效率有較大的影響，進(jìn)而影響整個(gè)無線充電電路的能量傳輸效率。導(dǎo)通電壓越低，則整流后的電壓越大，整流效率越高，整個(gè)電路的能量傳輸效率則越高;反向工作電壓則決定著整個(gè)電路的最大工作電壓，當(dāng)工作電壓超出整流二極管的最大反向工作電壓時(shí)，整流二極管會(huì)被擊穿。

仿真實(shí)驗(yàn)電路中將最大工作電壓設(shè)定在15 V，為了使得整流二極管接近于理想整流二極管，經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有不同型號(hào)的整流二極管進(jìn)行參數(shù)綜合衡量后，選取了型號(hào)為1N5822的整流二極管。1N5822的最大反向工作電壓為40 V，導(dǎo)通電壓最大為0.55 V，滿足無線充電電路的需求。圖5為二極管的等效電路，其中D1為實(shí)際二極管，D2表示為理想二極管，Von為二極管的開啟電壓，RD為二極管等效電阻。

3? 負(fù)載電路設(shè)計(jì)

在日常生活中常見的使用無線充電的負(fù)載有手機(jī)、掃地機(jī)器人等，其內(nèi)部一般都有阻性器件、感性器件與容性器件[13，14]。不同類型的負(fù)載由于自身的電路特性原因，接入到無線充電電路中時(shí)，會(huì)造成能量傳輸效率也不同。因此分別接入阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載時(shí)是否均能保持較高的能量傳輸效率，也是衡量無線充電電路性能優(yōu)劣的一個(gè)指標(biāo)[15]。

在負(fù)載電路部分，為了驗(yàn)證本電路對(duì)多類型負(fù)載的適應(yīng)性以及能量傳輸高效性，電路仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三種類型的負(fù)載：感性負(fù)載、容性負(fù)載、阻性負(fù)載[16]。阻性負(fù)載指的是通過電阻類的元件進(jìn)行工作的純阻性負(fù)載，即其負(fù)載電壓與負(fù)載電流之間沒有相位差;感性負(fù)載是指帶有電感參數(shù)的負(fù)載，其負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個(gè)相位差;容性負(fù)載一般是指帶電容參數(shù)的負(fù)載，即負(fù)載電流超前負(fù)載電壓一個(gè)相位差。在Multisim中，阻性負(fù)載通過在最后一級(jí)接入一個(gè)電阻來實(shí)現(xiàn);感性負(fù)載通過在最后一級(jí)接入一個(gè)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn);容性負(fù)載采用一個(gè)大電容與電阻并聯(lián)后再接入到最后一級(jí)來實(shí)現(xiàn)。阻性負(fù)載、感性負(fù)載與容性負(fù)載如圖6所示[8]。

4? 實(shí)驗(yàn)探究與結(jié)果分析

激勵(lì)信號(hào)頻率、激勵(lì)信號(hào)電壓都會(huì)影響能量傳輸效率[2]，為了探究本文設(shè)計(jì)的高效無線充電電路在不同激勵(lì)信號(hào)條件下搭載不同類型負(fù)載時(shí)能否保持較高的能量傳輸效率，將通過改變激勵(lì)信號(hào)頻率和改變激勵(lì)信號(hào)電壓來完成相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。下文根據(jù)仿真結(jié)果，討論了交流電頻率及負(fù)載類型對(duì)電路充電效率的影響。電路仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析均在美國(guó)國(guó)家儀器有限公司研發(fā)的仿真軟件Multisim平臺(tái)上完成，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下：

