趙 安，曲立國，過勁勁

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

一種高頻無線充電電路的研究和分析*

趙 安，曲立國，過勁勁

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

無線充電技術(shù)早期起源于電磁感應(yīng)原理，由供電線圈將電能通過電磁感應(yīng)傳輸給接收線圈，接收線圈利用接收到的能量對蓄電池進行充電，兩者之間以磁場進行能量的傳輸，因此充電器和用電設(shè)備之間可以做到無導(dǎo)線外露。介紹了一種采用XKT-801高頻無線充電智能芯片作為發(fā)射充電器，通過電磁感應(yīng)在接收端一定距離內(nèi)接收穩(wěn)定直流電壓的系統(tǒng)，可實現(xiàn)對2500mAh鋰電池的充電，體積小，效率高，可以設(shè)計用于便攜移動用電設(shè)備的無線充電。

無線充電；電磁感應(yīng)；XKT-801；高頻交流信號

0 引言

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的有線充電器在攜帶和充電上顯得越來越不方便，無線充電器的優(yōu)勢得到展現(xiàn)。無線充電技術(shù)一旦普及，將使電子產(chǎn)品擺脫插座和線纜的束縛，有助于解決電氣接口不同或充電器不兼容的問題，從而增強便攜性、美觀性以及使用的安全性?，F(xiàn)今無線充電技術(shù)有電磁感應(yīng)式、磁共振式、無線電波式，本文介紹了一種基于XKT-801芯片的無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為發(fā)射端和接收端組成，發(fā)射端采用大功率智能無線充電芯片XKT-801設(shè)計，接收端采用XKT-3169智能充電芯片，通過電磁感應(yīng)原理在發(fā)射端產(chǎn)生交變磁場，接收端感應(yīng)電磁信號，整流后在輸出端產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓。

1 無線充電原理

1.1電磁感應(yīng)式

電磁感應(yīng)式無線充電傳輸系統(tǒng)的基本原理如圖1 所示。系統(tǒng)由發(fā)射線圈 L1 和接收線圈 L2 組成,2個線圈組在一起構(gòu)成電磁耦合感應(yīng)器。發(fā)射線圈所攜帶的交流電產(chǎn)生磁場，并通過線圈耦合使接收線圈產(chǎn)生電壓[1]。

圖1 電磁感應(yīng)示意圖

1.2磁共振式

磁共振式也被稱為近場諧振式，由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當兩個裝置的頻率一致時，或者說在一個特定的頻率上產(chǎn)生共振時，交換彼此的能量。其原理與聲音的共振原理相同，排列在磁場中的相同振動頻率的線圈可從一個向另一個發(fā)送能量[2]，如圖2所示。

1.3無線電波式

無線電波式主要由電波發(fā)送和接收裝置組成，工作原理與礦石收音機相同，發(fā)送端將能量以無線電波的形式發(fā)送出去，接收端將電波信號接收供設(shè)備使用，如圖3所示。但是由于電波的發(fā)散使得效率十分低，無法將所有發(fā)送出去的電波都接收到[3]。

圖2 磁共振式示意圖

圖3 無線電波式示意圖

2 電磁感應(yīng)式無線充電電路設(shè)計

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律， 穩(wěn)恒電流通過導(dǎo)線時在導(dǎo)線外一點P處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度B為：

單個載流元線圈(半徑為R)軸線上任一電流元Idl在P點(P點與線圈的距離為r)產(chǎn)生的電磁感應(yīng)強度為：

顯然線圈上電流元在P點所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度方向各不相同，由于對稱關(guān)系，垂直于軸線的分量相互抵消，平行于軸線的分量相互疊加[4]，所以

當接收線圈放置在P點，假設(shè)接收線圈面積為S，共有N匝，此時P點磁通量為：

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可得，P點線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢為：

由以上公式可以得到，當發(fā)送和接收線圈距離、面積和匝數(shù)等都是常數(shù)時，接收端電壓與電流的變化率成正比，即與線圈所通交流電的頻率有關(guān)，頻率越大，接收端電壓越高。

2.1EG80100全橋逆變電路

圖4 EG8010全橋逆變電路

EG8010是一款數(shù)字化的、功能完善的純正弦波發(fā)生芯片，通過芯片產(chǎn)生的SPWM用來驅(qū)動全橋逆變，產(chǎn)生正弦波交流電壓通過線圈轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾姶艌?，在接收端通過線圈可以接收到發(fā)送端逆變產(chǎn)生的交流信號，完成能量的傳輸，但是全橋逆變電路發(fā)熱嚴重，能量利用率低，易損壞MOS管，電路如圖4所示。

2.2TL494脈寬調(diào)制逆變電路

TL494脈寬調(diào)制逆變電路激式變換部分采用TL494芯片和2個三極管組成灌電流驅(qū)動電路，驅(qū)動2路MOS開關(guān)管，完成對輸入電壓的逆變，如圖5所示。該電路的弊端是電路復(fù)雜，并且逆變電壓太高，不利于用于實踐和安全。

