一種穩(wěn)定的電源延時開關(guān)電路設(shè)計

文/覃毅藝 劉詠平

小型化的電子產(chǎn)品已經(jīng)和我們的日常緊密聯(lián)系在一起，比如移動電話，智能手表，音樂播放器，平板電腦等。電子產(chǎn)品出于低功耗設(shè)計，都希望電源開關(guān)能處于一種穩(wěn)定可靠的狀態(tài)，不容易被外界的電磁輻射、物理應(yīng)力、異常觸碰等因素的影響導(dǎo)致誤操作。因此，需要一種穩(wěn)定的延時電路來實現(xiàn)，只有持續(xù)一定時間按壓開關(guān)的時候，才會激活導(dǎo)通電源電路，使電子產(chǎn)品開機。本文就是提出一種實現(xiàn)該功能的電路設(shè)計。

1 技術(shù)方案內(nèi)容

1.1 基礎(chǔ)原理分析

如圖1所示，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)不同的電流分布，通過數(shù)學(xué)的方法可以求解以下兩種特殊模型的電流磁場：

1.1.1 亥姆霍茲線圈模型

如圖2所示，赫姆霍茲線圈模型是一對間距等于半徑的同軸載流圓線圈。P點為線圈軸線上任一點，兩個線圈在P點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度B1、B2，分別為：

其中，N為線圈匝數(shù)，R為線圈半徑，X為P到Q點的距離。

圖1

則，P點磁感應(yīng)強度為為：

將偶函數(shù)B(X)在X=0點進行泰勒展開，其奇數(shù)項均為零

當(dāng)X=0時，B（X）二階導(dǎo)數(shù) =0，上式右邊只有常數(shù)項B(0)和四階無窮小項。

由此得到亥姆霍茲線圈中軸線附件的磁感應(yīng)強度為：

即當(dāng)兩線圈的平行距離等于半徑時，磁感應(yīng)強度B在兩線圈之間中軸線附近是均勻的，該值與線圈半徑成反比，與線圈匝數(shù)和電流強度成正比。在電流和匝數(shù)一定的條件下，半徑越小，軸線上相同位置的磁場越強。但是在實際應(yīng)用中，受限于應(yīng)用空間的需求，半徑太小是沒有實用意義的，而電流和匝數(shù)則受阻抗和發(fā)熱所限制，所以亥姆霍茲線圈的磁場特點是均勻性好，但是磁場強度較弱。

1.1.2 密繞螺旋線圈模型

如圖3所示，假設(shè)線圈長度為L，匝數(shù)為N的密繞線圈，可忽略螺距，半徑為R。

在螺線管上距離原點O為l處取一小段dl（含ndl匝線圈），如圖4所示，ndl匝線圈在P點磁場強度為：

圖2

圖3

所以：

對于密繞螺旋線圈，在一定匝數(shù)和電流強度下，線圈軸線上的磁場強度與位置有關(guān)，與線圈半徑無關(guān)，有較好的對稱性，不受空間半徑的限制，但是總體分布不均勻，呈現(xiàn)的是兩頭磁場強度弱，中心磁場強度高的趨勢。在高頻情況下，密集繞線會增加電感量，導(dǎo)致線圈阻抗變大、電流減小，不利于電能磁能的高效轉(zhuǎn)換。通過增加輸入功率，可以提高電流的大小，但是在轉(zhuǎn)換效率不高的情況下，會帶來一定的熱阻效應(yīng)及散熱問題。

圖4

圖5

1.2 技術(shù)方案設(shè)計

1.2.1 線圈模型設(shè)計

由以上兩種模型的分析可見，為了滿足磁場強度高且均勻性好的設(shè)計要求，必須通過一定的繞線方式來兼容兩種模型的優(yōu)點，以提高電磁能的轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)生高強度、高均勻性的磁場，使得處在線圈內(nèi)不同位置的多個目標(biāo)可以同時并快速的充滿電。

通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計采用類似附圖5的所示的并聯(lián)繞線方式可以獲得場強較強且均勻的磁場。其模型等效近似于亥姆霍茲線圈的密集螺旋線圈，具體的纏繞方式為：

使用導(dǎo)電性能良好的金屬材料導(dǎo)線，如銅線、鋁線等，并聯(lián)且相間地繞在絕緣支架腔體上，形成并聯(lián)的螺旋線圈，線圈疏密和長度適當(dāng)，同一組線圈的線間距為10mm至50mm之間，相鄰的并聯(lián)線圈的線間距為5～7mm之間。線圈整體設(shè)計為：長在100mm～300mm之間，寬在90～100mm之間，高在6mm～8mm之間。根據(jù)亥姆霍茲線圈的特點，盡量縮減截面面積，可以根據(jù)充電目標(biāo)的外觀形狀而適當(dāng)改變線圈的形狀，例如圓形、方形等，以達(dá)到減小充電線圈與充電目標(biāo)的感應(yīng)線圈之間的面積比的目的。

此類并聯(lián)繞法的特點：

（1）對于同組線圈：間距較大（越接近線圈半徑），近似亥姆霍茲線圈的特點，均勻性好,匝數(shù)少，電感量小，阻抗小。

圖6

（2）對于N組的并聯(lián)線圈：匝數(shù)增加，磁場增大；并聯(lián)電流分流到各線圈，解決熱阻效應(yīng)和散熱問題，轉(zhuǎn)換效率高，通過增加輸入功率可以彌補電流分流帶來的磁場削減。理論上，為了增加同時充電目標(biāo)的數(shù)量，增加并聯(lián)線圈的組數(shù)時，只需要增加輸入功率來彌補電流分流帶來的磁場削減即可。

將線圈繞好后，將并聯(lián)線圈同時接入功放的同一個輸出端口，線圈通過匹配電路與功放形成諧振，從而提高功放的的輸出效率。

1.2.2 測試驗證

本實驗將100個電子卡片(內(nèi)置無線感應(yīng)線圈、充電電路和3.3V鋰電池)電量放電至3.2V以下，放入設(shè)計線圈的內(nèi)部磁場，30分鐘后取出測試驗證數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖表中每個點代表一張電子卡片，下方的曲線代表放電后的初始電量，上方的曲線代表放入內(nèi)部磁場30分鐘后取出測試的電量，從數(shù)據(jù)可得，30分鐘內(nèi)，所有點電子卡片已全部充滿電。

2 結(jié)論

本文給出了一種能夠在一定空間區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻度好、場強強度高的電磁場的方式，能夠為放置于改區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)提供能量。