基于电磁共振的无线充电器研究与设计

周猛 瞿齐 瞿敏骁 宋叶帆

摘 要：研究了电磁共振技术的无线电能传输原理，并基于此原理设计无线充电系统。以常用电子器件构成，主要由电源管理电路、发射电路、接收电路和充电电路4个电路组成。该电路采用采用交直流供电，利用有源晶振发出高频激励信号和丙类谐振功率放大器，传送效率高。

关键词：无线充电 电磁共振 线圈耦合

中图分类号：TM910.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（a）-00-02

随着时代的发展，移动电子设备越来越普及。目前传统的移动设备配置的电池容量有限，有限数据充电方式又过于限制使用范围，无法满足人们日常所需。而无线充电器采用无线充电技术，通过使用线圈之间产生的磁场传输电能，进行电能—磁场能—电能的转换和传输，实现对手机的无接触充电。本文基于电磁共振设计一种无线充电器，可实现一种无线的快速充电方式，同时能减小甚至避免因充电线断裂而引发的安全问题，便于人们使用。

1 无线充电能传输原理

本无线充电系统设计采取电磁共振方式传输电能。电磁共振耦合的能量传输方式通常在两个同频率的谐振体之间产生强耦合，利用收发两端的线圈及电容组成谐振电路，实现能量的无线传输。其自身消耗电能较电磁感应式无线传输能量非常小，有效传输距离也较远。

2 电磁共振无线充电器设计

无线充电系统结构如图1所示，采取交直流供电，通过电源管理电路得到5V直流电，经发射电路的振荡电路和谐振功率放大器输出至发送端线圈，与接收端线圈谐振耦合传送能量，接收电路再通过整流、滤波和稳压为负载供电。

2.1 电源电路

如图2所示，通过单刀双闸继电器切换交直流供电。交流电常开闭合，常闭打开为交流供电，交流断电后继电器常闭闭合，为24V直流供电。交流供电，通过全桥整流，电容滤波，稳压得到直流电。24V直流电通过稳压器降压得到直流电。

2.2 发射电路

发射电路振荡电路和谐振功率放大电路组成，为发送端线圈提供高频交流电。

2.2.1 振荡电路

如图3所示，振荡电路采用有源晶振。有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接输入电压[2]。由于有源晶振输出的是方波，这将引起谐波干扰，在输出端接入积分电路，将方波转近似转换为正弦波。

2.2.2 谐振功率放大电路

功率放大器常采用效率较高的丙类工作状态， 即三极管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态。为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量， 采用LC谐振回路作为选频网络。当功率放大器的选频回路与振荡电路的频率相同时，功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压电流达到最大值。

2.3 接收电路

接收电路如图4所示，当接收线圈与发送线圈接近时，接收端产生感应电压。接收端与发送端谐振频率相同时，感应电压达到最大值。实际上，发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，具有最好的能量传输效果。

2.4 充电电路

如图5所示，接收端线圈电压经过全桥整流，电容滤波后，接入充电电路，三极管的基极电压在稳压二极管的作用下稳定为5V电压，当电池处于充电状态时，三级管射极电压低于基极电压，三级管导通，led灯亮起，表示进入充电状态。当电池充满时，三极管的射极电压等于三极管的基极电压，使三极管断开，从而使led灯熄灭说明充电结束。

3 结语

该设计采用一种以电磁共振技术为基础的无线充电器的电路设计方案，经过对电磁共振技术的深入分析，得到它是通过磁场的近距离的相互作用，引起接收线圈和发射线圈发生共振，从而实现能量的无线传输。在此的基础的上，研究并设计出来电路的各个部分电路。

参考文献

[1] 刘崎.浅谈无线充电器的兴起与发展前景[J].科技风，2014（22）：120.

[2] 丁成功，梅自强，王升鸿.无线充电器的研究与设计[J].黑龙江电力，2013，35（5）：466-467，470.

[3] 佚名.有源晶振引脚识别方法[J].电子元器件与信息技术，2017，1（6）：52-53.

[4] 姚东永，郭荣辉.丙类功率放大器负载谐振回路的学习探索[J].电子测试，2017（15）：52-53，49.

[5] 張宽，李金婧，蒋帆.基于电磁共振的无线充电器设计与验证[J].无线互联科技，2015（9）：31-32.