基于电磁感应的无线充电器设计

2019-01-07苏变玲

渭南师范学院学报 2018年24期

苏变玲

(渭南师范学院数理学院，陕西渭南 714099)

各种电子产品的出现，极大地丰富了人们的生活，提高了人们的工作效率，但同时也产生了诸多问题，如绝大多数充电器不能通用，充电器长期使用会导致充电接口与充电线的插头接触不紧密，存在安全隐患。相比较而言，无线充电则更具有优势，在使用无线充电器时，只需将待充电设备放在靠近无线电源发送端，即可为任意一款电子产品充电。此外，基于无线充电的优越性，手机外壳可以设计为完全密封的状态以达到防水、防尘的目的。

1 电磁感应原理

电磁感应是无线充电的方式之一。电磁感应的原理是通过两线圈之间的电磁感应现象来传送电能，在发射和接收电路部分各有一个线圈，分别为发射线圈和接收线圈。发射线圈将有源电能以电磁波的方式发射到空间中，经接收线圈耦合后在其两端产生感应电流，同时将部分电能储存在线圈和电容中，最后再经过整流滤波稳压电路提供给电子产品。

电磁感应式充电器的核心是通过设计一个振荡电路在发射线圈中产生一定频率变化的交流电，其变化的电流会在线圈周围的空间产生一个变化的磁场，由变化的磁场在接收端线圈中产生感生电动势，当接收线圈部分形成闭合回路时便可以产生变化的电流，之后再将接收端的交流电经过整流稳压之后传输给电子产品，从而达到无线充电的目的。其结构框图如图1所示。

图1 无线充电结构框图

2 电磁感应式理论分析及计算

2.1 系统模型分析

在对系统进行理论分析和计算时，振荡电路部分并没有过多参与其中，因此将系统的电路模型可以简化为接收线圈和发射线圈两部分。

在实际应用中，由于两线圈是直接耦合的，因此还应该考虑线圈之间的漏感[1]，故可将其等效为图2所示系统。其中Z1、Z2分别代表阻抗，ZL表示互感。

图2 等效电路图

两线圈在空间中直接耦合，一般存在严重的漏磁现象，因此，设两线圈之间的耦合系数为ξ(一般情况下：0<ξ<1)，则有：

Z1=jw(1-ξ)L1，

(1)

Z2=jw(1-ξ)L2，

(2)

ZL=jwL。

(3)

因此，该无线充电装置的效率为：

(4)

其中：P表示电源的总能量，PL表示负载所接收到的能量，η表示该装置的效率。由式(4)可知，当系统的阻抗Z1、Z2增大时，其传输效率降低。

2.2 无线充电技术参数计算

根据电磁场理论可知，当导体中通过恒定电流时会在导体的外围产生一个电磁场，其磁感应强度表达式为[2-3]：

(5)

图3发射线圈外一点的磁场示意图

(6)

磁通量：φ=M×I，φ=Sdb；

综上可知，无线供电的供电效率与线圈之间的距离成反比，与线圈的半径R成正比,还与线圈所围成的平面面积成正比。此外，线圈的相对位置会显著影响互感系数，一般来说，两线圈的轴心偏差越小，线圈之间的互感系数越大，接收线圈获得的能量越多。因此，在实际中要使两个线圈的轴心偏差尽可能小，绕制尽量相同。

3 无线充电器电路设计

3.1 功率放大电路设计

常用的功率放大电路主要有：乙类双电源互补对称功率放大和甲乙类单电源互补对称功率放大。乙类双电源互补对称功率放大电路相对简单，但需双电源供电且存在交越失真。甲乙类单电源互补对称功率放大电路能克服交越失真[6]，但电路相对复杂且其偏置电压不易调节。如图4(a)所示为乙类双电源互补对称功率放大，图4(b)所示为甲乙类单电源互补对称功率放大。

(a)乙类双电源互补对称功率放大

(b)甲乙类单电源互补对称功率放大

(c)E类功率放大

考虑到发射线圈主要是用来传递能量的，波形的失真与否并不重要，在有足够输出的前提下，电路应该尽可能地简洁实用。因此，本设计采用E类功率放大，如图4(c)所示。 E类功率放大器主要由单个场效应管和单电源等组成，其电路简单，功率放大效率高，在理想情况下可达100%，从而尽可能地提高发射线圈的功率。

3.2 振荡电路设计

振荡电路部分是采用NE555输出PWM波，再将输出信号经过推挽电路放大，从而控制MOS管的通断，进而将电能通过发射线圈发送出去。振荡电路输出的PWM波是多个高电平和低电平相互转换所形成的一种波形，因此振荡电路应该处于振荡状态[7]。其电路图和工作波形如图5所示。

(a) NE555构成的振荡器

(b) 工作波形

当电路中的电阻变化时，电路的频率及占空比也随之发生变化[8]，因此，可以通过改变电阻R2和R3的阻值来设定振荡电路的频率与占空比，其中，PWM 波的周期T为：

T=Ton+Toff。

(7)

Ton=ln2[(R1+R2)+(R3+R4)]C1=0.7(R1+R2+R3+R4)C1。

(8)

Toff=ln2(R3+R4)C=0.7(R3+R4)C1。

(9)

T=Ton+Toff=0.7[(R1+R2)+2(R3+R4)]C1。

(10)

本设计中取f=400 kHz，占空比为60%，取C2为100 pF，可得：

但在实际操作中发现,NE555输出的PWM波并不能直接驱动IRF640，因此需要增加功放模块。考虑到电路的简洁和实用性，本设计选择2N3904和2N3906构成推挽电路，用来放大NE555输出的PWM波信号，达到驱动IRF640的目的。

3.3 接收电路设计

接收电路部分的主要功能是将接收线圈接收到的电能提供给电子产品，因此，对接收电路输出的电压、电流及纹波系数等参数要求比较高，同时还要考虑电池的充电保护[9]，主要是防止电压突变和电流过大。要满足以上要求，可以通过稳压芯片设计电路来实现，也可以通过模拟电路来实现。如利用稳压芯片、运放、开关管等设计电路，再采用单片机实现电路控制及保护。两种方法在理论上都可以达到上述要求。但是通过稳压芯片、单片机等电路体积较大且成本相对较高。考虑到接收端电路最后要嵌入到电子产品内部，在保证电路稳定性的同时电路结构应尽可能简洁，以减少电路体积，方便后期的集成化处理。基于以上考虑，本文采用模拟电路来进行设计。

电路设计的主体思路是将接收线圈接收到的交流电通过整流、滤波后再稳压到+5 V提供给电子产品，考虑到电子产品本身自带过流、欠压、过充等保护，因此不需要特别设计电路的保护部分，只需要保证输出电压的稳定性和输出电流在安全范围内即可。本设计采用模拟电路实现，其电路图如图6所示。

3.4 辅助电源设计

本设计中的辅助电源主要是为振荡电路和发射线圈部分提供+5 V直流电和给功放电路提供的+12 V直流电，主电路部分主要是发射线圈电路部分。

以+12 V的辅助电源为例，在DC-DC变换部分采用三端可调稳压器LM317实现，LM317使用简单、电压输出范围广且功能稳定，主要在电路中起到调节电压的作用[10]。在理想情况下，其输出电压幅值最低可以达到1.2 V，最高可以达到 37 V。输出电压值可通过改变外围电路的两个电阻的阻值来实现，其典型电路图如图7所示。