0引言

　　隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,便攜式電子產(chǎn)品越來越普及。對(duì)用戶而言，傳統(tǒng)的有線充電器攜帶及充電都很不方便。采用無線電能傳輸方式，無需將導(dǎo)體裸露在外，不會(huì)引起機(jī)械磨損和接觸松動(dòng)，提高了充電器的壽命和安全性能。無線電能傳輸所具有的良好安全性、可靠性和方便性使此項(xiàng)技術(shù)在便攜式電子設(shè)備充電領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)用前景[1-2]。

　　本文詳盡介紹一款感應(yīng)式便攜式電子設(shè)備無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析過程。該無線充電系統(tǒng)分為兩部份：發(fā)射端和接收端。發(fā)射端采用全橋逆變電路，把直流供電電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電壓后提供給諧振單元。在變壓器的原副邊分別串聯(lián)補(bǔ)償用的諧振電容，使變換器工作在諧振頻率點(diǎn)附近，極大地提高了能量傳輸效率。此外，為了提高系統(tǒng)的功率密度及降低硬件成本，在發(fā)射端與接收端之間建立信號(hào)與能量一體化傳輸方式；該充電系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別放置于發(fā)射板的充電目標(biāo)，并且在接收端設(shè)計(jì)電壓檢測電路，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能。

1 感應(yīng)式無線電能傳輸原理及諧振單元模型

　　1.1 感應(yīng)式無線充電原理

　　感應(yīng)式無線充電是利用電源側(cè)線圈產(chǎn)生交變磁場，耦合到負(fù)載側(cè)線圈，從而將電能傳遞給負(fù)載側(cè)。感應(yīng)式無線電能傳輸采用近場傳輸，在近場區(qū)只有電磁能量相互轉(zhuǎn)換[3]，在某個(gè)確定頻率下，線圈工作在諧振頻率點(diǎn)，因?yàn)樵边叺闹C振頻率相同，所以能高效地傳輸能量。

　　感應(yīng)式諧振無線電能傳輸技術(shù)就是利用磁場耦合和諧振技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電能高效率無線傳輸。其理論基礎(chǔ)是耦合模式理論，其主要思想是系統(tǒng)中具有相同諧振頻率的物體之間通過磁場耦合從而進(jìn)行高效率能量交換，而偏離諧振頻率的物體之間相互作用則較弱[4]。

　　1.2 諧振單元模型

　　圖1所示是一種串聯(lián)補(bǔ)償諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即在變壓器原、副邊分別串聯(lián)諧振電容C1和C2，通過控制芯片控制全橋逆變電路的輸出脈沖頻率，使變換器工作在諧振頻率點(diǎn)附近，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。

　　該系統(tǒng)發(fā)射端與接收端在電氣和空間上完全獨(dú)立。發(fā)射端直流輸入電壓通過全橋逆變電路，輸出一個(gè)高頻脈沖電壓，驅(qū)動(dòng)諧振線圈工作。設(shè)由C1與Lp組成的諧振發(fā)射電路的自諧振頻率為fp，全橋逆變電路輸出脈沖電壓頻率為fk，當(dāng)高頻電流注入發(fā)射諧振電路后，發(fā)射端線圈就產(chǎn)生了高頻交變磁場。由文獻(xiàn)[5]可知，在接收端負(fù)載相同時(shí)，fk與fp越接近，線圈電感內(nèi)的諧振電流就會(huì)越大。電感Ls與電容C2組成接收諧振電路，自諧振頻率為fs。當(dāng)fs=fp時(shí)，接收端與發(fā)射端的耦合系數(shù)最大。若已知耦合電路電感值為L，電容值為C，則可知耦合諧振頻率f為：

　　為了便于分析和計(jì)算，可建立無線能量傳輸?shù)牡刃щ娐纺Ｐ腿鐖D2所示，其中Rs和Rp分別為發(fā)射與接收線圈回路的高頻內(nèi)阻，Lp和Ls分別為其自感，Cp與Cs分別為發(fā)射端和接收端諧振線圈回路中的串聯(lián)諧振電容，Up為發(fā)射端輸入電壓，R為負(fù)載電阻，M為線圈互感。