電路仿真實(shí)驗(yàn)采用的方法與相關(guān)參數(shù)設(shè)置時(shí)考慮的因素如下所示：（1）實(shí)驗(yàn)方法為控制變量法;（2）容性負(fù)載由于充電過程中功率會(huì)隨時(shí)間變化，因此截取仿真時(shí)間5 ms時(shí)的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn);（3）由于功率放大電路中選取的場(chǎng)效應(yīng)管開啟電壓VGS（th）最小為2 V，最大為4 V，為了保證場(chǎng)效應(yīng)管以正常狀態(tài)工作，輸入的激勵(lì)信號(hào)設(shè)置為常見的正弦波，峰峰值5 V或以上;（4）為了保證不出現(xiàn)負(fù)電壓，偏置電壓需設(shè)置為峰峰值電壓的一半或以上;（5）能量傳輸效率的定義為負(fù)載功率與初級(jí)線圈功率之比。

4.1? 激勵(lì)信號(hào)頻率與能量傳輸效率的關(guān)系

在無線充電電路搭載不同類型負(fù)載的情況下，對(duì)激勵(lì)信號(hào)頻率（正弦波信號(hào)，峰峰值5 V，偏置電壓2.5 V）與能量傳輸效率的關(guān)系進(jìn)行探究，探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由兩者關(guān)系分析可知，在激勵(lì)信號(hào)頻率處在0.1 MHz至10 MHz的頻率范圍的條件下，當(dāng)無線充電電路分別搭載阻性負(fù)載或感性負(fù)載時(shí)，其能量傳輸效率均能達(dá)到90%以上;當(dāng)無線充電電路搭載容性負(fù)載時(shí)，其能量傳輸效率也能達(dá)到85%以上。

4.2? 激勵(lì)信號(hào)電壓與能量傳輸效率的關(guān)系

在無線充電電路搭載不同類型負(fù)載的情況下，對(duì)激勵(lì)信號(hào)電壓與能量傳輸效率的關(guān)系進(jìn)行探究，仿真實(shí)驗(yàn)電路使用固定頻率為0.5 MHZ的正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，其中偏置電壓為激勵(lì)信號(hào)峰峰值電壓VPP的一半。通過調(diào)整VPP來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。對(duì)兩者關(guān)系分析可知，在激勵(lì)信號(hào)電壓處在5.0 V至15.0 V變化范圍的條件下，當(dāng)無線充電電路系統(tǒng)分別搭載阻性負(fù)載、感性負(fù)載與容性負(fù)載時(shí)，其能量傳輸效率均能達(dá)到85%以上。

4.3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從兩個(gè)仿真探究實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)該無線充電電路分別搭載阻性、感性與容性負(fù)載時(shí)，針對(duì)不同的激勵(lì)信號(hào)頻率與不同的激勵(lì)信號(hào)電壓，均能保持85%以上的能量傳輸效率，在大部分情況下甚至可達(dá)到90%以上的能量傳輸效率，而目前一般的電磁感應(yīng)式無線充電電路的穩(wěn)定能量傳輸效率僅在60%～80%之間[6，7]。因此可以證明該無線充電電路具有魯棒性較好、能量傳輸效率高、可以較好兼容多類型負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)，在仿真實(shí)驗(yàn)中具有很好的適應(yīng)性，證實(shí)了該設(shè)計(jì)具有良好的實(shí)用價(jià)值。

5? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)了一種電磁感應(yīng)原理式的高效無線充電電路。在對(duì)電路系統(tǒng)中能量發(fā)送電路與能量接收電路的關(guān)鍵元器件進(jìn)行選型調(diào)優(yōu)的基礎(chǔ)上，通過改變激勵(lì)信號(hào)頻率和激勵(lì)信號(hào)電壓，對(duì)無線充電電路分別搭載阻性、感性與容性負(fù)載時(shí)的能量傳輸效率進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，無線充電電路在大部分情況下能量傳輸效率在90%以上。因此，該無線充電電路設(shè)計(jì)具有良好的實(shí)用價(jià)值，可以較好地應(yīng)用于多種類型負(fù)載的高效率供電。其電路優(yōu)化方法對(duì)大學(xué)生電路理論學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性培養(yǎng)具有一定的啟發(fā)意義和參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：尹丹（1999—），女，漢族，四川自貢人，本科，研究方向：電子電路;黎鏡林（1997—），男，漢族，廣東廣州人，本科，研究方向：電子電路。