基于電磁感應的無線充電裝置的設計

吳 亮

(山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009)

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

理想的無線充電的優點：第一，遠距離傳輸電能，解決有線帶來的行動不方便的困擾，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，通過耦合來實現電能的傳輸，因此不用擔心觸電的危險。第三，特定領域，例如植入性醫療器件、水下設備等。

1 總體設計方式

當前的無線充電技術主要有三種實現方式：電磁感應式、電磁耦合共振方式、微波/激光輻射方式。本設計選用電磁感應的方式[1-3]。相比于其他兩種，本方式的原理為電生磁，磁生電。優點是生產成本低、結構簡單、技術可靠，通常適用于為小微型電子設備供電。

本次設計出的無線感應充電裝置要達到以下三個要求：裝置的輸出電流：＞=100mA；裝置的作用距離：＞=5mm；裝置的充電效率＞30%。

本設計主要由發射端與接收端組成，發射端主要包括PWM 波形發生電路、開關電路以及初級線圈電路。接收端主要包括次級線圈電路、整流濾波電路以及穩壓電路。其中發射端發由PWM 發生器產生PWM信號，PWM信號經驅動電路后實現對開關器件的控制，進而由初級線圈儲存能量，初級線圈與次級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，經過整流濾波后得到對應的直流電壓，最后通過穩壓電路得到穩定的5V 電壓輸出并為負載提供能量[4]?？傮w設計框圖如圖1所示：

圖1 總體設計構架圖

2 發射端電路的選擇

2.1 PWM波形發生電路方案論證

方案一：使用有源晶振，此種方案雖然可以產生穩定的工作頻率，但無法對其進行調節，很難產生諧振。

方案二：使用有單片機直接產生PWM 波形，目前單片機產生的PWM波形頻率可高達MHz的數量級，足以滿足設計要求，但是單片機成本較高，且涉及編程，開發周期相對較長，其次，本設單片機的使用需要一定的功率，對總設計的效率會有一定的影響[5]。

方案三：采用NE555 產生波形電路，可以通過調節外部變阻器的阻值來調節輸出波形的頻率及占空比，當振蕩電路改變時，調節變阻器阻值大小即可產生相應頻率的波形，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 為脈沖寬度調制信號，通過調節脈沖的寬度實現對能量的控制。本設計采用NE555 多諧振蕩器產生PWM波形。

555內部電路如圖2所示：

圖2 555內部電路圖

NE555 狀態表如表1 所示，當NE555 的復位Reset 引腳接低電平時，芯片被置位，電路不工作。當Reset 引腳為高電平時，電路正常工作。電路上電時，電源通過D13 對電容C16 進行充電，當C16上端電壓大于1/3Vcc且小于2/3Vcc時，根據表格可知輸出狀態保持，此時C16 繼續充電，當其上端電壓大于2/3Vcc 時，C16 停止充電，并通過D15 放電。當C16 上端電壓大于1/3Vcc 且小于2/ 3Vcc時，C16 繼續放電，當其上端電壓小于1/3Vcc 時，C16 停止放電，開始充電。然后重復上述過程，最終在輸出腳3得到PWM波形。對變阻器R5的阻值進行調節，可以改變C16 的充放電時間，進而調節輸出PWM的脈沖寬度，從而實現對輸出PWM的調控[6]。此處PWM 的頻率由R3，R5，C16 的值決定，頻率可由公式得出：

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

表1 NE555狀態表

2.3 MOS 控制電路

Q1 為N 溝道場效應管IRF540（110v/33A/40 mΩ），其開啟電壓Vgs高于3V的時候，MOS開始導通，所以555的輸出端口的電壓可以直接驅動MOS。調整線圈L2并聯的電容C20，使其處于諧振狀態，MOS在工作的時候發熱少，當接收端不放上去的時候，發射端幾乎不發出能量，待機功耗很低。

