一种简易无线充电系统的设计

祁文婷 阎瑞煊 雷 飞 程孟璇

（北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100022）

一种简易无线充电系统的设计

祁文婷 阎瑞煊 雷 飞 程孟璇

（北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100022）

随着科技水平的不断发展与进步，手机、平板电脑以及笔记本等电子设备的更新速度越来越快，能量来源也是其发展过程中很重要的一部分，传统充电方式的缺点也更加明显，这种充电方式已逐渐被人们所摒弃，所需要的就是一种可应用于电子设备的无线充电技术。设计了一种基于磁耦合谐振原理的无线充电技术，包括变压、整流滤波、稳压、PWM、发射和接收6个部分，实现了能够在几厘米的范围内进行电能传输并获得比较稳定的电压，具有能量传输效果好、成本低、实现简单、安全可靠、适用对象广等特点。

无线充电；磁耦合谐振；传输特性

由于科技的不断进步，电子产品不断推陈出新，然而这些电子产品往往需要使用专用的充电器进行有线充电。有线充电方式在便携性、安全性、可靠性等方面都存在较大问题，这种环境下产生了对无线充电技术的需求。应用无线充电技术的意义在于：无线充电不但避免了随身携带数据线的不便，而且实现了充电设备与电源分离。无线充电解决了在一些特定的场合更换电池困难的问题，比如人工心脏，人工耳蜗等。同时，无线充电还具有可以为多部设备同时充电，保护环境，防水等优点。本文设计了一种基于磁耦合谐振原理的无线充电技术，可以实现在几厘米范围内的电能的稳定传输，并能够给一些小型的电子设备进行供电。

1 研究现状

无线充电来源于爱迪生光谱辐射能研究项目的一名助手尼古拉·特斯拉提出无线电力传输的构想。目前美国麻省理工学院在电磁共振无线充电技术的研究方面走在了前列，他们在无线电能传输方面取得了进展，能够用几米外的发射线圈，成功地通过空气点亮了60W的一个灯泡。此外，随着电动牙刷，苹果Apple Watch等电子设备开始支持无线充电，无线充电技术目前拉开了产业化的进程，越来越多的设备加入无线充电功能，无线充电领域发展迅猛。

2 原理及构成

本文研究的简便无线充电系统指的是不依赖物理上的连接，而是通过电磁耦合谐振来将发射端的电能传输给接收端负载的技术。该种能量传输技术，是基于电磁耦合谐振原理，在发射端与接收端配置谐振频率相同的线圈，当两者距离在一定范围内时，若给发射端加上与线圈谐振频率相同的驱动信号，发射端与接收端便会产生谐振，能量便可以源源不断从发射端传输到接收端，这样便能够实现两个电路模块之间电能的无线传输。

图1 磁耦合谐振原理图

图1中的发射端的驱动源是PWM电路输出的信号，C1与L1构成发射端并联谐振电路，C2与L2构成接收端并联谐振电路，驱动器驱动电压的频率与并联谐振电路的频率相等，为发射端提供并联谐振所需的驱动信号。由谐振发生条件可知，发射端有驱动电压信号，并且当其信号频率和谐振频率接近时，该系统便会发生谐振，能量便可以由发射端向接收端传输，实现能量无线传送的功能。

再来看一下这种电路的传输效率，在发生谐振时，电路中含有一部分电能，这部分电能储存在电容中，其值为

除此之外，电路中的线圈中还含有磁能，这部分磁能为

式中，U为电容两端电压；I为电路中流过的电流。

谐振电路的效率为输出的无功功率与消耗的总功率的比值，从另一个角度来看，可以用品质因数Q来表示，品质因数的定义为

式中，w为电路工作频率；w0为谐振频率。

由上式可知，要想获得较高的传输效率，电路就需要较大的谐振频率。

3 电路设计

3.1 发射电路

电网220V电压经过变压器变压为20V的交流电，经过桥式整流后输出直流电，再经过稳压器7805稳压后输出5V电压给NE555供电使其工作，在555外围电路配合下3管脚输出PWM波形，让该PWM波来控制场效应管 IRF630的导通与截止。同时使C5和L1选择合适的电容值与电感值使其谐振频率为1MHz，选择合适的R1、R2和C4的电阻与电容值使555芯片输出的PWM波形频率为1MHz，这样发射电路谐振的目的就达到了。同时，调节可调电阻R1的值可以调节输出 PWM 波形的频率。C5和L1的值可由如下公式进行选择：

