基于電場(chǎng)耦合的無(wú)線充電裝置

引言

近年來(lái)，諸多便攜式電子產(chǎn)品的涌現(xiàn)和發(fā)展，如：媒體播放器、手機(jī)和平板電腦等，促使人們對(duì)其應(yīng)用便利性的提高。這些設(shè)備通常以電池來(lái)供電，傳統(tǒng)接觸式電源供電由于設(shè)備必須與供電端相連，逐漸不能滿足人們對(duì)其移動(dòng)性和在特殊場(chǎng)合的要求。追求便利性是電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)，而無(wú)線輸電一直是人們追求的夢(mèng)想，因此非接觸式供電的概念被提出。

迄今為止，非接觸充電方式可以分為四大類:電磁感應(yīng)式、磁場(chǎng)共振式、電場(chǎng)耦合式和電磁波傳送式。本項(xiàng)目選擇電場(chǎng)耦合式來(lái)開(kāi)發(fā)無(wú)線充電器，這是因?yàn)樗c電磁感應(yīng)式相比，位置自由度更高，并可以輕易實(shí)現(xiàn)一臺(tái)充電設(shè)備對(duì)多個(gè)終端進(jìn)行充電；它與磁場(chǎng)共振式相比，構(gòu)造更為簡(jiǎn)單，制造成本更低;它與電磁波傳送式相比，可以輸出更高的功率。由于電場(chǎng)耦合式無(wú)線送電的特點(diǎn)，該類無(wú)線充電器將結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，其對(duì)送電和受電電極的材料和形狀沒(méi)有特定的要求，將大大簡(jiǎn)化制造過(guò)程和降低制造成本。另外，相對(duì)于其他非接觸充電方式,電場(chǎng)耦合式充電的發(fā)展較晚，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上還沒(méi)有出現(xiàn)同類的無(wú)線充電器產(chǎn)品，因此具有更大的研究空間。

電場(chǎng)耦合式無(wú)線充電器和電磁感應(yīng)式無(wú)線充電器的關(guān)鍵技術(shù)類似：發(fā)電端、兩個(gè)極板的大小與形狀、充電端的參數(shù)設(shè)計(jì)，保證電路能量傳輸效率上升，給手機(jī)的充電效率更高。1工作原理

本系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)TL494振蕩器產(chǎn)生一對(duì)反向輸入信號(hào),通過(guò)功率放大電路進(jìn)行功率放大后輸入到諧振頻率約為50kHz的高頻升壓變壓器A1升壓，連接到供電電極G，受電電極C1和供電電極C1耦合相當(dāng)于一個(gè)電容，達(dá)到傳輸電能的效果，經(jīng)過(guò)和A1相同型號(hào)的變壓器A2進(jìn)行降壓經(jīng)過(guò)整流濾波電路輸入開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路中，最后通過(guò)一個(gè)接口對(duì)手機(jī)的鋰電池進(jìn)行供電。圖1所示是本電路各工作模塊的原理示意圖。

2電路設(shè)計(jì)

2.1發(fā)電端

(1)信號(hào)發(fā)生器

本系統(tǒng)運(yùn)用圖2所示的TL494做固定頻率發(fā)生電路，頻率由TL494的5腳上的C2和6腳上的R2決定，其信號(hào)頻率為:

用示波器檢測(cè)產(chǎn)生的是49.05kHz的方波。本系統(tǒng)工作在46kHz?50kHz的頻段上時(shí)效率最高，且運(yùn)行效果比較穩(wěn)定。

(2)功率放大

本系統(tǒng)采用兩級(jí)功率放大，設(shè)計(jì)時(shí)將TL494一對(duì)反向輸出分別接到兩對(duì)669(NPN；Fcbo=180V，払。=120V,瑚1.5A，Pw=1W)和649(PNP:Vcbo=180V，外eo=—120V,L=—1.5A,Pw=1W)中功率對(duì)管組成的推挽電路中，輸出接到后級(jí)的兩個(gè)大功率MOS管上，后級(jí)接到高頻升壓變壓器。圖3所示是本系統(tǒng)的功率放大模塊電路圖。

圖2TL494信號(hào)發(fā)生器電路圖

圖3功率放大模塊電路圖

2.2充電端

穩(wěn)壓模塊經(jīng)降壓整流濾波后，可得到14.1V的有效電壓,再運(yùn)用TexasInstruments公司的TPS5430芯片，前級(jí)加10nF的退耦電容，本系統(tǒng)采用高性能的CBB電容(10nF,100V),輸出電感與最大輸出電流有關(guān),此處選擇220nH的SMD電感。輸出電壓由VSENSE腳的電阻R和R2阻值決定，由輸出電壓計(jì)算公式FOut=1.25XR1/R2，此處取R1=10kQ,R2=3.24kQ,得到七ut=5V。BOOT電容選擇10nF，捕獲二極管選擇SS36。圖4所示是其穩(wěn)壓模塊的電路圖。

2.3極板選擇

設(shè)計(jì)時(shí)可采用普通玻纖材質(zhì)覆銅板，這樣比較便宜、易得、使用方便。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在信號(hào)頻率不變的情況下，極板面積的大小對(duì)電能傳輸?shù)男视绊懖⒉淮蟆O板面積大小任意選取,本電路中采用5cmX5cm的覆銅板作為傳輸極板。

3測(cè)試和試驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)電路的充電效率能夠穩(wěn)定在50%左右，且用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明：采用電場(chǎng)耦合原理進(jìn)行無(wú)線充電是可行的，表1所列是系統(tǒng)在frequency為49.05kHz下的充電數(shù)據(jù)。

和市面上所銷售的電磁感應(yīng)式的無(wú)線充電器一樣，此電場(chǎng)耦合的無(wú)線充電器運(yùn)用的也是接觸式充電電路，但是相比電感耦合之下，它的充電位置更加靈活，極板的錯(cuò)位并不會(huì)大大地減低充電效益。

而本電路中所用的元器件較為常見(jiàn)，性能也比較普通,極板采用了常用的覆銅板進(jìn)行傳輸，由于覆銅板形變，兩極板間貼合并不緊密導(dǎo)致效率降低，可以用介電常數(shù)較低的板材作為充電極板。此外，功率放大電路的中前級(jí)的功率管可以選擇管耗更小的對(duì)管、整流電路中選擇效率更高的整流二極管等以減少能量傳輸中不必要的損耗。

本電路的效率為50%左右，若稍作改良，效率的提高還會(huì)更加顯著。

4結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種與市面上電磁感應(yīng)式原理不同的無(wú)線充電器，其電場(chǎng)耦合相當(dāng)于電容充電的原理。在電路設(shè)計(jì)以及研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，極板間的傳輸距離是此充電方式的一大詬病，由于間隙的存在，在極板間的功率損耗較大。本電路只是簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了基于電場(chǎng)耦合的無(wú)線充電器的功能，驗(yàn)證了電場(chǎng)耦合來(lái)進(jìn)行無(wú)線充電的可行性。對(duì)于電能傳輸?shù)男室约俺潆娮罴杨l率的選擇有待于更近一步的研究。

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