經(jīng)典微距離無線充電器創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案詳解

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(dāng)初的無線電廣播和無線電報(bào)，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(gè)個(gè)人的移動(dòng)通信、無線網(wǎng)絡(luò)、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(huì)的目標(biāo)是不可議的。然而，無線通信傳送的都是微弱的信息0，而不是功率較大的/能量0.因此許多使用極為方便的便攜式的移動(dòng)產(chǎn)品，都要不定期地連接電網(wǎng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)具有防水性能的密封工藝，而且這種個(gè)性化0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0，移動(dòng)終端設(shè)備就可以獲得真正的自由0.也易于實(shí)現(xiàn)密封和防水。這個(gè)目標(biāo)必須要求能量也像信息0一樣實(shí)現(xiàn)無線傳輸。

能量的傳送和信號(hào)的傳輸要求顯然不同，后者要求其內(nèi)容的完整和真實(shí)，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?yàn)橐恢睙o法突破效率這個(gè)瓶頸，使它一直不能進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域。

目前，這個(gè)瓶頸仍然沒有實(shí)質(zhì)性的突破。但是如果對(duì)傳輸距離沒有嚴(yán)格要求（不跟無線通信比），比如在數(shù)cm（本文稱微距0）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(jiǎn)單的設(shè)備實(shí)現(xiàn)微距條件下的無線傳能，并形成商業(yè)化的推廣應(yīng)用，當(dāng)今社會(huì)隨處可見的移動(dòng)電子設(shè)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(shí)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(diǎn)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(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，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.

電能的無線傳送實(shí)際上是通過發(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CD4069，這里只用了三個(gè)非門，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的方波來激勵(lì)VMOS功放管IRF640.足以使其工作在開關(guān)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(lì)是方波，但L1中的電壓是同頻正弦波。

由此可見，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。

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(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(dāng)電池充滿（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)稱值為918的電阻中找到，就用918的也行。

如果作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這部分電路應(yīng)當(dāng)盡可能微型化（電流表電壓表只是在實(shí)驗(yàn)品中調(diào)試時(shí)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

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(cè)量其可靠吸合電流為13mA.

保險(xiǎn)管FUSE）））快速反應(yīng)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(guān)管1N4148.

精密電壓源）））TL431.

運(yùn)放IC3）））OPA335，TI公司的軌對(duì)軌精密單運(yùn)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(biāo)型號(hào)。

發(fā)光管LED2）））普亮（紅），正向VA特性盡可能陡直（動(dòng)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(dāng)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(diǎn)

在發(fā)送單元的FUSE1回路上串入電流表，以保持監(jiān)測(cè)。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(shí)電流表的讀數(shù)最小，接收線圈L2所得的感應(yīng)電壓最大，暫不接被充電池BT2

4.2調(diào)基準(zhǔn)電壓

保持L1與L2相距2cm并同軸，此時(shí)C5兩端的直流電壓應(yīng)當(dāng)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(zhǔn)電壓應(yīng)當(dāng)恒定為4.15V.

任何一項(xiàng)調(diào)試必須在保證其他條件不變的情況下進(jìn)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(guān)掉發(fā)送單元，在C5兩端接上8V的實(shí)驗(yàn)電源。

在運(yùn)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(duì)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(yùn)放輸出高電位時(shí)，保證Q3截止（LED3不亮）的前提下，R5取最大。

在運(yùn)放輸出低電位時(shí)，在LED3中串入電流表，調(diào)R8使電流表讀數(shù)為0.5mA，此時(shí)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(huì)同時(shí)導(dǎo)通），IC2耗電更?。ㄐ∮?.01mA）。

5性能測(cè)試

應(yīng)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(cè)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(zhǔn)確可靠的工作，6cm仍可充電。

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(dāng)充電使電壓表讀數(shù)達(dá)到4.15V時(shí)，LED3熄且LED2亮，同時(shí)電流表讀數(shù)為零，表明電池BT2已被充滿并自動(dòng)停止充電，并且顯示這一狀態(tài)。

測(cè)試時(shí)，被充電池可用一只20000uF電容代替，以縮短充電時(shí)間便于測(cè)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(cè)量。

5.4電源切換

斷開S1，繼電器復(fù)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(shí)BT1被斷開。

兩種供電方式對(duì)以上測(cè)試結(jié)果完全相同。

S3用于兩種供電方式的人工切換或強(qiáng)行用直流，一般處于接通狀態(tài)。

6結(jié)語

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。