用于無線鼠標(biāo)的無接觸供電電路
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目前廣泛使用的無線鼠標(biāo)采用電池供電。更換電池給用戶帶來不便。在此給出一種適用于無線鼠標(biāo)的無接觸供電(Contact-less Power Transfer，CPT)電路，它包括無接觸供電初級(jí)電路和次級(jí)電路2部分。供電裝置采用USB供電，電壓為5 V，通過自激振蕩電路產(chǎn)生138 kHz左右的高頻振蕩電壓，經(jīng)鼠標(biāo)墊內(nèi)置的無接觸耦合初級(jí)載流線圈L31輸出。無線鼠標(biāo)內(nèi)置次級(jí)載流線圈L32，它采用無接觸感應(yīng)耦合方式獲取電能，再由MC34063集成穩(wěn)壓芯片構(gòu)成BUCK穩(wěn)壓電路，負(fù)載電壓為3．1V。
1 無接觸供電電路原理
圖1為無接觸供電電路原理圖。分裂電感L21，L22和功率開關(guān)管Q1，Q2構(gòu)成自激推挽式變換器電路，每一個(gè)開關(guān)管的控制電壓分別取自另外一個(gè)開關(guān)管的兩端電壓。
1．1 無接觸供電電路工作原理
理想狀態(tài)下，2個(gè)開關(guān)管的參數(shù)相同。初始時(shí)刻，開關(guān)管Q1，Q2都處在關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)電路接通時(shí)，電源電壓同時(shí)作用于開關(guān)管的控制端，使它們同時(shí)導(dǎo)通。由于實(shí)際電路元件參數(shù)并不完全相同，2個(gè)開關(guān)管兩端的電壓不相等，如Q1的端電壓較低，則Q2的控制電壓較低，使Q2的端電壓更高，從而使Q1的控制電壓更高，使Q1的端電壓更低，這樣就形成了正反饋，最后Q2完全關(guān)斷，而Q1完全導(dǎo)通。隨著諧振電容C3兩端電壓的改變，2個(gè)開關(guān)管在電壓過零時(shí)交替導(dǎo)通和斷開，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行在ZVS模式下。
L31，L32組成無接觸耦合變壓器，其中C3，C4為初、次級(jí)補(bǔ)償電容，初級(jí)變換器和初級(jí)載流線圈L31屬于固定不動(dòng)部分；次級(jí)感應(yīng)線圈、次級(jí)變換器和負(fù)載為可移動(dòng)部分。初、次級(jí)之間不存在電氣連接。
D1，D2和C5，C6構(gòu)成升壓整流電路，經(jīng)L4，C7濾波后由穩(wěn)壓芯片MC34063構(gòu)成BUCK穩(wěn)壓電路。
通過數(shù)學(xué)分析建立系統(tǒng)模型，并用PSpiee，Proteus軟件進(jìn)行相關(guān)仿真分析，得到無接觸電能傳輸設(shè)計(jì)方案。
1．2 無接觸耦合變壓器工作原理
如圖2所示，次級(jí)線圈的負(fù)載近似為純阻性負(fù)載RL。初級(jí)線圈的電流為
，兩端電壓為
，次級(jí)電流為
為初級(jí)電流在次級(jí)的感應(yīng)電壓值，
為次級(jí)電流
在初級(jí)線圈的感應(yīng)電壓值。根據(jù)圖2中給出的電路的方向，可得初級(jí)、次級(jí)回路的方程為。
根據(jù)式(3)，式(4)，次級(jí)線圈L32等效為一個(gè)電流源。其中ω2M2／Z32稱為次級(jí)反映阻抗，它是次級(jí)的回路阻抗通過互感反映到初級(jí)的等效阻抗。反映阻抗表示次級(jí)電路負(fù)載對(duì)初級(jí)電流的影響，直接反映了系統(tǒng)的功率傳輸能力。
D1，D2和C5，C6構(gòu)成升壓整流電路。次級(jí)線圈L32等效為電流源電路，次級(jí)電流
近似為正弦波。通過PSpice仿真分析，采用升壓整流電路與全波整流電路相比，在額定負(fù)載條件下，無接觸耦合變壓器初級(jí)載流線圈L31電壓峰值提高32％，帶負(fù)載能力增加3倍多。在整個(gè)電路設(shè)計(jì)中G容量的選擇至關(guān)重要。次級(jí)電容補(bǔ)償電感產(chǎn)生的功率因數(shù)降低問題，其容量過大則次級(jí)帶負(fù)載能力降低。
為了簡(jiǎn)化分析，將G及后邊的電路等效為一個(gè)電阻R、一個(gè)電容C和一個(gè)電感L并聯(lián)等效，將次級(jí)載流線圈L32用一個(gè)電流源IS等效替代，則得到簡(jiǎn)化的次級(jí)等效電路如圖3(a)所示。
根據(jù)這個(gè)等效電路，得到KCL方程：
則負(fù)載電流IR和電容C的關(guān)系可用下式表示：
式中：ω表示振蕩頻率；Voc表示電流源IS的開路電壓。根據(jù)式(6)可繪制出負(fù)載電流IR和電容C的關(guān)系曲線如圖3(b)所示。
可以看出當(dāng)電容接近諧振點(diǎn)，負(fù)載電流最大，也即輸出功率最大。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
設(shè)計(jì)輸入電壓Uin=5 V，Uo=3．1 V的無接觸供電電路如圖4所示，負(fù)載為無線鼠標(biāo)電路，測(cè)試負(fù)載范圍為60～273 mW。滿輸出負(fù)載為91 mA，273 mW，電路效率為52％，工作頻率f=138 kHz。實(shí)驗(yàn)證明電路可行。
3 結(jié)語
通過理論分析建立了無接觸耦合變壓器模型。采用了升壓整流電路，克服了低電壓條件下無接觸耦合次級(jí)線圈電壓低的缺陷，電路具有ZVS軟開關(guān)特性。經(jīng)理論分析，該電路帶負(fù)載能力最大可達(dá)到350 mW。由于無接觸次級(jí)載流線圈L32近似為電流源，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)輸出電壓也隨之減少，電路具備過電流自動(dòng)保護(hù)功能，不需額外提供過流保護(hù)電路。
評(píng)論