微距离无线充电器的设计方案

中心议题：
       *无线充电技术

1 引言

无线电技术用于通信，已经在全世界流行了近一百年。从当初的无线电广播和无线电报，发展到现在的卫星和微波通信，以及普及到全球几乎每一个个人的移动通信、无线网络、GPS等。无线通信极大地改变了人们的生产和生活方式，没有无线通信，信息化社会的目标是不可议的。然而，无线通信传送的都是微弱的信息0，而不是功率较大的/能量0。因此许多使用极为方便的便携式的移动产品，都要不定期地连接电网进行充电，也因此不得不留下各种插口和连接电缆。这就很难实现具有防水性能的密封工艺，而且这种个性化0的线缆使得不同产品的充电器很难通用。如果彻底去掉这些尾巴0，移动终端设备就可以获得真正的自由0。也易于实现密封和防水。这个目标必须要求能量也像信息0一样实现无线传输。

能量的传送和信号的传输要求显然不同，后者要求其内容的完整和真实，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。虽然能量的无线传送的想法早已有之，但因为一直无法突破效率这个瓶颈，使它一直不能进入实用领域。

目前，这个瓶颈仍然没有实质性的突破。但是如果对传输距离没有严格要求（不跟无线通信比），比如在数cm（本文称微距0）的范围内，其传输效率就很容易提高到满意的程度。如果能用比较简单的设备实现微距条件下的无线传能，并形成商业化的推广应用，当今社会随处可见的移动电子设备将有可能面临一次新的变革。

2 工作原理

将直流电转换成高频交流电，然后通过没有任何有有线连接的原、副线圈之间的互感耦合实现电能的无线馈送。基本方案如图1所示。

本无线充电器0由电能发送电路和电能接收与充电控制电路两部分构成。

2.1 电能发送部分

如图2，无线电能发送单元的供电电源有两种：

220V交流和24V直流（如汽车电源），由继电器J选择。按照交流优先的原则，图中继电器J的常闭触点与直流（电池BT1）连接。正常情况下S3处于接通状态。

　　图2无线电能发送单元电路图

 当有交流供电时，整流滤波后的约26V直流使继电器J吸合，发送电路单元便工作于交流供电方式，此时直流电源BT1与电能发送电路断开，同时LED1（绿色）发光显示这一状态。

经继电器J选择的+24V直流电主要为发射线圈L1供电，此外，经IC1（78L12）降压后为集成电路IC2供电，为保证J的动作不影响发送电路的稳定工作，电容C3的容量不得小于2200uF。

电能的无线传送实际上是通过发射线圈L1和接收线圈L2的互感作用实现的，这里L1与L2构成一个无磁芯的变压器的原、副线圈。为保证足够的功率和尽可能高的效率，应选择较高的调制频率，同时要考虑到器件的高频特性，经实验选择1.6MHz较为合适。

IC1为CMOS六非门CD4069，这里只用了三个非门，由F1，F2构成方波振荡器，产生约1.6MHz的方波，经F3缓冲并整形，得到幅度约11V的方波来激励VMOS功放管IRF640.足以使其工作在开关状态（丁类），以保证尽可能高的转换效率。为保证它与L1C8回路的谐振频率一致。可将C4定为100pF，R1待调。为此将R1暂定为3K，并串入可调电阻RP1。在谐振状态，尽管激励是方波，但L1中的电压是同频正弦波。

由此可见，这一部分实际上是个变频器，它将50Hz的正弦转变成1.6MHz的正弦。

2.2 电能接收与充电控制部分

正常情况下，接收线圈L2与发射线圈L1相距不过几cm，且接近同轴，此时可获得较高的传输效率。

电能接收与充电控制电路单元的原理如图3所示。

L2感应得到的1.6MHz的正弦电压有效值约有16V（空载）。经桥式整流（由4只1N4148高频开关二极管构成）和C5滤波，得到约20V的直流。作为充电控制部分的唯一电源。

由R4，RP2和TL431构成精密参考电压4.15V（锂离子电池的充电终止电压）经R12接到运放IC的同相输入端3。当IC2的反相输入端2低于4.15V时（充电过程中），IC3输出的高电位一方面使Q4饱和从而在LED2两端得到约2V的稳定电压（LED的正向导通具有稳压特性），Q5与R6、R7便据此构成恒流电路I0=2-0.7R6+R7。另一方面R5使Q3截止，LED3不亮。

　　图3无线电能接收器电路图

当电池充满（略大于4.15V）时，IC3的反相输入端2略高于4.15V。运放便输出低电位，此时Q4截止，恒流管Q5因完全得不到偏流而截止，因而停止充电。同时运放输出的低电位经R8使Q3导通，点亮LED3作为充满状态指示。

两种充电模式由R6、R7决定。这个非序列值可以在E24序列电阻的标称值为918的电阻中找到，就用918的也行。

如果作为产品设计，这部分电路应当尽可能微型化（电流表电压表只是在实验品中调试时用，产品中不需要），最好成为电池的附属电路。

3 主要元器件选择

电源变压器T1）））5VA18V，这里利用现有的双18V的，经整流滤波后得到约24V的直流。

继电器J）））DC24V，经测量其可靠吸合电流为13mA。

保险管FUSE）））快速反应的1A。

可调电阻RP1和RP2）））用精密可调的。

谐振电容C8）））瓷介电容耐压不小于63V。

整流桥D5-D8）））用高频开关管1N4148。

精密电压源）））TL431。

运放IC3）））OPA335，TI公司的轨对轨精密单运放。

晶体管Q3、Q4和Q5）））要求漏电流小于0.1uA，放大倍数大于200，图中已标型号。

发光管LED2）））普亮（红），正向VA特性尽可能陡直（动态电阻小，稳压特性好）。

发送线圈L1）））用U1mm的漆包线在U66mm的圆柱体（易拉罐正好）上密绕20匝，用502胶适当粘接，脱胎成桶形线圈。

接收线圈L2）））用U0.4mm的漆包线在同样的圆柱体上密绕20匝，脱胎后整理成密圈形然后粘接固定。这是为了使接收单元尽可能薄型化。