微距離無線充電器的設計方案
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
1 引言
無線電技術(shù)用于通信，已經(jīng)在全世界流行了近一百年。從當初的無線電廣播和無線電報，發(fā)展到現(xiàn)在的衛(wèi)星和微波通信，以及普及到全球幾乎每一個個人的移動通信、無線網(wǎng)絡、GPS等。無線通信極大地改變了人們的生產(chǎn)和生活方式，沒有無線通信，信息化社會的目標是不可議的。然而，無線通信傳送的都是微弱的信息, 而不是功率較大的/能量。因此許多使用極為方便的便攜式的移動產(chǎn)品，都要不定期地連接電網(wǎng)進行充電，也因此不得不留下各種插口和連接電纜。這就很難實現(xiàn)具有防水性能的密封工藝，而且這種個性化的線纜使得不同產(chǎn)品的充電器很難通用。如果徹底去掉這些尾巴,移動終端設備就可以獲得真正的自由。也易于實現(xiàn)密封和防水。這個目標必須要求能量也像信息一樣實現(xiàn)無線傳輸。
能量的傳送和信號的傳輸要求顯然不同，后者要求其內(nèi)容的完整和真實，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。雖然能量的無線傳送的想法早已有之，但因為一直無法突破效率這個瓶頸，使它一直不能進入實用領域。
雖然近幾年的電子展上總有新的無線產(chǎn)品面世，這個瓶頸仍然沒有實質(zhì)性的突破。但是如果對傳輸距離沒有嚴格要求（不跟無線通信比），比如在數(shù)cm（本文稱微距）的范圍內(nèi)，其傳輸效率就很容易提高到滿意的程度。如果能用比較簡單的設備實現(xiàn)微距條件下的無線傳能，并形成商業(yè)化的推廣應用，當今社會隨處可見的移動電子設備將有可能面臨一次新的變革。
2 工作原理
將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，然后通過沒有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實現(xiàn)電能的無線饋送?；痉桨溉鐖D1所示。
本無線充電器由電能發(fā)送電路和電能接收與充電控制電路兩部分構(gòu)成。
2.1 電能發(fā)送部分
如圖2,無線電能發(fā)送單元的供電電源有兩種：220V交流和24V直流（如汽車電源），由繼電器J選擇。按照交流優(yōu)先的原則，圖中繼電器J的常閉觸點與直流（電池BT1）連接。正常情況下S3處于接通狀態(tài)。
圖2無線電能發(fā)送單元電路圖
當有交流供電時，整流濾波后的約26V直流使繼電器J吸合，發(fā)送電路單元便工作于交流供電方式，此時直流電源BT1與電能發(fā)送電路斷開，同時LED1（綠色）發(fā)光顯示這一狀態(tài)。
經(jīng)繼電器J選擇的+24V直流電主要為發(fā)射線圈L1供電，此外，經(jīng)IC1（78L12）降壓后為集成電路IC2供電，為保證J的動作不影響發(fā)送電路的穩(wěn)定工作，電容C3的容量不得小于 2200uF。
電能的無線傳送實際上是通過發(fā)射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實現(xiàn)的，這里L1與L2構(gòu)成一個無磁芯的變壓器的原、副線圈。為保證足夠的功率和盡可能高的效率，應選擇較高的調(diào)制頻率，同時要考慮到器件的高頻特性，經(jīng)實驗選擇1.6MHz較為合適。
IC1為CMOS六非門CD4069,這里只用了三個非門，由F1,F2構(gòu)成方波振蕩器，產(chǎn)生約1.6MHz的方波，經(jīng)F3緩沖并整形，得到幅度約11V的方波來激勵VMOS功放管IRF640.足以使其工作在開關狀態(tài)（丁類），以保證盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。為保證它與L1C8回路的諧振頻率一致?？蓪4定為100pF,R1待調(diào)。為此將R1暫定為3K,并串入可調(diào)電阻 RP1。在諧振狀態(tài)，盡管激勵是方波，但L1中的電壓是同頻正弦波。
由此可見，這一部分實際上是個變頻器，它將50Hz的正弦轉(zhuǎn)變成1.6MHz的正弦。
2.2 電能接收與充電控制部分
正常情況下，接收線圈L2與發(fā)射線圈L1相距不過幾cm,且接近同軸，此時可獲得較高的傳輸效率。
電能接收與充電控制電路單元的原理如圖3所示。
L2感應得到的1.6MHz的正弦電壓有效值約有16V（空載）。經(jīng)橋式整流（由4只1N4148高頻開關二極管構(gòu)成）和C5濾波，得到約 20V的直流。作為充電控制部分的唯一電源。
由R4,RP2和TL431構(gòu)成精密參考電壓4.15V（鋰離子電池的充電終止電壓）經(jīng)R12接到運放IC的同相輸入端3。當IC2的反相輸入端2低于 4.15V時（充電過程中），IC3輸出的高電位一方面使Q4飽和從而在LED2兩端得到約2V的穩(wěn)定電壓（LED的正向?qū)ň哂蟹€(wěn)壓特性），Q5與 R6、R7便據(jù)此構(gòu)成恒流電路I0=2-0.7R6+R7。另一方面R5使Q3截止，LED3不亮。
