适用于多类型负载的高效无线充电电路设计

尹丹 黎镜林

摘  要：针对以往无线充电电路分别搭载不同类型负载时不能保持较高传输效率的问题，设计了一种电磁感应原理式的高效无线充电电路。该电路通过对能量发送电路与能量接收电路中的关键元器件的选型调优，最终实现搭载不同类型负载时的能量传输效率最优化。经Multisim仿真实验证明，改进后的无线充电电路分别搭载感性、容性与阻性负载时，均能保持85%以上能量的高传输效率，其电路设计的优化方法可以为大学生电路理论学习和创新性培养提供新的思路。

关键词：无线充电电路;Multisim仿真;多类型负载;电路优化

Abstract：Aiming at the problem that the wireless charging circuit cannot keep high transmission efficiency when carrying different types of loads，an efficient wireless charging circuit based on electromagnetic induction principle is designed. Through the selection and optimization of the key components in the energy transmitting circuit and energy receiving circuit，the energy transmission efficiency is optimized when carrying different types of loads. Multisim simulation results show that the improved wireless charging circuit can maintain a high transmission efficiency of more than 85% energy when carrying inductive，capacitive and resistive loads respectively. The optimization method of circuit design can provide new ideas for college students to learn circuit theory and cultivate innovation.

Keywords：wireless charging circuit;Multisim simulation;multiple type loads;circuit optimization

0  引  言

近年来，随着工业生产、新能源汽车及电子产品领域的发展，对充电安全性、便携性的要求逐渐提高[1]。传统的有线充电由于采用线缆作为连接线，容易发生线缆缠绕、短路、漏电等安全性问题，且便携性较低，因此逐渐难以满足上述领域的需求[2]。无线充电作为新型的充电方式，摆脱传统有线充电线缆的限制，通过非接触式充电的方式实现电力传输，相对于有线充电，具有较高的安全性和便携性[3]，无线充电的优点决定了其在自动化领域、无人操作领域、新能源汽车领域、电子产品与体内医疗设备领域具有绝对的优势[4]，因此对无线充电电路进行研究具有十分重要的意义。目前的无线充电技术按照类型可分为电磁感应式、磁共振式、电场耦合式与微波式[5]等，其尚未解决的难点主要表现在：（1）能量传输效率低[6，7];（2）对多种类型的负载兼容性不足[8]。为此，基于作者在华南师范大学的学习，本文基于电磁感应式原理，设计了一种新的高效无线充电电路，通过对该电路中核心模块的元器件进行选型调优（如对功率放大模块中的场效应管和整流电路中的整流二极管进行参数综合衡量），以期达到该电路对于多种类型负载均能保持较高的能量传输效率的目标。该电路可以为目前智能家居环境中多类型无线电器设备共用一个无线充电器的需求提供参考解决方案，具有实用价值。其电路优化方法还可以作为范例，对大学生学习如何优化电路具有启示作用。

1  總体设计

电磁感应式无线充电技术是当前无线充电领域中应用最为广泛的无线充电技术，本文所设计的高效无线充电电路也属于电磁感应式。其电路设计的技术理论依据为法拉第电磁感应定律，通过在发送端与接收端设置感应线圈，对发送端线圈提供高频交流电。由电磁感应原理可知，在接收端将产生相应的电磁感应信号，经整流电路整流后，提供能量给负载。经过技术改进后的高效无线充电电路将具有短距离内能量传输效率高的特点，适用于短距离充电[9]。

高效无线充电电路包括能量发送电路和能量接收电路，主要由功率放大电路、无线传输线圈、整流电路三个核心部分组成，其系统总体设计图如图1所示。高频控制信号通过功率放大电路放大功率，放大后信号会被输出到无线传输线圈的发送端，无线传输线圈的接收端在接收到发送端的信号后产生相应的交流电，经整流电路整流后给负载提供能量。