圖5 TL494脈寬調(diào)制電路

2.3XKT-801無線充電發(fā)送電路

XKT-801無線充電電路簡單，高頻大功率集成電路具有精度高、穩(wěn)定性好的特點。該電路由發(fā)送端和接收端組成，發(fā)送端電路如圖6所示。

圖6 XKT-801發(fā)送電路

發(fā)送端電路由XKT-801和XKT-1511組成，將輸入電壓輸入XKT-81芯片后，電壓檢測，微調(diào)頻率，使得芯片輸出端輸出交變的低頻方波信號，當信號輸送入XKT-1511芯片時進行倍頻，將輸入信號倍頻輸出高頻電壓信號，以提高接收端感生電動勢。

接收端電路由XKT-3169芯片組成，通過電磁感應(yīng)原理，在接收端的線圈處把接收到的磁場轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?，?jīng)過濾波后輸入到芯片，進行整流穩(wěn)壓，在輸出端將輸出電壓采樣，反饋給芯片的電壓檢測端口，達到控制電壓穩(wěn)定輸出的效果，如圖7所示。

圖7 XKT-3169接收電路

3 XKT-801無線充電電路的驗證和試驗

3.1無線充電電路可行性實驗

當在發(fā)送端接入直流電壓時，在XKT-801芯片輸出端通過示波器觀察，得到穩(wěn)定的方波電壓信號，如圖8所示。

圖8 XKT-801輸出電壓波形

XKT-801芯片輸出的方波信號經(jīng)過XKT-1511芯片后，進行倍頻放大，在輸出端得到頻率為145 kHz的低壓半波正弦信號，達到高頻輸出的效果，如圖9所示。

圖9 發(fā)送端線圈電壓波形

通過電磁感應(yīng)，在接收端產(chǎn)生一個相應(yīng)的高頻電壓波形，如圖10所示。通過濾波，在XKT-3169輸出端產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓。

圖10 接收端電磁感應(yīng)電壓波形

3.2充電系統(tǒng)的效率實驗

3.2.1空載實驗

在輸出端不接入負載時進行無線充電電路的空載實驗，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

通過實驗數(shù)據(jù)可以看出來，當電路空載時，輸入端輸入功率變化不大，輸出電壓保持穩(wěn)定，如圖11、12所示。

表1 無線充電電路的空載實驗數(shù)據(jù)

圖11 無線充電電路空載效率曲線

圖12 無線充電電路空載輸出電壓曲線

3.2.2負載實驗

在無線充電電路的直流電壓輸出端接入2 500 mAh鋰電池進行帶負載充電實驗。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

由數(shù)據(jù)可以得到，在一定范圍內(nèi)電路的輸出電壓和輸入輸出功率保持穩(wěn)定，當超出范圍后平滑變化，如圖13所示，帶負載輸入輸出功率曲線如圖14所示，充電效率在一定范圍內(nèi)保持相應(yīng)穩(wěn)定，如圖15所示。

表2 無線充電電路帶負載

圖13 無線充電電路輸出電壓曲線

圖14 無線充電電路輸入輸出功率曲線

圖15 無線充電電路效率曲線

4 結(jié)論

本文主要介紹了無線充電技術(shù)的原理，并對電磁感應(yīng)原理進行分析得出無線充電發(fā)送端交流信號頻率與接收端感應(yīng)電壓成正比，進而得出新型智能高頻無線充電芯片XKT-801電路在無線充電上的優(yōu)勢。通過實驗得出的數(shù)據(jù)和圖表可以看到,當發(fā)送端和接收端距離為3.5 cm時，該充電電路的效率和輸出都能得到穩(wěn)定，可以用于一些智能設(shè)備的無線充電，能夠?qū)崿F(xiàn)安全、方便和高效。

[1] 姚曉平.電能無線傳輸應(yīng)用方案[J].制造業(yè)自動化,2011,33(12):62-65.

[2] KARALIS A, JOANNOPOULOS J D, SOLJAIIM. Efficient wire-less non-radiative mid-range energy transfer[J]. Annalsof Physics, 2008，323(1): 34-48.

[3] 林桂江.無線傳能技術(shù)的發(fā)展與展望[J].信息工程,2016,26(3):5-6.

[4] 劉剛,鄭青玉,王德釗. 一種基于電磁感應(yīng)的無線充電方法[J]. 北京信息科技大學(xué)報,2013,28(2):51-54.

2017-04-27)

趙安(1995-)，男，本科，主要研究方向：智能控制。

曲立國(1970-)，通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：智能信息處理和智能控制。E-mail：qlg77@163.com。

過勁勁(1995-)，男，本科，主要研究方向：智能控制。

Research and analysis of high frequency wireless charging circuit

Zhao An, Qu Liguo, Guo Jinjin

(School of Physics and Electronic Information, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China)

Wireless charging technology originated from the principle of electromagnetic induction in the early days.The electric energy is transmitted to the receiving coil by electromagnetic induction from the power supply coil.The receiving coil uses the

energy to charge the battery.The energy transfers between the two magnetic fields.Therefore, there is no wire exposure between the charger and the electrical equipment.This paper introduces a XKT-801 high frequency wireless charging smart chip as the launch charger.Through the electromagnetic induction, the system receives stable DC voltage at a certain distance within the receiving end, which can realize the charging of the 2 500 mAh lithium battery, with small volume and high efficiency，and can be designed for portable mobile power equipment wireless charging.

wireless charging; electromagnetic induction; XKT-801; high frequency AC signal

TM724

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.014

趙安，曲立國，過勁勁.一種高頻無線充電電路的研究和分析J.微型機與應(yīng)用，2017,36(22)：49-52,57.

安徽師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助(201610370167)