基于電磁感應(yīng)的無線充電裝置的設(shè)計(jì)

吳 亮

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009)

在當(dāng)今飛速發(fā)展的社會(huì)中，隨身智能產(chǎn)品（手機(jī)，電腦等等）已經(jīng)成為人們生活不可或缺的一部分，這些智能產(chǎn)品需要頻繁地進(jìn)行充電。由于當(dāng)前絕大多數(shù)充電方式都是有線的，這種方式雖然充電效率高，但是會(huì)有很多局限性，當(dāng)人需要一邊進(jìn)行充電一邊使用，就不得不待在插座周圍，限制了人的活動(dòng)，降低了人的工作效率。因此，一種為智能產(chǎn)品無線充電裝置研究和設(shè)計(jì)成為熱門，來適應(yīng)當(dāng)前高效率的生活與辦公，滿足未來發(fā)展趨勢(shì)。

理想的無線充電的優(yōu)點(diǎn)：第一，遠(yuǎn)距離傳輸電能，解決有線帶來的行動(dòng)不方便的困擾，極大地提高日常生活辦公效率。第二，安全，由于沒有充電線的連接，通過耦合來實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，因此不用擔(dān)心觸電的危險(xiǎn)。第三，特定領(lǐng)域，例如植入性醫(yī)療器件、水下設(shè)備等。

1 總體設(shè)計(jì)方式

當(dāng)前的無線充電技術(shù)主要有三種實(shí)現(xiàn)方式：電磁感應(yīng)式、電磁耦合共振方式、微波/激光輻射方式。本設(shè)計(jì)選用電磁感應(yīng)的方式[1-3]。相比于其他兩種，本方式的原理為電生磁，磁生電。優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠，通常適用于為小微型電子設(shè)備供電。

本次設(shè)計(jì)出的無線感應(yīng)充電裝置要達(dá)到以下三個(gè)要求：裝置的輸出電流：＞=100mA；裝置的作用距離：＞=5mm；裝置的充電效率＞30%。

本設(shè)計(jì)主要由發(fā)射端與接收端組成，發(fā)射端主要包括PWM 波形發(fā)生電路、開關(guān)電路以及初級(jí)線圈電路。接收端主要包括次級(jí)線圈電路、整流濾波電路以及穩(wěn)壓電路。其中發(fā)射端發(fā)由PWM 發(fā)生器產(chǎn)生PWM信號(hào)，PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)器件的控制，進(jìn)而由初級(jí)線圈儲(chǔ)存能量，初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間通過以非接觸方式將能量無線傳輸至接收端，然后，經(jīng)過整流濾波后得到對(duì)應(yīng)的直流電壓，最后通過穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定的5V 電壓輸出并為負(fù)載提供能量[4]?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

圖1 總體設(shè)計(jì)構(gòu)架圖

2 發(fā)射端電路的選擇

2.1 PWM波形發(fā)生電路方案論證

方案一：使用有源晶振，此種方案雖然可以產(chǎn)生穩(wěn)定的工作頻率，但無法對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，很難產(chǎn)生諧振。

方案二：使用有單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM 波形，目前單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波形頻率可高達(dá)MHz的數(shù)量級(jí)，足以滿足設(shè)計(jì)要求，但是單片機(jī)成本較高，且涉及編程，開發(fā)周期相對(duì)較長(zhǎng)，其次，本設(shè)單片機(jī)的使用需要一定的功率，對(duì)總設(shè)計(jì)的效率會(huì)有一定的影響[5]。

方案三：采用NE555 產(chǎn)生波形電路，可以通過調(diào)節(jié)外部變阻器的阻值來調(diào)節(jié)輸出波形的頻率及占空比，當(dāng)振蕩電路改變時(shí)，調(diào)節(jié)變阻器阻值大小即可產(chǎn)生相應(yīng)頻率的波形，直到與LC 電路形成諧振。

故選擇方案三。

2.2 多諧振蕩器分析

PWM 為脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，通過調(diào)節(jié)脈沖的寬度實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的控制。本設(shè)計(jì)采用NE555 多諧振蕩器產(chǎn)生PWM波形。