1.1  功率放大电路

由无线传输线圈发送端输入的高频控制信号是一种低功率信号，带负载能力差。因此需要利用功率放大电路放大输入功率。功率放大电路一般采用场效应管或三极管作为核心器件。场效应管是电压控制型器件，具有功耗低、响应范围大、易于集成等优点，而三极管是电流控制型器件。由于三极管的功耗比场效应管大、且容易受温度影响，因此电路设计中选择场效应管作为功率放大电路的核心器件。

图2为能量发送电路中的场效应管功率放大电路。场效应管具有截止、放大和饱和三种工作状态，为了使功率放大电路正常工作，则需要给场效应管一定的偏置电压，使其处于放大状态[10]。

1.2  传输线圈

由法拉第电磁感应定律可知：

由于感生电动势与磁通变化率成正比，因此感应线圈的匝数、大小以及发送线圈与接收线圈之间的距离等都将会对感生电动势大小有所影响，从而影响能量传输效率[11]。

两感应线圈距离变大，会导致接收线圈的磁通量减少，导致磁通量变化率降低，使得接收端感生电动势降低，继而影响电路的能量传输效率。因此设计传输线圈时，在合理的范围内，传输线圈的匝数越多越好，发送线圈和接收线圈的距离越近越好。

1.3  整流电路

通常电路中的直流负载不能直接使用交流电，需要用整流电路将交流电变为直流电。整流电路有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路等，其中桥式整流电路的整流效率最高[12]。整流二极管是桥式整流电路的核心器件，其耐压值和导通电压等对整流效率有一定的影响。综上考虑，电路设计中选择采用桥式整流电路和导通电压低、耐压值高的整流二极管。

图3为能量接收电路的桥式整流电路。桥式整流电路的工作原理为：当交流信号为正时，二极管D1和D3导通;当交流信号为负时，二极管D2和D4导通，与负载并联的电容能将剧烈变化的信号变得平缓。为了使得整流电路能够工作在较好的工作状态下，交流电压峰值要在整流二极管的耐压值内，且导通电压越小越好。

2  仿真实验电路优化

电路的效率通常会受到所有元器件的影响，因此，元器件的选型优化及电路优化对提高电路的效率起着关键性的作用，这种设计思想同样也运用到了本文设计的适用于多类型负载的高效无线充电电路中。电路的仿真实验设计基于Multisim构建，可完成多类型负载和具体元器件选型，仿真电路设计如图4所示。下文将重点介绍如何通过选择合适的元器件型号，优化核心电路。

2.1  基本要求功率放大电路器件选型优化

场效应管的主要参数有开启电压VGS（th）、输入电压VGS、漏源击穿电压VDSS、导通电阻RDS等。开启电压VGS（th）对激励信号有一定要求，开启电压VGS（th）越大，要求激励信号的电压越高;输入电压VGS为激励信号的输入值;漏源击穿电压VDSS则决定了其激励信号的输入电压上限;导通电阻RDS则对整个电路的传输效率有着较大的影响，导通电阻越大，能量损耗越高，传输效率越低。因此一般而言，VGS（th）越小越好，VDSS越高越好，RDS越小越好。

仿真实验电路所使用的激励信号是正弦波信号，电压幅值在2.5 V～7.5 V之间，偏置电压在2.5 V～7.5 V之间。通过对现有不同型号的场效应管的参数综合衡量后，最终选取场效应管IRF1310。场效应管IRF1310的VGS（th）最小为2 V、最大为4 V，其随温度在2 V与4 V之间变化，因此为保证IRF1310导通，需保证输入电压VGS大于4 V。VGS最大输入范围为±20 V，VDSS为100 V，RDS仅为0.04 Ω，具有功耗小、开启电压低的显著优势，综合性能符合无线充电电路的要求。为了使得IRF1310处于放大状态，设置IRF1310的Q点电压为5 V。

2.2  整流桥电路器件选型优化

整流桥是由四个整流二极管按照一定的拓扑结构构成的。整流二极管的主要参数有导通电压、最大反向工作电压等。导通电压大，则整流后的电压小;反之导通电压小，则整流后的电压大。因此导通电压会对整流效率有较大的影响，进而影响整个无线充电电路的能量传输效率。导通电压越低，则整流后的电压越大，整流效率越高，整个电路的能量传输效率则越高;反向工作电压则决定着整个电路的最大工作电压，当工作电压超出整流二极管的最大反向工作电压时，整流二极管会被击穿。

