基于电磁感应的无线充电装置的设计

吴 亮

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009)

在当今飞速发展的社会中，随身智能产品（手机，电脑等等）已经成为人们生活不可或缺的一部分，这些智能产品需要频繁地进行充电。由于当前绝大多数充电方式都是有线的，这种方式虽然充电效率高，但是会有很多局限性，当人需要一边进行充电一边使用，就不得不待在插座周围，限制了人的活动，降低了人的工作效率。因此，一种为智能产品无线充电装置研究和设计成为热门，来适应当前高效率的生活与办公，满足未来发展趋势。

理想的无线充电的优点：第一，远距离传输电能，解决有线带来的行动不方便的困扰，极大地提高日常生活办公效率。第二，安全，由于没有充电线的连接，通过耦合来实现电能的传输，因此不用担心触电的危险。第三，特定领域，例如植入性医疗器件、水下设备等。

1 总体设计方式

当前的无线充电技术主要有三种实现方式：电磁感应式、电磁耦合共振方式、微波/激光辐射方式。本设计选用电磁感应的方式[1-3]。相比于其他两种，本方式的原理为电生磁，磁生电。优点是生产成本低、结构简单、技术可靠，通常适用于为小微型电子设备供电。

本次设计出的无线感应充电装置要达到以下三个要求：装置的输出电流：＞=100mA；装置的作用距离：＞=5mm；装置的充电效率＞30%。

本设计主要由发射端与接收端组成，发射端主要包括PWM 波形发生电路、开关电路以及初级线圈电路。接收端主要包括次级线圈电路、整流滤波电路以及稳压电路。其中发射端发由PWM 发生器产生PWM信号，PWM信号经驱动电路后实现对开关器件的控制，进而由初级线圈储存能量，初级线圈与次级线圈之间通过以非接触方式将能量无线传输至接收端，然后，经过整流滤波后得到对应的直流电压，最后通过稳压电路得到稳定的5V 电压输出并为负载提供能量[4]。总体设计框图如图1所示：

图1 总体设计构架图

2 发射端电路的选择

2.1 PWM波形发生电路方案论证

方案一：使用有源晶振，此种方案虽然可以产生稳定的工作频率，但无法对其进行调节，很难产生谐振。

方案二：使用有单片机直接产生PWM 波形，目前单片机产生的PWM波形频率可高达MHz的数量级，足以满足设计要求，但是单片机成本较高，且涉及编程，开发周期相对较长，其次，本设单片机的使用需要一定的功率，对总设计的效率会有一定的影响[5]。

方案三：采用NE555 产生波形电路，可以通过调节外部变阻器的阻值来调节输出波形的频率及占空比，当振荡电路改变时，调节变阻器阻值大小即可产生相应频率的波形，直到与LC 电路形成谐振。

故选择方案三。

2.2 多谐振荡器分析

PWM 为脉冲宽度调制信号，通过调节脉冲的宽度实现对能量的控制。本设计采用NE555 多谐振荡器产生PWM波形。

555内部电路如图2所示：

图2 555内部电路图

NE555 状态表如表1 所示，当NE555 的复位Reset 引脚接低电平时，芯片被置位，电路不工作。当Reset 引脚为高电平时，电路正常工作。电路上电时，电源通过D13 对电容C16 进行充电，当C16上端电压大于1/3Vcc且小于2/3Vcc时，根据表格可知输出状态保持，此时C16 继续充电，当其上端电压大于2/3Vcc 时，C16 停止充电，并通过D15 放电。当C16 上端电压大于1/3Vcc 且小于2/ 3Vcc时，C16 继续放电，当其上端电压小于1/3Vcc 时，C16 停止放电，开始充电。然后重复上述过程，最终在输出脚3得到PWM波形。对变阻器R5的阻值进行调节，可以改变C16 的充放电时间，进而调节输出PWM的脉冲宽度，从而实现对输出PWM的调控[6]。此处PWM 的频率由R3，R5，C16 的值决定，频率可由公式得出：

通过调节R5 的阻值，最终得到输出频率约为100KHz，占空比为20%的PWM信号。通过调节R5阻值即可调节输出占空比越大，接收端获得的能量也越多。最终调试出电路输出频率为：P=100 KHz。

表1 NE555状态表

2.3 MOS 控制电路

Q1 为N 沟道场效应管IRF540（110v/33A/40 mΩ），其开启电压Vgs高于3V的时候，MOS开始导通，所以555的输出端口的电压可以直接驱动MOS。调整线圈L2并联的电容C20，使其处于谐振状态，MOS在工作的时候发热少，当接收端不放上去的时候，发射端几乎不发出能量，待机功耗很低。

