基于電磁感應的便攜式無線充電方案設計

潘 一 飛

(國網冀北電力有限公司工程管理分公司，北京 100070)

1 引 言

隨著電子信息產業的快速發展，移動電話、數碼相機、平板電腦等便攜式電子產品推陳出新速度迅速，同時視頻、移動上網、數據處理等功能也日益增加，使得電子產品的耗電量大幅增加.通過增加體積來增加電池電量，會影響電子設備的美觀性和便攜性[1].另外，每個電子產品都會附帶一個有線充電器.由于充電器的通用性較差，用戶每換一次產品舊的充電器基本要被廢棄.這不僅會導致大量數據線的浪費，還會增加引起環境污染等問題.簡便、快捷的無線充電技術可以有效解決這些問題，具有廣泛的應用前景[2-3].具有統一標準的無線充電技術具有如下優點：首先，可以減少電源線的資源浪費，單個充電器可以對多個用電裝置進行充電，不用占用多個電源插座；其次，無線充電無通用接點設計，可以避免觸電的危險；第三，無需外置充電接口，有效減少灰塵和腐蝕性物質進入設備內部，延長電子產品的使用期限；此外，對于醫療等場合的植入式電子設備，無線充電可以避免直接的物理接觸，從而避免感染，保證人身安全[4].

本文首先介紹了目前電能無線傳輸的主要實現手段，然后設計了基于電磁感應的便攜式無線充電方案.

2 電磁感應電能無線傳輸

隨著科學技術的不斷發展與進步，無線電能傳輸越來越備受關注，尤其在智能家居、水底、交通運輸等領域，無線電能傳輸技術具有傳統有線供電方式所不及的獨特優勢，可以極大地提高設備供電的可靠性、便捷性和安全性.目前主要有電磁感應電能傳輸技術、射頻電能傳輸技術、電磁共振電能傳輸技術、微波電能傳輸技術、激光電能傳輸技術、超聲波電能傳輸技術等[3-4].

電磁感應式無線充電是基于電磁感應理論，以無線的方式向負載端傳遞能量，工作方式類似于變壓設備的電能轉換.交流電源在整流濾波時獲得直流電源后，通過高頻逆變器進行轉變，轉變所產生的高頻交變電流，輸入至發射端的一次線圈，一次線圈里的高頻交變電流從而出現的磁鏈又和接收端二次線圈交鏈，進而產生出電磁感應電動勢，隨后運用高頻整流以及直流斬波等相關系統電路，完成對用電設備有效供電，實現充電的目的.其中一次繞組以及二次繞組可以等效為一組可以分離的松耦合變壓器，當一次側的繞組中流過高頻電流時，在二次側的繞組中會感應出同頻率的電功率，從而運用兩者產生的感應耦合來實現電能傳輸.圖1為感應耦合式無線充電原理圖.

圖1 感應耦合式電能無線傳輸原理

這種耦合式的無線充電原理和傳統的變壓器原理類似，不同之處在于耦合程度不一樣，傳統的變壓器耦合是緊耦合，變壓器原邊和副邊線圈在同一個磁芯上，位置相對于來說比較固定，所以系統的靈活性較差.便攜式電子設備無線充電系統體積較小，要求位置比較靈活，所以松耦合更加適合.更為重要的是，和傳統變壓器相比，便攜式電子設備無線充電系統不滿足原副邊線圈中電壓和電流的匝數比[5-7]，因此在空氣磁阻上浪費很大的能量，使得無線充電系統的效率不及有線充電.因此，無線充電系統的設計要比傳統的變壓器更加復雜.

3 方案設計

電磁感應式無線充電系統主要由發射電路、初級線圈(發射)、次級線圈(接收)、接收電路組成，如圖2所示，其中發射電路和接收電路是最重要組成部分，整個系統的穩定性、高效性都由其保證.

圖2 電磁感應式無線充電系統框圖

無線電力發射電路如圖3所示，核心元件為XKT-408芯片和T5336芯片的組合.XKT-408系列集成電路采用CMOS工藝技術，具有精度高、穩定性好的特點.它特別適用于無線感應智能充電和高可靠性電源管理系統.T5336系列集成電路也采用CMOS制造工藝，與XTK-408A配合，可以形成良好的發射控制電路，自動控制發射線圈的電磁波發射電壓和頻率.在交流或直流電源輸入下，通過整流或高頻逆變電路進行轉變，轉變所產生的高頻交變電流，輸入至發射端的一次線圈.高頻逆變電路輸出的交變電流頻率可從0-5MHZ自動設置，通過芯片手冊推薦電路進行設計，可保證在不同電壓、不同的線圈間距條件下，實現得到最好的輸出效果.

圖3 無線電力發射電路圖

上述電路中，R10與C9以及芯片內部的非門，組成了一個RC多諧振蕩器電路.在LC振蕩電路的振蕩過程中，線圈內阻是不可忽略的，能量傳輸過程中的能量損耗會使電路中的振蕩電流大幅衰減.此時，通過控制T5336的輸出端口7和8的電壓，調整LC振蕩電路兩端的電壓用來補償電路中阻抗和能量傳輸損耗的電壓，使發射線圈發射的電磁波保持穩定的正弦交流變化.由多諧振蕩器電路可知輸出波形的頻率為：f=1/2.2RC.如果R=6.2K，C=74PF，代入公式可得頻率為1000936 HZ，約為1 MHZ.因此，無線電力發射頻率若要達到1 MHZ，則電路圖中R10=6.2 K，C9=74PF.

無線接收端電路核心芯片是T3168，電路圖如圖4所示.T3168芯片的外圍電路非常簡單，具有電磁能接收和DC-DC降壓穩定功能，得到了廣泛的應用.接收線圈感應到交變磁場，然后將磁場信號轉換成電壓輸出.但是這個電壓為交流高頻電壓，不能直接接到便攜式電子設備上.為此需要整流電路來將交流電壓轉換成直流電壓.為此，本設計采用單橋整流電路，即采用D3進行整流后，輸出直流電.但是這個直流電電壓是隨線圈距離變化而變化的，并且存在超過5V電壓輸出的隱患，為此還需要進行降壓操作.本設計采用基于T3168芯片的降壓電路實現降壓的目的.降壓電路通過設置R21和R22的比值，從而決定對外輸出電壓的大小.為此，采用6.2 k與2 k的配比，能夠輸出穩定的5 V電壓.

圖4 無線電力接收電路圖

耦合線圈作為發射端和接收端的連接部分，在整個無線充電的系統中非常關鍵.一個設計合理的耦合機構，對系統的效率和穩定性有較大的影響.對于便攜式設備而言，線圈要適應電子設備體積、質量的要求，實際中可根據需要選擇無芯PCB線圈、FPC線圈、絞合Cu線圈.三種線圈的典型形狀如圖5所示.

圖5 三種不同的耦合線圈

此外，在完整的設計中還應考慮有不同的狀態指示燈，人們通過指示燈的狀態能夠清晰的看到系統的充電狀態，不正常運行時有提示，以便于能夠進一步的掌握好系統的工作情況.

4 總 結

無線充電技術能夠有效減少目前有線充電器的重復資源浪費和對環境的壓力，具有較好的應用前景.針對小功率便攜式電子設備，設計了基于電磁感應式的無線充電方案.該方案利用電與磁可以相互轉換的思想，和變壓器原理一樣，通過初、次級線圈的相互感應來實現電能的傳輸，但是采用松耦合，沒有磁芯，能量通過空氣傳播.