祁文婷 閻瑞煊 雷 飛 程孟璇

（北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100022）

一種簡(jiǎn)易無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

祁文婷 閻瑞煊 雷 飛 程孟璇

（北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100022）

隨著科技水平的不斷發(fā)展與進(jìn)步，手機(jī)、平板電腦以及筆記本等電子設(shè)備的更新速度越來(lái)越快，能量來(lái)源也是其發(fā)展過(guò)程中很重要的一部分，傳統(tǒng)充電方式的缺點(diǎn)也更加明顯，這種充電方式已逐漸被人們所摒棄，所需要的就是一種可應(yīng)用于電子設(shè)備的無(wú)線充電技術(shù)。設(shè)計(jì)了一種基于磁耦合諧振原理的無(wú)線充電技術(shù)，包括變壓、整流濾波、穩(wěn)壓、PWM、發(fā)射和接收6個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)了能夠在幾厘米的范圍內(nèi)進(jìn)行電能傳輸并獲得比較穩(wěn)定的電壓，具有能量傳輸效果好、成本低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、安全可靠、適用對(duì)象廣等特點(diǎn)。

無(wú)線充電；磁耦合諧振；傳輸特性

由于科技的不斷進(jìn)步，電子產(chǎn)品不斷推陳出新，然而這些電子產(chǎn)品往往需要使用專用的充電器進(jìn)行有線充電。有線充電方式在便攜性、安全性、可靠性等方面都存在較大問(wèn)題，這種環(huán)境下產(chǎn)生了對(duì)無(wú)線充電技術(shù)的需求。應(yīng)用無(wú)線充電技術(shù)的意義在于：無(wú)線充電不但避免了隨身攜帶數(shù)據(jù)線的不便，而且實(shí)現(xiàn)了充電設(shè)備與電源分離。無(wú)線充電解決了在一些特定的場(chǎng)合更換電池困難的問(wèn)題，比如人工心臟，人工耳蝸等。同時(shí)，無(wú)線充電還具有可以為多部設(shè)備同時(shí)充電，保護(hù)環(huán)境，防水等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于磁耦合諧振原理的無(wú)線充電技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在幾厘米范圍內(nèi)的電能的穩(wěn)定傳輸，并能夠給一些小型的電子設(shè)備進(jìn)行供電。

1 研究現(xiàn)狀

無(wú)線充電來(lái)源于愛迪生光譜輻射能研究項(xiàng)目的一名助手尼古拉·特斯拉提出無(wú)線電力傳輸?shù)臉?gòu)想。目前美國(guó)麻省理工學(xué)院在電磁共振無(wú)線充電技術(shù)的研究方面走在了前列，他們?cè)跓o(wú)線電能傳輸方面取得了進(jìn)展，能夠用幾米外的發(fā)射線圈，成功地通過(guò)空氣點(diǎn)亮了60W的一個(gè)燈泡。此外，隨著電動(dòng)牙刷，蘋果Apple Watch等電子設(shè)備開始支持無(wú)線充電，無(wú)線充電技術(shù)目前拉開了產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，越來(lái)越多的設(shè)備加入無(wú)線充電功能，無(wú)線充電領(lǐng)域發(fā)展迅猛。

2 原理及構(gòu)成

本文研究的簡(jiǎn)便無(wú)線充電系統(tǒng)指的是不依賴物理上的連接，而是通過(guò)電磁耦合諧振來(lái)將發(fā)射端的電能傳輸給接收端負(fù)載的技術(shù)。該種能量傳輸技術(shù)，是基于電磁耦合諧振原理，在發(fā)射端與接收端配置諧振頻率相同的線圈，當(dāng)兩者距離在一定范圍內(nèi)時(shí)，若給發(fā)射端加上與線圈諧振頻率相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，發(fā)射端與接收端便會(huì)產(chǎn)生諧振，能量便可以源源不斷從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?，這樣便能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)電路模塊之間電能的無(wú)線傳輸。

圖1 磁耦合諧振原理圖

圖1中的發(fā)射端的驅(qū)動(dòng)源是PWM電路輸出的信號(hào)，C1與L1構(gòu)成發(fā)射端并聯(lián)諧振電路，C2與L2構(gòu)成接收端并聯(lián)諧振電路，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓的頻率與并聯(lián)諧振電路的頻率相等，為發(fā)射端提供并聯(lián)諧振所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由諧振發(fā)生條件可知，發(fā)射端有驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，并且當(dāng)其信號(hào)頻率和諧振頻率接近時(shí)，該系統(tǒng)便會(huì)發(fā)生諧振，能量便可以由發(fā)射端向接收端傳輸，實(shí)現(xiàn)能量無(wú)線傳送的功能。

再來(lái)看一下這種電路的傳輸效率，在發(fā)生諧振時(shí)，電路中含有一部分電能，這部分電能儲(chǔ)存在電容中，其值為

除此之外，電路中的線圈中還含有磁能，這部分磁能為

式中，U為電容兩端電壓；I為電路中流過(guò)的電流。

諧振電路的效率為輸出的無(wú)功功率與消耗的總功率的比值，從另一個(gè)角度來(lái)看，可以用品質(zhì)因數(shù)Q來(lái)表示，品質(zhì)因數(shù)的定義為

式中，w為電路工作頻率；w0為諧振頻率。

由上式可知，要想獲得較高的傳輸效率，電路就需要較大的諧振頻率。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射電路