由于MOS管GS端有极间电容，加R4是为了使MOS 开通瞬间电流减小，保护了PWM 端口不容易损坏。R6为下拉电阻，防止意外情况MOS打开。

2.4 LC振荡电路设计

本设计中发射端线圈选择LC振荡作为“天线”[7]，只要电容C选择恰当，该电路运行稳定。

取电感为24 μH，谐振频率为100 KHz，计算得到C为100 μF。

2.5 整流电路

整流电路可以将交流电转换为含有直流电压和交流电压的混合电压。输出电压习惯上称单向脉动性直流电压[8]。

如图3 所示为接收端LC 振荡电路及整流滤波电路，接收端电感为L1，即为次级线圈，L1与初级线圈L2以匝数比1∶1无线反激耦合。其中LC电路同发射端一样，设计谐振频率为100KHz，整流电路采用全波整流电路，当输入电压在正半周期时，D2，D12 导通，D3，D11 截止，电流由L1 上端流经D2-＞负载-＞D12，当输入电压在负半周期时，D3，D11 导通，D2，D12 截止，电流由L1 上端流经D3-＞负载-＞D11[9]。

用肖特基组成的整流桥进行全波整流，同一时刻必然有2个二极管在导通，将产生1.1V的电压降（单个肖特基压降为0.55V），这是无线充效率不高的主要原因。

图3 整流滤波电路

2.6 滤波电路

交流电经全波整流电流后得到单极性的单一脉动交流信号[10]。然后为了减少直流电压中的交流成分，保留直流成分，可以经过滤波电路进行过滤，尽量使波形变得平稳。

滤波电容越大，被整流电压周期越小，负载电阻越大，滤波效果越好。应当根据被整流电压周期T 和负载电阻RL 的大小来确定滤波电容荷压比。设计中考虑到开关频率已经达到100 KHz了，所以采用了2个100 μF的电容，足够保证电路正常运行。

2.7 稳压电路

稳压电路由稳压二极管组成。稳压二极管的特点是在反向击穿前具有很高的电阻；而在反向击穿时，一定的电流范围内，端电压保持稳定状态不变。利用此特性可以对端电压进行稳定化。稳压二极管可以并联以便在较高的电压上使用，各个稳压管分压以便稳出所需电压。

稳压管采用7 个1W 的ZM4733A 并联，满足设计余量。当接收端未连手机时候，管子会发烫，稳压管的作用就是让其发烫而消耗能量的。当连接手机后，该电压会被手机拉下到4.6 V左右，手机内部的电源管理芯片会让其工作在恒流模式，此时接收端稳压管不工作。这个电流大小，决定了充电速率。

3 系统完成与测试

整个装置由手工制作的覆铜板焊接而成。如图4所示：

测试无线充电需要数控电源、万用表、负载和示波器。用万用表、示波器等相关仪器检测自制的无线电能传输装置工作是否正常。电平是否与理论相符，检测完后，将9V单电源输入，调节档位旋钮，将输出电流设好，记录直流稳压电源中的输入电流，数字万用表中输出电压的值，接收端接入电阻负载。测量电路如图5所示：

图4 无线电能充电器样品图

图5 测量电路

4 测试结果

无线充电的输入输出的测试结果表2所示：

表2 无线充电输入输出测试记录表

由以上数据得到：输入直流电压Uin=9 V 时，保持发射线圈与接收线圈间距离x=1mm左右不变，通过测试不同负载的输入输出电流电压得到不同距离的输出效率。由表可知，当R=10Ω时，无线电能传输装置的效率最大η=56%。

在整体测试阶段，测试结果显示：在电源供电正常前提下，本设计充电过程稳定，在允许充电范围内，无充电中断现象；初级线圈和次级线圈在相同耦合度下，最大可充电的垂直距离为3CM；初级线圈和次级线圈在贴合情况下，输出电路可正常工作的最低耦合度为60%。

5 结语

设计采用电磁感应的方式，用555构成的多谐振荡电路产生可调的PWM 信号，通过场效应管驱动发射线圈，把变化电场转换成变化磁场；接收线圈把耦合到的磁场能量转换成变化的电场，经整流滤波稳压电路，给后级的用电设备提供稳定的5 V直流电压（本作品以手机充电为例）。其中调节震荡频率是难点。为了提升了能量传输效率，结合曾经用磁耦合谐振方式设计的研究，在发射和接受线圈上都加入合适电容使得其处于LC 谐振状态。根据测试，输出端在0.4A负载情况下，最大的供电效率为56%。这为进一步研究无线充电设备以及更广阔无线电能充电装置提供方案。