仿真实验电路中将最大工作电压设定在15 V，为了使得整流二极管接近于理想整流二极管，经过对现有不同型号的整流二极管进行参数综合衡量后，选取了型号为1N5822的整流二极管。1N5822的最大反向工作电压为40 V，导通电压最大为0.55 V，满足无线充电电路的需求。图5为二极管的等效电路，其中D1为实际二极管，D2表示为理想二极管，Von为二极管的开启电压，RD为二极管等效电阻。

3  負载电路设计

在日常生活中常见的使用无线充电的负载有手机、扫地机器人等，其内部一般都有阻性器件、感性器件与容性器件[13，14]。不同类型的负载由于自身的电路特性原因，接入到无线充电电路中时，会造成能量传输效率也不同。因此分别接入阻性负载、感性负载、容性负载时是否均能保持较高的能量传输效率，也是衡量无线充电电路性能优劣的一个指标[15]。

在负载电路部分，为了验证本电路对多类型负载的适应性以及能量传输高效性，电路仿真实验设计了三种类型的负载：感性负载、容性负载、阻性负载[16]。阻性负载指的是通过电阻类的元件进行工作的纯阻性负载，即其负载电压与负载电流之间没有相位差;感性负载是指带有电感参数的负载，其负载电流滞后负载电压一个相位差;容性负载一般是指带电容参数的负载，即负载电流超前负载电压一个相位差。在Multisim中，阻性负载通过在最后一级接入一个电阻来实现;感性负载通过在最后一级接入一个直流电机实现;容性负载采用一个大电容与电阻并联后再接入到最后一级来实现。阻性负载、感性负载与容性负载如图6所示[8]。

4  实验探究与结果分析

激励信号频率、激励信号电压都会影响能量传输效率[2]，为了探究本文设计的高效无线充电电路在不同激励信号条件下搭载不同类型负载时能否保持较高的能量传输效率，将通过改变激励信号频率和改变激励信号电压来完成相关的仿真实验。下文根据仿真结果，讨论了交流电频率及负载类型对电路充电效率的影响。电路仿真实验和结果分析均在美国国家仪器有限公司研发的仿真软件Multisim平台上完成，实验环境如下：

电路仿真实验采用的方法与相关参数设置时考虑的因素如下所示：（1）实验方法为控制变量法;（2）容性负载由于充电过程中功率会随时间变化，因此截取仿真时间5 ms时的数据作为基准;（3）由于功率放大电路中选取的场效应管开启电压VGS（th）最小为2 V，最大为4 V，为了保证场效应管以正常状态工作，输入的激励信号设置为常见的正弦波，峰峰值5 V或以上;（4）为了保證不出现负电压，偏置电压需设置为峰峰值电压的一半或以上;（5）能量传输效率的定义为负载功率与初级线圈功率之比。

4.1  激励信号频率与能量传输效率的关系

在无线充电电路搭载不同类型负载的情况下，对激励信号频率（正弦波信号，峰峰值5 V，偏置电压2.5 V）与能量传输效率的关系进行探究，探究实验结果如图7所示。由两者关系分析可知，在激励信号频率处在0.1 MHz至10 MHz的频率范围的条件下，当无线充电电路分别搭载阻性负载或感性负载时，其能量传输效率均能达到90%以上;当无线充电电路搭载容性负载时，其能量传输效率也能达到85%以上。

4.2  激励信号电压与能量传输效率的关系

在无线充电电路搭载不同类型负载的情况下，对激励信号电压与能量传输效率的关系进行探究，仿真实验电路使用固定频率为0.5 MHZ的正弦波作为激励信号，其中偏置电压为激励信号峰峰值电压VPP的一半。通过调整VPP来进行实验，探究实验结果如图8所示。对两者关系分析可知，在激励信号电压处在5.0 V至15.0 V变化范围的条件下，当无线充电电路系统分别搭载阻性负载、感性负载与容性负载时，其能量传输效率均能达到85%以上。

