微距离无线充电器的设计

1万 · 2013-11-21 23:01

1 引言

无线电技术用于通信，已经在全世界流行了近一百年。从当初的无线电广播和无线电报，发展到现在的卫星和微波通信，以及普及到全球几乎每一个个人的移动通信、无线网络、GPS等。无线通信极大地改变了人们的生产和生活方式，没有无线通信，信息化社会的目标是不可议的。然而，无线通信传送的都是微弱的信息,而不是功率较大的/能量。因此许多使用极为方便的便携式的移动产品，都要不定期地连接电网进行充电，也因此不得不留下各种插口和连接电缆。这就很难实现具有防水性能的密封工艺，而且这种个性化的线缆使得不同产品的充电器很难通用。如果彻底去掉这些尾巴,移动终端设备就可以获得真正的自由。也易于实现密封和防水。这个目标必须要求能量也像信息一样实现无线传输。

能量的传送和信号的传输要求显然不同，后者要求其内容的完整和真实，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。虽然能量的无线传送的想法早已有之，但因为一直无法突破效率这个瓶颈，使它一直不能进入实用领域。

目前，这个瓶颈仍然没有实质性的突破。但是如果对传输距离没有严格要求（不跟无线通信比），比如在数cm（本文称微距）的范围内，其传输效率就很容易提高到满意的程度。如果能用比较简单的设备实现微距条件下的无线传能，并形成商业化的推广应用，当今社会随处可见的移动电子设备将有可能面临一次新的变革。

2 工作原理

将直流电转换成高频交流电，然后通过没有任何有有线连接的原、副线圈之间的互感耦合实现电能的无线馈送。基本方案如图1所示。

本无线充电器由电能发送电路和电能接收与充电控制电路两部分构成。

2.1 电能发送部分
如图2,无线电能发送单元的供电电源有两种：220V交流和24V直流（如汽车电源），由继电器J选择。按照交流优先的原则，图中继电器J的常闭触点与直流（电池BT1）连接。正常情况下S3处于接通状态。

图2无线电能发送单元电路图

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无线充电模块

当有交流供电时，整流滤波后的约26V直流使继电器J吸合，发送电路单元便工作于交流供电方式，此时直流电源BT1与电能发送电路断开，同时LED1（绿色）发光显示这一状态。

经继电器J选择的+24V直流电主要为发射线圈L1供电，此外，经IC1（78L12）降压后为集成电路IC2供电，为保证J的动作不影响发送电路的稳定工作，电容C3的容量不得小于2200uF。

电能的无线传送实际上是通过发射线圈L1和接收线圈L2的互感作用实现的，这里L1与L2构成一个无磁芯的变压器的原、副线圈。为保证足够的功率和尽可能高的效率，应选择较高的调制频率，同时要考虑到器件的高频特性，经实验选择1.6MHz较为合适。

IC1为CMOS六非门CD4069,这里只用了三个非门，由F1,F2构成方波振荡器，产生约1.6MHz的方波，经F3缓冲并整形，得到幅度约11V的方波来激励VMOS功放管IRF640.足以使其工作在开关状态（丁类），以保证尽可能高的转换效率。为保证它与L1C8回路的谐振频率一致。可将C4定为100pF,R1待调。为此将R1暂定为3K,并串入可调电阻RP1。在谐振状态，尽管激励是方波，但L1中的电压是同频正弦波。

由此可见，这一部分实际上是个变频器，它将50Hz的正弦转变成1.6MHz的正弦。

2.2 电能接收与充电控制部分
正常情况下，接收线圈L2与发射线圈L1相距不过几cm,且接近同轴，此时可获得较高的传输效率。

电能接收与充电控制电路单元的原理如图3所示。

L2感应得到的1.6MHz的正弦电压有效值约有16V（空载）。经桥式整流（由4只1N4148高频开关二极管构成）和C5滤波，得到约20V的直流。作为充电控制部分的唯一电源。

由R4,RP2和TL431构成精密参考电压4.15V（锂离子电池的充电终止电压）经R12接到运放IC的同相输入端3。当IC2的反相输入端2低于4.15V时（充电过程中），IC3输出的高电位一方面使Q4饱和从而在LED2两端得到约2V的稳定电压（LED的正向导通具有稳压特性），Q5与R6、R7便据此构成恒流电路I0=2-0.7R6+R7。另一方面R5使Q3截止，LED3不亮。