基于E类功放非接触式移动电源供电系统设计

(1.杭州电子科技大学卓越学院，浙江 杭州310018)

0 引 言

相较于传统的有线充电，基于QI 标准的无线充电技术以其便利和安全等优点受到人们的广泛关注。无线充电产品摆脱了电源线的束缚，突破了空间上的限制，解决了现有充电技术极易出现线路磨损而造成不安全的问题，克服了目前充电接口标准不一的弊端，降低了电源适配器待机功耗。但目前利用电磁感应原理的无线充电技术要求发射端线圈与接收端线圈中心完全吻合，且现行产品仅支持接触式充电，使其实用性和用户体验性大大降低。针对上述问题，本文提出基于E类功放的非接触式移动电源充电系统，电源携带更加便捷，实现随时随地为移动终端供电的目的;高效驱动电路的应用让开关损耗大大降低，移动电源的使用变得更加高效;高频电磁耦合传输模式则可实现移动电源对多个移动终端，远距离，非接触式供电。系统的便捷性与高效性在对比中无疑变得更加凸显。

1 系统的建模和分析

图1 基于E类功放的非接触式移动电源供电系统

基于E类功放的非接触式移动电源供电系统电路结构如图1所示。系统由电气隔离的3部分构成，发射端的MCU 产生PWM 波驱动E类功放产生大功率信号完成能量的逆变，发射和接收端的增加2个闭环空心线圈，利用自身的电感值与寄生电容产生次级高频共振，接收端感应到次级共振环节的能量后利用线圈进行磁能向电能的转换，变换后的电能经过滤波稳压调理后输出供给负载。下面主要分析2种主要电路结构。

1.1 E类功放

E类功放是一种高效率软开关功率放大电路，可将电源提供的能量全部转化为发射能量。E类功放实质为电容、电感构成的谐振电路，当开关管导通时，开关管两端电压为零，当开关管断开时，其电流立刻降至零，实现了电压、电流波形零重叠的状态，即开关管的零损耗，从而提升电能转换的效率。

图2 E类功放电流流向

图2中，L1、C1、L2、C2作为记忆原件，通电后即开始储存能量。当开关管开通时，开关管相当于一根导线，电感L1中的电流全部经过开关管，L2、C2已经储存电能，释放能量后形成闭合谐振电路。开关管断开，电容C1充电，减缓开关管电压的上升，当电容C1的电压减小至零时，开关管导通，使开关管电压和电流波形不会重叠，减少损耗。从开关管开通至开关管断开一个周期内，形成一个正弦电流，并由电阻R 输出正弦电压。

单E类功放参数设计，开关管导通时:

开关管断开时:

负载R 一旦确定，Q1、Q2即确定。

Q值足够高时，可使从电阻R 输出的波形更加接近于正弦波，但Q值太大所需电感就越大，电感漏磁更多，降低效率。Q值太小，会使开关管导通前，开关管两端电压没有降至零，造成开关管的损耗。鉴于电容电感等记忆元件的非理想特性，经验值取Q=4。

MOSFET的选取:选择MOSFET时，额定电流值为栅极的3倍。

MOSFET 中消耗的功率:

式中，Rds(on)为MOSFET 导通时的电阻。选取MOSFET时额定功率大于P0即可。

旁路电容:旁路电容C1的选取须谨慎，C1的具体分析推导方法参照文献[1]。高频时建议使用最小值。最小值的公式为:

式中，Pomax为最大功率，Vcc为栅极输入电压。

旁路电容的理论公式为:

1.2 高频电磁耦合

典型的高频电磁耦合模式无线电能传输系统原理如图3所示，输入直流电压经过逆变环节并由初级发射线圈进行电磁变换，初级共振环节与次级共振线圈处于相同的高频开环共振频率点(利用自身的分布电容来实现共振)，在初级与次级线圈间能量以高频电磁耦合方式传输，接收线圈感应到次级共振环节的能量后进行磁电变换，变换后的电能经过调理供用电设备使用。

图3 高频电磁耦合原理图

本系统限于E类功放与效率的需要采用SSSS型高频电磁耦合拓扑，如图4所示。图4中Mps为发射端和共振线圈1 之间的互感系数;Msr为两共振线圈之间的互感系数;Mrl为共振线圈2和接收端之间的互感系数。

