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摘 要：諧振式逐漸成為無線充電的熱點，該文針對諧振式無線充電的理論進行研究，提出了的最大效率無線充電設計方法，并且理論推算的結(jié)果直接知道工程實踐中，器件參數(shù)的選型，通過實驗驗證了理論推導。實驗結(jié)果表明，該設計方法可以簡單有效地制作出無線充電設備，另外該設計的計算方式，器件選型過程都可以用于工程實踐中，對設計不適合有線充電的物聯(lián)網(wǎng)低功耗設備供電也有很廣闊的應用前景。

關鍵詞：諧振式無線充電 最大效率 電路參數(shù)設計

中圖分類號：TM724 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（b）-0030-03

與導電連接的充電方式相比，無線充電更加安全、方便，無線充電采用與電網(wǎng)電源完全隔離的方式，可靠性和安全性得到極大的提升，在很多場合發(fā)揮了很大作用。但是無線充電的效率比較低，一直沒有大的進展，直到2007年MIT科學家在無線充電方面的突破研究。他們利用電磁諧振原理實現(xiàn)了米級別充電功率從幾百毫瓦提升到幾瓦，幾十瓦的級別的無線電能傳輸[1]。各大公司競相開展無線技術的研究，成立了WPC、A4WP、PMA三大充電標準陣營，預期發(fā)布充電功率在15～30 W之間的充電規(guī)格。無線充電效率和充電控制成為各聯(lián)盟研究的重心。

現(xiàn)實環(huán)境中有各種各樣的干擾和變化，如何保證無線充電最高效率的是工程人員最關心的問題，現(xiàn)階段是無線充電前人已經(jīng)做了很多研究[2-5]，該文通過推導最大傳輸效率條件，得到工程推薦公式，指導工程設計。并且設計實驗電路，對設計理論進行驗證。

1 諧振式無線充電效率分析

1.1 充電原理

諧振式充電利用的磁共振原理，首先設計供電線圈的處于自諧振狀態(tài)，諧振頻率與受電線圈的諧振頻率一致，受電線圈也處于自諧振狀態(tài)，這樣整個線路的能量對供電端來說主要消耗在發(fā)射線圈處，由于頻率一致，接收線圈也最大效率的接收的發(fā)射線圈的能量。電路模型如圖1。

圖1中，主要功率傳輸時功率空心線圈Ls和Ld，空心線圈L1通過互感將能量傳遞給Ls，為了傳輸效率，Ls的半徑可以稍大，R1測量電流，Lw和R為負載，為了減少負載回路電抗對接收線圈LD自諧振頻率的影響，LW做成單匝線圈，這樣負載回路感抗極小，也不存在高頻線圈匝與匝之間的雜散電容，容抗可忽略為0，故可認為負載回路為純電阻回路，它反射到線圈LD的阻抗即為純電阻，單匝線圈LW從線圈LD上感應到的能量給負載RL供電，從而完成整個能量的無線傳輸。

1.2 數(shù)學模型

為簡化分析，文獻[2]給出了發(fā)生諧振耦合的兩收發(fā)線圈LS、LD進行等效分析。圖2對圖1做等效分析，互感耦合模型如圖2所示。其中Uin為電源輸入電壓源；RS為線圈電阻，CS為高頻等效電容。LS和Cs的選擇需要滿足諧振條件。RD為負載線圈的串接電阻，CD分別為負載線圈的高頻等效電容。RL為負載電阻，LS、LD為線圈電感量；M為互感。

2 實驗設計及結(jié)果

根據(jù)上述理論分析實際制作效率最大的諧振輸電實驗，選用輸入電源電壓為12 V的供電實驗，依據(jù)6.78 MHz的工作頻率，來確定電源功率轉(zhuǎn)換單元的設計方案：常用AC-DC和DC-DC開關電源上使用的PWM芯片規(guī)格書，其工作頻率范圍基本在幾十kHz到幾百kHz，沒有工作頻率1 MHz以上的方案，選擇單片機stm32來生成所需要的頻率，由于常用的Mosfet工作頻率只有幾十kHz到幾百kHz，無法達到6.78 MHz，選用EPC公司最新研發(fā)設計的GaN FET功率管EPC2014，其開關頻率可達到6.78 MHz要求，其額定參數(shù)為：Vdss=40 V，Id=10 A，Rds（on）=16 mΩ，可滿足發(fā)射端主功率器件設計要求，另外選型查詢到TI的LM5113驅(qū)動半橋GaN FET的芯片，LM5113有兩個輸入端和兩個輸出端，單片機的兩端直接控制LM5113的2個輸入端。死區(qū)時間控制在單片機中實現(xiàn)。

從式（5）可知，導線半徑越小，線圈匝數(shù)越多，線圈本身損耗電阻很大，而這種損耗又不可避免。所以選用粗導線，在保證需要的自諧振頻率情況下減少匝數(shù)，采用黃銅線以增加導電率，降低線圈的自身損耗，從而提高效率。在同樣的互感值下，加大線圈半徑 r，可增加傳輸距離D。因高頻功率放大電路的輸出阻抗一般為50 Ω，取線圈L1=3μH；為實現(xiàn)負載匹配，取電阻RL≈RW= 10 Ω。按照三角形繞制制作發(fā)射線圈（如圖3）。

通過LCR儀器測量發(fā)射線圈的實際感量為2.8 uH，串聯(lián)的電容C1為470 pF，C2為268 pF時，可以實現(xiàn)磁共振無線充電，此時共振線圈兩端的諧振電壓為360 V，在接收端輸出負載位置使用100 ohm的純電阻，檢測電阻兩端的電壓為15 Vdc，計算接收端的接收功率為：

在接收端接收到最大功率2.0 W時，傳輸效率為：Pout/Pin=2.0 W/6.24 W=32%

實際調(diào)試測試數(shù)據(jù)如表1。

調(diào)試過程中，發(fā)射線圈配合接收線圈，需要將接收線圈與發(fā)射線圈正面相對，且兩個線圈之間的距離保持在6～10 mm時傳輸效果最佳。

將R=12 V/0.4 A=30 ，r=20 mm，n=4，RL=100 ，×10-7代入根據(jù)式（6）計算得到最佳效率的距離D=8.7 mm。與實驗結(jié)果相符合。

3 結(jié)語

該文推導出了有工程指導意義的諧振最大效率的條件，使用該條件可以直接指導工程實踐。實驗結(jié)果表明，根據(jù)諧振耦合最大傳輸效率條件進行系統(tǒng)實驗參數(shù)的優(yōu)化設計，可得到與理論結(jié)果相吻合的實驗效果。實驗過程的參數(shù)，器件選型對工程實踐有較強的指導意義。

參考文獻

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