555內(nèi)部電路如圖2所示：

圖2 555內(nèi)部電路圖

NE555 狀態(tài)表如表1 所示，當(dāng)NE555 的復(fù)位Reset 引腳接低電平時(shí)，芯片被置位，電路不工作。當(dāng)Reset 引腳為高電平時(shí)，電路正常工作。電路上電時(shí)，電源通過D13 對(duì)電容C16 進(jìn)行充電，當(dāng)C16上端電壓大于1/3Vcc且小于2/3Vcc時(shí)，根據(jù)表格可知輸出狀態(tài)保持，此時(shí)C16 繼續(xù)充電，當(dāng)其上端電壓大于2/3Vcc 時(shí)，C16 停止充電，并通過D15 放電。當(dāng)C16 上端電壓大于1/3Vcc 且小于2/ 3Vcc時(shí)，C16 繼續(xù)放電，當(dāng)其上端電壓小于1/3Vcc 時(shí)，C16 停止放電，開始充電。然后重復(fù)上述過程，最終在輸出腳3得到PWM波形。對(duì)變阻器R5的阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以改變C16 的充放電時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出PWM的脈沖寬度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出PWM的調(diào)控[6]。此處PWM 的頻率由R3，R5，C16 的值決定，頻率可由公式得出：

通過調(diào)節(jié)R5 的阻值，最終得到輸出頻率約為100KHz，占空比為20%的PWM信號(hào)。通過調(diào)節(jié)R5阻值即可調(diào)節(jié)輸出占空比越大，接收端獲得的能量也越多。最終調(diào)試出電路輸出頻率為：P=100 KHz。

表1 NE555狀態(tài)表

2.3 MOS 控制電路

Q1 為N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管IRF540（110v/33A/40 mΩ），其開啟電壓Vgs高于3V的時(shí)候，MOS開始導(dǎo)通，所以555的輸出端口的電壓可以直接驅(qū)動(dòng)MOS。調(diào)整線圈L2并聯(lián)的電容C20，使其處于諧振狀態(tài)，MOS在工作的時(shí)候發(fā)熱少，當(dāng)接收端不放上去的時(shí)候，發(fā)射端幾乎不發(fā)出能量，待機(jī)功耗很低。

由于MOS管GS端有極間電容，加R4是為了使MOS 開通瞬間電流減小，保護(hù)了PWM 端口不容易損壞。R6為下拉電阻，防止意外情況MOS打開。

2.4 LC振蕩電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中發(fā)射端線圈選擇LC振蕩作為“天線”[7]，只要電容C選擇恰當(dāng)，該電路運(yùn)行穩(wěn)定。

取電感為24 μH，諧振頻率為100 KHz，計(jì)算得到C為100 μF。

2.5 整流電路

整流電路可以將交流電轉(zhuǎn)換為含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。輸出電壓習(xí)慣上稱單向脈動(dòng)性直流電壓[8]。

如圖3 所示為接收端LC 振蕩電路及整流濾波電路，接收端電感為L(zhǎng)1，即為次級(jí)線圈，L1與初級(jí)線圈L2以匝數(shù)比1∶1無線反激耦合。其中LC電路同發(fā)射端一樣，設(shè)計(jì)諧振頻率為100KHz，整流電路采用全波整流電路，當(dāng)輸入電壓在正半周期時(shí)，D2，D12 導(dǎo)通，D3，D11 截止，電流由L1 上端流經(jīng)D2-＞負(fù)載-＞D12，當(dāng)輸入電壓在負(fù)半周期時(shí)，D3，D11 導(dǎo)通，D2，D12 截止，電流由L1 上端流經(jīng)D3-＞負(fù)載-＞D11[9]。

用肖特基組成的整流橋進(jìn)行全波整流，同一時(shí)刻必然有2個(gè)二極管在導(dǎo)通，將產(chǎn)生1.1V的電壓降（單個(gè)肖特基壓降為0.55V），這是無線充效率不高的主要原因。

圖3 整流濾波電路

2.6 濾波電路

交流電經(jīng)全波整流電流后得到單極性的單一脈動(dòng)交流信號(hào)[10]。然后為了減少直流電壓中的交流成分，保留直流成分，可以經(jīng)過濾波電路進(jìn)行過濾，盡量使波形變得平穩(wěn)。