電網(wǎng)220V電壓經(jīng)過(guò)變壓器變壓為20V的交流電，經(jīng)過(guò)橋式整流后輸出直流電，再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后輸出5V電壓給NE555供電使其工作，在555外圍電路配合下3管腳輸出PWM波形，讓該P(yáng)WM波來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管 IRF630的導(dǎo)通與截止。同時(shí)使C5和L1選擇合適的電容值與電感值使其諧振頻率為1MHz，選擇合適的R1、R2和C4的電阻與電容值使555芯片輸出的PWM波形頻率為1MHz，這樣發(fā)射電路諧振的目的就達(dá)到了。同時(shí)，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R1的值可以調(diào)節(jié)輸出 PWM 波形的頻率。C5和L1的值可由如下公式進(jìn)行選擇：

式中，f1為諧振頻率，L為電感L1的取值，C為電容C5的取值。

圖2 發(fā)射電路仿真圖

R1、R2和C4的值可由下述公式進(jìn)行合理選?。?/p>

式中，f2為諧振頻率，C4為電容C4的取值，R1為電阻R1的取值，R2為電阻R2的取值。

此時(shí)一旦發(fā)射電路能夠發(fā)生諧振，發(fā)射電路的能量就能夠源源不斷地傳輸給接收端，實(shí)現(xiàn)能量的發(fā)射。

3.2 接收電路

接收端配置與發(fā)射端諧振頻率相同的線圈，接收端就能夠接收到發(fā)射端傳來(lái)的電能，接收端接收到交流信號(hào)后，經(jīng)過(guò)整流后得到直流電壓，在經(jīng)過(guò)一個(gè)電容值較大的電容濾波后得到一個(gè)比較穩(wěn)定的直流輸出電壓，此時(shí)的電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片LM117后可以輸出不同幅值的直流電壓供給負(fù)載進(jìn)行充電，以達(dá)到可以給不同參數(shù)的負(fù)載進(jìn)行充電的目的。LM117的輸出電壓U0的表達(dá)式為

式中，R1為可變電阻R1的大小，R5為固定電阻R5的大小。

圖3 接收電路原理框圖

圖4 接收電路仿真圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)際波形圖如圖5—圖9所示。

圖5 距離為0.5cm時(shí)輸入端電壓波形

圖6 距離為1cm時(shí)輸入端電壓波形

圖7 距離為3.5cm時(shí)輸入端電壓波形

圖8 距離為1cm時(shí)輸出端電壓波形

圖9 距離為5cm時(shí)輸出端電壓波形

由實(shí)驗(yàn)所得波形圖可知隨著發(fā)射端與接收端距離的增加，接收端得到的電壓越來(lái)越小，但可以實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。

線圈的選擇：由NE555輸出的PWM波的頻率的值可以確定發(fā)射電路和接收電路所需要的電容及電感量，若輸出信號(hào)頻率為1MHz，選擇2nF的電容，則由公式：

計(jì)算可得所需的電感的大小為 12μH，再由公式：

式中，L為電感量；d為線圈直徑；n為線圈匝數(shù)；l為線圈長(zhǎng)度。

計(jì)算可得所需電感可用?0.4的漆包線繞成直徑大約為1.3cm，匝數(shù)為10匝的圓形線圈得到。

按照這種方法，可以算出更高頻率時(shí)所需要的電感的大小和線圈的規(guī)格。

3.4 系統(tǒng)傳輸特性測(cè)試

基于上述電路進(jìn)行傳輸效率測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明實(shí)際傳輸效率確實(shí)隨著諧振頻率的增加而提高，測(cè)試結(jié)果見表1。

由以上測(cè)試數(shù)據(jù)可知，隨著系統(tǒng)諧振頻率f的增大，負(fù)載輸出功率先增大后減小，但是系統(tǒng)電能傳輸效率η在增大。由此可知，隨著系統(tǒng)頻率f的增大，傳輸效率也增大，最大傳輸效率在f=2MHz左右。

4 結(jié)論

無(wú)線充電技術(shù)作為一項(xiàng)新興的電能傳輸技術(shù)，其發(fā)展還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。通過(guò)對(duì)該無(wú)線充電系統(tǒng)各組成部分的探討，包括變壓、整流、穩(wěn)壓、PWM、發(fā)射和接收6個(gè)部分，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路，并能夠?qū)崿F(xiàn)在幾厘米的范圍內(nèi)進(jìn)行電能傳輸并獲得比較穩(wěn)定的電壓，電能傳輸效率的提高可通過(guò)提高諧振頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)所存在的不足是缺少相應(yīng)的保護(hù)電路，系統(tǒng)有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

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Designing of a Simple Wireless Charging System

Qi Wenting Yan Ruixuan Lei Fei Cheng Mengxuan
(School of Energetic Information and Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100022)

With the development of technology,the renewal speed of mobile phone,PC and computer is getting faster and faster.The energy source also plays an important role in this process.The disadvantages of traditional charging mode have been more and more obvious and this mode has been discharged by us.What we need is a wireless charging technology which can be used by electronic devices.This paper designs a wireless charging system based on magnetic coupling resonance,including transformer,rectification,voltage stabilization,PWM,emission,receipt.The system can achieve electric energy transmission in several centimeters and gain a stable voltage,which has the advantages of better effect of energy transmission,low cost,easily realized,safe and broad applied targets.

wireless charging;magnetic coupling resonance;transmission characteristic