　　設(shè)系統(tǒng)諧振角頻率，發(fā)射和接收線圈的自阻抗分別為Zp和Zs，則：

　　當(dāng)發(fā)射端與接收端回路組成的諧振系統(tǒng)處于全諧振狀態(tài)時(shí)，即兩線圈回路均處于諧振狀態(tài)，由電路理論可知兩線圈回路均為純阻性回路，電抗均為0。則發(fā)射端線圈回路與接收端線圈回路等效阻抗Zpp和Zss分別為：

　　式中，Zsr、Zpr分別為接收端與發(fā)射端的反射阻抗。

　　定義線圈傳輸效率是接收端負(fù)載上的功率與發(fā)射端輸入功率之比，當(dāng)系統(tǒng)處于全諧振時(shí)，則由上述公式推導(dǎo)可得：

2 諧振單元線圈與電容的選擇

　　為了適應(yīng)當(dāng)今電子設(shè)備越來越輕薄的發(fā)展趨勢，選擇能形成垂直于充電系統(tǒng)分布磁場的線圈結(jié)構(gòu)比較合適。在線圈結(jié)構(gòu)選擇上，選擇能覆蓋整個(gè)充電系統(tǒng)的單一螺旋線圈結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的線圈最主要的優(yōu)點(diǎn)是：線圈面積大，能覆蓋整個(gè)充電系統(tǒng)，當(dāng)電子設(shè)備在充電設(shè)備上方移動(dòng)時(shí)，副邊線圈能高效接收原邊線圈傳來的磁通量；此外此種線圈結(jié)構(gòu)簡單且不需要復(fù)雜的控制電路。

　　繞線使用多股絞合漆包線，在繞制時(shí)，每匝沿徑向由內(nèi)向外擴(kuò)展，繞成多圈結(jié)構(gòu)。為了保證兩線圈具有相同自諧振頻率，該充電平臺(tái)發(fā)射端與接收端都選用電感值為12.5 ?滋H的圓形螺旋結(jié)構(gòu)線圈。把發(fā)射端與接收端的諧振頻率都定為125 kHz，則由式(1)可計(jì)算得出發(fā)射端與接收端串聯(lián)的諧振電容容值為13 F。由于該平臺(tái)用于小功率電子設(shè)備的充電，輸出電壓小于20 V，為了留有一定裕量，這里選擇耐壓值為50 V的貼片電容。

3 通信模塊

　　對(duì)于電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)而言，將副邊工作信息傳輸給原邊進(jìn)行反饋控制的方式有兩種：獨(dú)立式和能量信號(hào)一體化傳輸方式。前者是在原副邊系統(tǒng)中增加信號(hào)發(fā)射和接收模塊，這樣不僅增加了設(shè)備的體積和成本，而且使得系統(tǒng)變得復(fù)雜。能量信號(hào)一體化傳輸方式是將能量和信號(hào)經(jīng)過同一個(gè)磁路，信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后加載到主功率波形中，再經(jīng)過濾波得到信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)，最后分析信號(hào)，圖3為其工作示意圖。

　　為使充電系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別放置于發(fā)射板上的充電目標(biāo)，該充電系統(tǒng)在接收端與發(fā)射端之間建立了數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸機(jī)制。具體原理框圖如圖4所示，工作步驟為：發(fā)射端供電控制芯片每秒發(fā)出4次短暫脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)至全橋逆變模塊，發(fā)射線圈發(fā)送載波到接收線圈上，再由接收端控制芯片控制信號(hào)調(diào)制電路來進(jìn)行信號(hào)反饋，接收端的反饋信號(hào)經(jīng)過發(fā)射端的信號(hào)取樣電路和編碼解析電路后，由發(fā)射端控制芯片讀取編碼，當(dāng)讀取到正確的編碼時(shí)，說明檢測到充電目標(biāo)，從而發(fā)射端諧振電路發(fā)射出連續(xù)電磁波能量進(jìn)行送電。若發(fā)射板上不放置充電物體，則發(fā)射端接收不到反饋信號(hào)，發(fā)射端控制芯片不輸出全橋逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得發(fā)射端處于待機(jī)狀態(tài)。