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振蕩電路設計

本設計中發射端線圈選擇LC振蕩作為“天線”[7]，只要電容C選擇恰當，該電路運行穩定。

取電感為24 μH，諧振頻率為100 KHz，計算得到C為100 μF。

2.5 整流電路

整流電路可以將交流電轉換為含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。輸出電壓習慣上稱單向脈動性直流電壓[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L1，即為次級線圈，L1與初級線圈L2以匝數比1∶1無線反激耦合。其中LC電路同發射端一樣，設計諧振頻率為100KHz，整流電路采用全波整流電路，當輸入電壓在正半周期時，D2，D12 導通，D3，D11 截止，電流由L1 上端流經D2-＞負載-＞D12，當輸入電壓在負半周期時，D3，D11 導通，D2，D12 截止，電流由L1 上端流經D3-＞負載-＞D11[9]。

用肖特基組成的整流橋進行全波整流，同一時刻必然有2個二極管在導通，將產生1.1V的電壓降（單個肖特基壓降為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

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

濾波電容越大，被整流電壓周期越小，負載電阻越大，濾波效果越好。應當根據被整流電壓周期T 和負載電阻RL 的大小來確定濾波電容荷壓比。設計中考慮到開關頻率已經達到100 KHz了，所以采用了2個100 μF的電容，足夠保證電路正常運行。

2.7 穩壓電路

穩壓電路由穩壓二極管組成。穩壓二極管的特點是在反向擊穿前具有很高的電阻；而在反向擊穿時，一定的電流范圍內，端電壓保持穩定狀態不變。利用此特性可以對端電壓進行穩定化。穩壓二極管可以并聯以便在較高的電壓上使用，各個穩壓管分壓以便穩出所需電壓。

穩壓管采用7 個1W 的ZM4733A 并聯，滿足設計余量。當接收端未連手機時候，管子會發燙，穩壓管的作用就是讓其發燙而消耗能量的。當連接手機后，該電壓會被手機拉下到4.6 V左右，手機內部的電源管理芯片會讓其工作在恒流模式，此時接收端穩壓管不工作。這個電流大小，決定了充電速率。

3 系統完成與測試

整個裝置由手工制作的覆銅板焊接而成。如圖4所示：

測試無線充電需要數控電源、萬用表、負載和示波器。用萬用表、示波器等相關儀器檢測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，檢測完后，將9V單電源輸入，調節檔位旋鈕，將輸出電流設好，記錄直流穩壓電源中的輸入電流，數字萬用表中輸出電壓的值，接收端接入電阻負載。測量電路如圖5所示：

圖4 無線電能充電器樣品圖

圖5 測量電路

4 測試結果

無線充電的輸入輸出的測試結果表2所示：

表2 無線充電輸入輸出測試記錄表

由以上數據得到：輸入直流電壓Uin=9 V 時，保持發射線圈與接收線圈間距離x=1mm左右不變，通過測試不同負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R=10Ω時，無線電能傳輸裝置的效率最大η=56%。

在整體測試階段，測試結果顯示：在電源供電正常前提下，本設計充電過程穩定，在允許充電范圍內，無充電中斷現象；初級線圈和次級線圈在相同耦合度下，最大可充電的垂直距離為3CM；初級線圈和次級線圈在貼合情況下，輸出電路可正常工作的最低耦合度為60%。

5 結語

設計采用電磁感應的方式，用555構成的多諧振蕩電路產生可調的PWM 信號，通過場效應管驅動發射線圈，把變化電場轉換成變化磁場；接收線圈把耦合到的磁場能量轉換成變化的電場，經整流濾波穩壓電路，給后級的用電設備提供穩定的5 V直流電壓（本作品以手機充電為例）。其中調節震蕩頻率是難點。為了提升了能量傳輸效率，結合曾經用磁耦合諧振方式設計的研究，在發射和接受線圈上都加入合適電容使得其處于LC 諧振狀態。根據測試，輸出端在0.4A負載情況下，最大的供電效率為56%。這為進一步研究無線充電設備以及更廣闊無線電能充電裝置提供方案。