式中，f1为谐振频率，L为电感L1的取值，C为电容C5的取值。

图2 发射电路仿真图

R1、R2和C4的值可由下述公式进行合理选取：

式中，f2为谐振频率，C4为电容C4的取值，R1为电阻R1的取值，R2为电阻R2的取值。

此时一旦发射电路能够发生谐振，发射电路的能量就能够源源不断地传输给接收端，实现能量的发射。

3.2 接收电路

接收端配置与发射端谐振频率相同的线圈，接收端就能够接收到发射端传来的电能，接收端接收到交流信号后，经过整流后得到直流电压，在经过一个电容值较大的电容滤波后得到一个比较稳定的直流输出电压，此时的电压经过稳压芯片LM117后可以输出不同幅值的直流电压供给负载进行充电，以达到可以给不同参数的负载进行充电的目的。LM117的输出电压U0的表达式为

式中，R1为可变电阻R1的大小，R5为固定电阻R5的大小。

图3 接收电路原理框图

图4 接收电路仿真图

3.3 实验结果

基于上述电路进行实验，得到实际波形图如图5—图9所示。

图5 距离为0.5cm时输入端电压波形

图6 距离为1cm时输入端电压波形

图7 距离为3.5cm时输入端电压波形

图8 距离为1cm时输出端电压波形

图9 距离为5cm时输出端电压波形

由实验所得波形图可知随着发射端与接收端距离的增加，接收端得到的电压越来越小，但可以实现电能的无线传输。

线圈的选择：由NE555输出的PWM波的频率的值可以确定发射电路和接收电路所需要的电容及电感量，若输出信号频率为1MHz，选择2nF的电容，则由公式：

计算可得所需的电感的大小为 12μH，再由公式：

式中，L为电感量；d为线圈直径；n为线圈匝数；l为线圈长度。

计算可得所需电感可用ϕ0.4的漆包线绕成直径大约为1.3cm，匝数为10匝的圆形线圈得到。

按照这种方法，可以算出更高频率时所需要的电感的大小和线圈的规格。

3.4 系统传输特性测试

基于上述电路进行传输效率测试，测试数据表明实际传输效率确实随着谐振频率的增加而提高，测试结果见表1。

由以上测试数据可知，随着系统谐振频率f的增大，负载输出功率先增大后减小，但是系统电能传输效率η在增大。由此可知，随着系统频率f的增大，传输效率也增大，最大传输效率在f=2MHz左右。

4 结论

无线充电技术作为一项新兴的电能传输技术，其发展还面临着巨大的挑战。通过对该无线充电系统各组成部分的探讨，包括变压、整流、稳压、PWM、发射和接收6个部分，设计了相应的电路，并能够实现在几厘米的范围内进行电能传输并获得比较稳定的电压，电能传输效率的提高可通过提高谐振频率来实现。该系统所存在的不足是缺少相应的保护电路，系统有待于进一步改进。

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Designing of a Simple Wireless Charging System

Qi Wenting Yan Ruixuan Lei Fei Cheng Mengxuan
(School of Energetic Information and Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100022)

With the development of technology,the renewal speed of mobile phone,PC and computer is getting faster and faster.The energy source also plays an important role in this process.The disadvantages of traditional charging mode have been more and more obvious and this mode has been discharged by us.What we need is a wireless charging technology which can be used by electronic devices.This paper designs a wireless charging system based on magnetic coupling resonance,including transformer,rectification,voltage stabilization,PWM,emission,receipt.The system can achieve electric energy transmission in several centimeters and gain a stable voltage,which has the advantages of better effect of energy transmission,low cost,easily realized,safe and broad applied targets.

wireless charging;magnetic coupling resonance;transmission characteristic