濾波電容越大，被整流電壓周期越小，負(fù)載電阻越大，濾波效果越好。應(yīng)當(dāng)根據(jù)被整流電壓周期T 和負(fù)載電阻RL 的大小來確定濾波電容荷壓比。設(shè)計(jì)中考慮到開關(guān)頻率已經(jīng)達(dá)到100 KHz了，所以采用了2個(gè)100 μF的電容，足夠保證電路正常運(yùn)行。

2.7 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓二極管組成。穩(wěn)壓二極管的特點(diǎn)是在反向擊穿前具有很高的電阻；而在反向擊穿時(shí)，一定的電流范圍內(nèi)，端電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)不變。利用此特性可以對(duì)端電壓進(jìn)行穩(wěn)定化。穩(wěn)壓二極管可以并聯(lián)以便在較高的電壓上使用，各個(gè)穩(wěn)壓管分壓以便穩(wěn)出所需電壓。

穩(wěn)壓管采用7 個(gè)1W 的ZM4733A 并聯(lián)，滿足設(shè)計(jì)余量。當(dāng)接收端未連手機(jī)時(shí)候，管子會(huì)發(fā)燙，穩(wěn)壓管的作用就是讓其發(fā)燙而消耗能量的。當(dāng)連接手機(jī)后，該電壓會(huì)被手機(jī)拉下到4.6 V左右，手機(jī)內(nèi)部的電源管理芯片會(huì)讓其工作在恒流模式，此時(shí)接收端穩(wěn)壓管不工作。這個(gè)電流大小，決定了充電速率。

3 系統(tǒng)完成與測(cè)試

整個(gè)裝置由手工制作的覆銅板焊接而成。如圖4所示：

測(cè)試無線充電需要數(shù)控電源、萬用表、負(fù)載和示波器。用萬用表、示波器等相關(guān)儀器檢測(cè)自制的無線電能傳輸裝置工作是否正常。電平是否與理論相符，檢測(cè)完后，將9V單電源輸入，調(diào)節(jié)檔位旋鈕，將輸出電流設(shè)好，記錄直流穩(wěn)壓電源中的輸入電流，數(shù)字萬用表中輸出電壓的值，接收端接入電阻負(fù)載。測(cè)量電路如圖5所示：

圖4 無線電能充電器樣品圖

圖5 測(cè)量電路

4 測(cè)試結(jié)果

無線充電的輸入輸出的測(cè)試結(jié)果表2所示：

表2 無線充電輸入輸出測(cè)試記錄表

由以上數(shù)據(jù)得到：輸入直流電壓Uin=9 V 時(shí)，保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x=1mm左右不變，通過測(cè)試不同負(fù)載的輸入輸出電流電壓得到不同距離的輸出效率。由表可知，當(dāng)R=10Ω時(shí)，無線電能傳輸裝置的效率最大η=56%。

在整體測(cè)試階段，測(cè)試結(jié)果顯示：在電源供電正常前提下，本設(shè)計(jì)充電過程穩(wěn)定，在允許充電范圍內(nèi)，無充電中斷現(xiàn)象；初級(jí)線圈和次級(jí)線圈在相同耦合度下，最大可充電的垂直距離為3CM；初級(jí)線圈和次級(jí)線圈在貼合情況下，輸出電路可正常工作的最低耦合度為60%。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)采用電磁感應(yīng)的方式，用555構(gòu)成的多諧振蕩電路產(chǎn)生可調(diào)的PWM 信號(hào)，通過場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈，把變化電場(chǎng)轉(zhuǎn)換成變化磁場(chǎng)；接收線圈把耦合到的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換成變化的電場(chǎng)，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓電路，給后級(jí)的用電設(shè)備提供穩(wěn)定的5 V直流電壓（本作品以手機(jī)充電為例）。其中調(diào)節(jié)震蕩頻率是難點(diǎn)。為了提升了能量傳輸效率，結(jié)合曾經(jīng)用磁耦合諧振方式設(shè)計(jì)的研究，在發(fā)射和接受線圈上都加入合適電容使得其處于LC 諧振狀態(tài)。根據(jù)測(cè)試，輸出端在0.4A負(fù)載情況下，最大的供電效率為56%。這為進(jìn)一步研究無線充電設(shè)備以及更廣闊無線電能充電裝置提供方案。