　　此外，該充電平臺(tái)的接收端還設(shè)計(jì)了電壓檢測電路。電壓檢測電路的工作過程為：接收端整流輸出后的電壓經(jīng)過濾波電路后由電壓檢測電路將分壓電壓傳輸至接收端控制芯片。經(jīng)接收端控制芯片判斷分壓電壓是否在正常范圍內(nèi)，若分壓電壓在正常范圍內(nèi)，則充電平臺(tái)正常工作；若分壓電壓過大，則接收端控制芯片控制信號(hào)調(diào)制電路給發(fā)射端控制芯片傳輸反饋信號(hào)，發(fā)射端控制芯片接收到相應(yīng)的編碼后停止向接收端供電，從而達(dá)到過壓保護(hù)的功能。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

　　根據(jù)理論分析，制作了一臺(tái)原理樣機(jī)，輸入15 V~42 V直流電壓，全橋逆變電路使用2片型號(hào)為SIZ904DT的雙N溝道MOS管（漏源耐壓值為30 V），發(fā)射端與接收端采用電感值為12.5 ?滋H的圓形螺旋線圈，諧振電容值為13 F，接收端采用MP38892使輸出電壓穩(wěn)定在12 V。發(fā)射端采用某型控制芯片輸出高頻PWM波形驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路,讀取反饋信號(hào)；接收端采用某型控制芯片控制穩(wěn)壓芯片MP38892工作，調(diào)制反饋信號(hào)。

　　4.1 波形分析

　　實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示，圖5(a)為發(fā)射端全橋逆變模塊的脈沖電壓波形，如圖1所示的全橋逆變電路有兩組橋臂，由MOS管S1和S4組成了第一組橋臂，另兩個(gè)MOS管組成第二組橋臂。由其中u14、u23分別為圖1中第一組橋臂與第二組橋臂的導(dǎo)通電壓波形；圖5(b)up、us分別為發(fā)射端和接收端線圈的電壓波形，可以看到兩線圈工作頻率相同，符合諧振工作原理；圖5(c)ui、uo分別為發(fā)射端輸入電壓與接收端電壓波形，由圖可以得出輸出穩(wěn)定在12 V；圖5(d)為發(fā)射端與接收端之間的信號(hào)傳輸波形圖。

　　4.2 接收線圈移動(dòng)時(shí)效率分析

　　當(dāng)負(fù)載為12 W時(shí)，圖6(a)為發(fā)射線圈與接收線圈軸向距離與電能傳輸效率之間的關(guān)系曲線圖；圖6(b)所示為軸向距離為3 mm時(shí)，兩線圈徑向距離與效率之間的關(guān)系曲線圖。

　　由圖6(a)可以看出，當(dāng)軸向距離為0時(shí)，最高傳輸效率能達(dá)到80.2%；隨著軸向距離的逐漸增大，傳輸效率不斷減小，當(dāng)軸向距離達(dá)到15 mm時(shí)效率僅為34.5%。由圖6(b)可知，當(dāng)軸向距離固定，兩線圈之間的徑向距離從0 mm增加到15 mm時(shí)，傳輸效率從76.25%下降至51.6%。

　　由式(8)可知，傳輸效率與兩線圈的互感M有關(guān)，其互感計(jì)算公式為：

　　式中，０為真空磁導(dǎo)率，r為線圈半徑，n為線圈匝數(shù)，D為傳輸距離。

　　由此可知隨著傳輸距離的增加，兩線圈的互感不斷減小，導(dǎo)致傳輸效率?濁減小。

　　4.3 輸出負(fù)載變化時(shí)傳輸效率分析

　　當(dāng)兩線圈軸向距離為3 mm時(shí)，由圖7可知隨著功率負(fù)載的增加，系統(tǒng)效率逐漸增加，功率負(fù)載從4.8 W增加到20 W時(shí)，傳輸效率從47.6%上升到80%。

5 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)選擇合適的線圈與電容，使發(fā)射線圈與接收線圈同時(shí)工作在諧振狀態(tài)，達(dá)到傳輸效率最佳狀態(tài)；采用能量與信號(hào)一體化傳輸方式，既實(shí)現(xiàn)了充電目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別和輸出過壓保護(hù)的功能，又提高了功率密度，降低了硬件成本。最后研制了一臺(tái)樣機(jī)，并通過實(shí)驗(yàn)分析線圈距離和輸出負(fù)載對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響，驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的可行性。此外，無線通信技術(shù)在該充電系統(tǒng)中的應(yīng)用，使其具有更大的市場應(yīng)用前景。

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