圖3無線電能接收器電路圖
當電池充滿（略大于4.15V）時，IC3的反相輸入端2略高于4.15V。運放便輸出低電位，此時Q4截止，恒流管Q5因完全得不到偏流而截止，因而停止充電。同時運放輸出的低電位經(jīng)R8使Q3導通，點亮LED3作為充滿狀態(tài)指示。
兩種充電模式由R6、R7決定。這個非序列值可以在E24序列電阻的標稱值為918的電阻中找到，就用918的也行。
如果作為產(chǎn)品設計，這部分電路應當盡可能微型化（電流表電壓表只是在實驗品中調(diào)試時用，產(chǎn)品中不需要），最好成為電池的附屬電路。
3 主要元器件選擇
下面是電子元件技術(shù)網(wǎng)上比較權(quán)威的數(shù)據(jù)：【供以參考】
電源變壓器T1：5VA18V,這里利用現(xiàn)有的雙18V的，經(jīng)整流濾波后得到約24V的直流
繼電器J：DC24V,經(jīng)測量其可靠吸合電流為13mA
保險管FUSE：快速反應的1A
可調(diào)電阻RP1和RP2：用精密可調(diào)的
諧振電容C8：瓷介電容耐壓不小于63V
整流橋D5-D8：用高頻開關管1N4148
精密電壓源：TL431
運放IC3：OPA335,TI公司的軌對軌精密單運放
晶體管Q3、Q4和Q5：要求漏電流小于0.1uA,放大倍數(shù)大于200,圖中已標型號
發(fā)光管LED2：普亮（紅），正向VA特性盡可能陡直（動態(tài)電阻小，穩(wěn)壓特性好）
發(fā)送線圈L1：用U1mm的漆包線在U66mm的圓柱體（易拉罐正好）上密繞20匝，用502膠適當粘接，脫胎成桶形線圈
接收線圈L2：用U0.4mm的漆包線在同樣的圓柱體上密繞20匝，脫胎后整理成密圈形然后粘接固定。這是為了使接收單元盡可能薄型化
4 調(diào)試要點
在發(fā)送單元的FUSE1回路上串入電流表，以保持監(jiān)測。按以下順序調(diào)試。
4.1 調(diào)工作頻率
調(diào)PR1使F1-F2產(chǎn)生的方波頻率與C8L1的諧振頻率一致。此時電流表的讀數(shù)最小，接收線圈L2所得的感應電壓最大，暫不接被充電池BT2.。
4.2 調(diào)基準電壓
保持L1與L2相距2cm并同軸，此時C5兩端的直流電壓應當有18-20V。
調(diào)RP2使其兩端電壓為4.15V,這就是鋰離子電池的充電終止電壓。改變L1與L2的間距，在0-6cm之間基準電壓應當恒定為4.15V。
任何一項調(diào)試必須在保證其他條件不變的情況下進行。
4.3 調(diào)充電控制
增大L1與L2的間距（約55mm），使C5兩端的直流電壓降為8V。或者關掉發(fā)送單元，在C5兩端接上8V的實驗電源。
在運放輸出高電位的情況下，將R10換成5M的電位器，由大往小調(diào)，在能保證Q4完全飽和的情況下，對其電阻的最大值取3/4,成為調(diào)定的R10。這是為了即保證控制可靠，又要盡可能省電。
4.4 調(diào)充滿顯示
在運放輸出高電位時，保證Q3截止（LED3不亮）的前提下，R5取最大。
在運放輸出低電位時，在LED3中串入電流表，調(diào)R8使電流表讀數(shù)為0.5mA,此時LED3有足夠的亮度（方法同4-3,目的同4-3）。
這樣，接收單元的充電控制電路總耗電不到2mA。其中R4支路有1mA左右，Q3和Q4有0.5mA（Q3和Q4不會同時導通），IC2耗電更小（小于 0.01mA）。
5 性能測試
應保證L1與L2附近沒有其他金屬或磁介質(zhì)。
5.1 耦合性能
在接收單元空載（不接被充電池）情況下，保持L1與L2同軸，改變L1-L2間距，測量接收單元C5兩端電壓DCV。
在5cm內(nèi)，充電控制電路能保證準確可靠的工作，6cm仍可充電。
電子元件技術(shù)網(wǎng)【http://www.cntronics.com/】供圖
5.2 充電控制
保持L1與L2同軸并固定于相距2cm,接上待充電池，并接上電壓表。
斷開SW,電流表讀數(shù)為10mA,此為慢充電工作方式；接通SW,電流表讀數(shù)為30mA,此為快充電工作方式。
當充電使電壓表讀數(shù)達到4.15V時，LED3熄且LED2亮，同時電流表讀數(shù)為零，表明電池BT2已被充滿并自動停止充電，并且顯示這一狀態(tài)。
測試時，被充電池可用一只20000uF電容代替，以縮短充電時間便于測試。
5.3 換能效率
仍保持L1與L2同軸相距2cm,充電器分別工作于快充、慢充和停充，測量。
5.4 電源切換
斷開S1,繼電器復位，由直流電源BT1供電；接通S1,繼電器吸合，由交流電源供電，此時BT1被斷開。
兩種供電方式對以上測試結(jié)果完全相同。
S3用于兩種供電方式的人工切換或強行用直流，一般處于接通狀態(tài)。
6 結(jié)語
微距離無線充電器的設計方案，作為可行性探索實驗的樣機，本設計僅針對100mAh左右的小容量鋰離子電池和鋰聚合物電池，適用于MP3、MP4和藍牙耳機等袖珍式數(shù)碼產(chǎn)品。將它推廣到大容量電池，并不存在原則性的障礙。當然，從實驗室的樣機到市場中的產(chǎn)品，可能還有比較漫長和艱難的工作，如電磁輻射的泄漏問題，成本控制與產(chǎn)品工藝，以及市場切入與消費啟動等。
評論