图4 SSSS型高频电磁耦合拓扑

1)高频下线圈损耗电阻主要包括欧姆损耗电阻Ro和辐射损耗电阻，对于高频电磁耦合模式电能传输系统，可忽略辐射损耗。系统输出功率Po和传输效率ηresonace分别为:

输出功率Po和传输效率ηresonace的具体分析推导方法参照文献[2]。

2)对于接收线圈为串联谐振的系统，系统输出功率和传输效率的的优化互感值Msr_opt_p、Msr_opt_e分别为:

输出功率和传输效率的的优化互感值Msr_opt_p、Msr_opt_e的具体分析推导方法参照文献[3]。

3)由软件Air-Cored CoilCalculator(空心线圈计算器)可计算出共振线圈的自谐振频率。线圈的损耗与导线半径成反比，与线圈匝数成正比，这种损耗是不可避免的(具体推导参照文献[4])。在保证需要的自谐振频率情况下减少匝数，采用高导电率的导线，降低线圈的自身损耗，可以提高效率。在同样的互感值下，传输距离与线圈半径成正比(具体原因参照文献[5])。

2 系统实验研究

系统硬件原理图如图5所示。选择系统的工作频率为13.56 MHz，控制电路采集输入电流值，小范围调节至最适频率和占空比使输入功率保持在峰值。扼流电感L1 采用铁硅铝材质的磁环，绕制成1 mH的电感。共振线圈采用0.1×50的铜漆包线绕制成外直径为12 cm×6 cm 空心多匝线圈，其寄生电容为0.1 nF，形成13.56 MHz的高频共振环节。发射和接收线圈绕制成单匝的空心线圈电感值为1 μH，补偿电容C1为11 μF，使得E类功放工作在最佳状态。

图5 系统硬件原理图

通过调整线圈匝数自谐振频率达到稳定的13.56 MHz，传输效率达到较高。实验发现线圈的理论自谐振频率与实际自谐振频率略有差距，需要不断在小范围调节系统工作频率，使得输入功率达到最大，传输效率较大。

BOOST 升压电路图如图6所示，BOOST 升压采用专用芯片TPS40210，将5 V 直流电压升到15 V，效率高达95%，对整个系统无线传输效率影响不大，移动电源输出功率大，完全可以满足需求。电路具体参数见表1。接收端整流滤波稳压后输出电压稳定为4.2 V，电流为200 mA的条件下，装置测试效率距离曲线如图7所示，距离为10 cm时效率高达75%在距离为60 cm时效率高达40%，随着距离的拉长，效率明显成线性下降。在不顾及输出电流和充电功率的情况下，最远传输距离达到1.2 m。除此之外，本系统可以单点发射多点接收电能，为多终端移动设备无线供电，电能无线传输效率较单点接收效率成明显的上升趋势。从曲线图可以看出，本系统完全符合移动电源在短距离时为电子设备供电的需求。

图6 BOOST 升压电路图

表1 BOOST 电路参数

图7 距离效率曲线图

3 结束语

本文提出了一种基于E类功放的非接触式移动电源供电系统。经实验验证，可为移动终端高效率、远距离提供无线供电，可实现单点发射、多点接收的功能。与当前市场上的主流的无线充电技术相比，本系统拓宽了充电范围，更适应于未来移动电源发展的主流方向。作品前景虽然十分可观，但也存在技术尚未成熟、磁共振模式传输效率仍低于有线传输、充电线圈尺寸大、不便携带等问题，这些不足之处是今后继续改进提高的方向。

[1]傅文珍，张波，丘东元，等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报，2009，29(18):21-26.

[2]孙跃，夏晨阳，戴欣，等.感应耦合电能传输系统互感耦合参数的分析与优化[J].中国电机工程学报，2010，30(33):44-50.

[3]薛伟民，戴卫力，唐伟，等.基于E类放大器的无线电能传输系统的参数设计与仿真[J].科学技术与工程，2013，13(22):6460-6463.

[4]林宁，姚缨英.恒压输出的无线电能传输系统设计[J].电力电子技术，2011，45(2):66-68.

[5]曹玲玲，陈乾宏，任小永，等.电动汽车高效率无线充电技术的研究进展[J].电工技术学报，2012，27(8):1-13.