微距離無(wú)線充電器方案電路解析

在幾年前的諾基亞紐約發(fā)布會(huì)上，諾基亞向我們展示了回家以后隨手把手機(jī)放上充電墊邊充電邊聽(tīng)音樂(lè)的場(chǎng)景。Lumia920 內(nèi)置了無(wú)線充電接收器，不久后，在美國(guó)本土的香啡繽店面和倫敦希思羅機(jī)場(chǎng)都出現(xiàn)無(wú)線充電器可用。

無(wú)線充電已從夢(mèng)想步入現(xiàn)實(shí)，從概念變成了商品，這幾年在手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域引領(lǐng)著新風(fēng)尚。無(wú)不證明著無(wú)線充電技術(shù)具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。下文介紹的就是一個(gè)微距離無(wú)線充電器的電路方案，此方案為可行性探索實(shí)驗(yàn)。

電路方案及原理

將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，然后通過(guò)沒(méi)有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線饋送。基本方案如圖所示。

無(wú)線電能傳輸方案示意圖

本無(wú)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。

電能發(fā)送部分

如圖，無(wú)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(chē)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(diǎn)與直流(電池BT1)連接。正常情況下S3處于接通狀態(tài)。

無(wú)線電能發(fā)送單元電路圖

當(dāng)有交流供電時(shí)，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(shí)直流電源BT1與電能發(fā)送電路斷開(kāi)，同時(shí)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(dòng)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(wú)線傳送實(shí)際上是通過(guò)發(fā)射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實(shí)現(xiàn)的，這里L(fēng)1與L2構(gòu)成一個(gè)無(wú)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(yīng)選擇較高的調(diào)制頻率，同時(shí)要考慮到器件的高頻特性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)選擇1.6MHz較為合適。

IC1為CMOS六非門(mén)CD4069，這里只用了三個(gè)非門(mén)，由F1，F(xiàn)2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(lái)激勵(lì)VMOS功放管IRF640.足以使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)(丁類(lèi))，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。可將C4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(lì)是方波，但L1中的電壓是同頻正弦波。

由此可見(jiàn)，這一部分實(shí)際上是個(gè)變頻器，它將50Hz的正弦轉(zhuǎn)變成1.6MHz的正弦。

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(guò)幾cm，且接近同軸，此時(shí)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2-3所示。

L2感應(yīng)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(kāi)關(guān)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(yùn)放IC的同相輸入端3。當(dāng)IC2的反相輸入端2低于 4.15V時(shí)(充電過(guò)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。

無(wú)線電能接收器電路圖

當(dāng)電池充滿(mǎn)(略大于4.15V)時(shí)，IC3的反相輸入端2略高于4.15V。運(yùn)放便輸出低電位，此時(shí)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(shí)運(yùn)放輸出的低電位經(jīng)R8使Q3導(dǎo)通，點(diǎn)亮LED3作為充滿(mǎn)狀態(tài)指示。

兩種充電模式由R6、R7決定。這個(gè)非序列值可以在E24序列電阻的標(biāo)稱(chēng)值為918的電阻中找到，就用918的也行。

作為可行性探索實(shí)驗(yàn)的樣機(jī)，本設(shè)計(jì)僅針對(duì)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(lán)牙耳機(jī)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(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)到市場(chǎng)中的產(chǎn)品，可能還有比較漫長(zhǎng)和艱難的工作，如電磁輻射的泄漏問(wèn)題，成本控制與產(chǎn)品工藝，以及市場(chǎng)切入與消費(fèi)啟動(dòng)等。