4.3  实验结果分析

从两个仿真探究实验可知，当该无线充电电路分别搭载阻性、感性与容性负载时，针对不同的激励信号频率与不同的激励信号电压，均能保持85%以上的能量传输效率，在大部分情况下甚至可达到90%以上的能量传输效率，而目前一般的电磁感应式无线充电电路的稳定能量传输效率仅在60%～80%之间[6，7]。因此可以证明该无线充电电路具有鲁棒性较好、能量传输效率高、可以较好兼容多类型负载等优点，在仿真实验中具有很好的适应性，证实了该设计具有良好的实用价值。

5  结  论

本文设计了一种电磁感应原理式的高效无线充电电路。在对电路系统中能量发送电路与能量接收电路的关键元器件进行选型调优的基础上，通过改变激励信号频率和激励信号电压，对无线充电电路分别搭载阻性、感性与容性负载时的能量传输效率进行仿真实验探究。实验数据表明，无线充电电路在大部分情况下能量传输效率在90%以上。因此，该无线充电电路设计具有良好的实用价值，可以较好地应用于多种类型负载的高效率供电。其电路优化方法对大学生电路理论学习和创新性培养具有一定的启发意义和参考价值。

参考文献：

[1] 谭泽富，张伟，王瑞，等.电动汽车无线充电技术研究综述 [J].智慧电力，2020，48（4）：42-47+111.

[2] 王秀芳，魏云，陈汉军.基于有限元分析电能无线传输实验的谐振传输特性 [J].物理实验，2018，38（S1）：16-18.

[3] 熊姗霞，蔡国顺.基于LabVIEW RIO无线充电系统的设计 [J].传播力研究，2018，2（28）：243.

[4] 赵争鸣，张艺明，陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展 [J].中国电机工程学报，2013，33（3）：1-13+21.

[5] 田小松，杨华，蔡先运，等.基于电磁感应式的无线充电传输系统设计与仿真 [J].电子技术应用，2020，46（4）：53-56+60.

[6] 梁永峰，李正，宋翔宇.手机近距离无线充电系统设计及仿真 [J].沧州师范学院学报，2020，36（2）：43-46+59.

[7] 邓垚光，何高翔，陈泳林，等.基于电磁感应的无线充电接收电路设计 [J].电子测试，2020（1）：95-96.

[8] 王国东，乔振朋，王允建，等.磁耦合谐振式无线电能传输负载特性研究 [J].电力电子技术，2015，49（10）：95-97.

[9] 徐百汇，李达，高嵬.电磁感应式手机无线充电系统研究 [J].电器与能效管理技术，2019（17）：77-80.

[10] 韩新风，王玉莲，张永锋.高频谐振丙类功率放大器仿真分析 [J].长春师范大学学报，2019，38（2）：19-26.

[11] 焦宇峰，李锐杰，宋国兵.磁耦合谐振无线传输系统传输特性的研究及优化 [J].电力系统保护与控制，2020，48（9）：112-120.

[12] 张维，齐锴亮.基于MATLAB的单相桥式全控整流电路的建模与分析 [J].电子设计工程，2017，25（12）：97-100.

[13] 朱常友，余岳辉.焊接机器人系统中的电源电路分析 [J].通信电源技术，2001（4）：18-20.

[14] 李延廷，宋习荣.在分析V998手机电路图时应注意的若干问题 [J].北京工业职业技术学院学报，2005（3）：25-29.

[15] 周驰，朱敏辉，潘越.基于磁场谐振耦合无线能量传输的负载最优匹配技术 [C]//浙江省电力学会2019年度优秀论文集.北京：中国电力出版社，2020：10-22.

[16] 王泽忠，李冰，李明洋，等.不同负载下直流偏磁对特高压变压器各侧绕组电流影响的计算及分析 [J].强激光与粒子束，2019，31（7）：78-85.

作者简介：尹丹（1999—），女，汉族，四川自贡人，本科，研究方向：电子电路;黎镜林（1997—），男，汉族，广东广州人，本科，研究方向：电子电路。