梁國祥

（寧德師范學院 信息與機電工程學院，福建 寧德 352100）

隨著各種電子產品漸漸豐富，人們對電子設備的續(xù)航要求、充電速度和充電手段提出了新的要求.目前多數(shù)電子產品是有線充電，這種充電方式離不開充電器，而且還存在數(shù)據線浪費的現(xiàn)象.而無線充電的便捷性日益獲得人們青睞，使相關技術得以迅速發(fā)展和推廣.日本村田公司于2007 年研發(fā)了一套無線充電系統(tǒng)[1,2]，其傳輸功率可達12 W，轉換效率可達65%.諾基亞公司于2012年發(fā)布了一款無線充電手機[1,2]，美國的Mojo Mobility 公司也在同年發(fā)布了一款無線充電產品，該產品可以提供2.5 W 的功率，并可以同時為4 臺電子設備充電，且效率高達60%.三星公司推出一款僅適用三星品牌手機的無線充電器[3].近些年來，國內的科技工作者也開展了無線充電技術的研究，使得無線充電應用于手機等小型設備的研究技術日漸成熟.例如國內的品勝公司，推出了一款無線充電器（QWD0001）[4]，該無線充電器的輸入電壓為5 V，輸入電流為1.5 A，輸出電壓為5 V，輸出電流為1 A，理論上無線轉化效率為60%，可適用于市場上大多數(shù)品牌手機.但是截至目前，國內的手機無線充電器還沒有被廣大消費者所接受[5,6]，原因主要有兩方面：一是技術不太成熟；二是無線充電器比有線充電器市場價格更高.

本文主要的研究內容有以下幾個方面：1）設計了車載手機無線充電系統(tǒng)的主電路，確定了電磁線圈的一些參數(shù)與計算方法，提供了效率計算公式.2）詳細設計了整流濾波穩(wěn)壓模塊、諧振線圈、線圈驅動模塊、線圈接收模塊.3）在實驗的基礎上研究了無線傳輸系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸特性等，并驗證了車載手機無線充電器的性能.

1 車載無線充電系統(tǒng)設計

磁耦合諧振方式是無線電能傳輸技術中的研究熱點，原因在于該方式適用于中等偏短距離的無線電能傳輸，傳輸功率較高[7].鑒于此，本文設計了磁耦合諧振方式的車載無線充電器.系統(tǒng)結構框圖如圖1 所示，工作原理是：車載提供12 V 的直流電壓，加在LM139 芯片上從而產生156 kHz的方波，高頻方波驅動4個場效應管，經逆變電路將直流電轉變?yōu)榻涣麟姡虞d在發(fā)射線圈上，實現(xiàn)發(fā)射模塊的功能.無線接收方由接收線圈、整流電路和穩(wěn)壓濾波電路組成.發(fā)射線圈、接收線圈構成諧振電路，使二者工作頻率相等，即產生同頻的交變磁場，從而將發(fā)射線圈的電能以電磁波的形式向接收線圈傳播，最終為負載提供所需直流電.

圖1 車載無線充電系統(tǒng)結構圖

2 有關參數(shù)設計分析

車載無線充電系統(tǒng)中的每一個參數(shù)都會影響整個系統(tǒng)的性能.本文運用電路原理[1,2]對各個參數(shù)逐一進行分析和確定.

1）頻率f.頻率計算式為

R、L、C元件參數(shù)決定了諧振頻率f0，且當電路和電源諧振頻率相一致時會產生共振效應.根據能量關系，若諧振電路正常工作時，電場和磁場能量會以無功功率的形式在電感和電容中流動.

2）耦合系數(shù)k.耦合系數(shù)k用于衡量收發(fā)線圈間的耦合距離，這里將k設定為理想化值0.5.即

式（2）中，M為互感.

3）品質因數(shù)Q.品質因數(shù)一般指儲能元件存儲能量與耗散能量的比值，在高頻電路中，品質因數(shù)越高，電阻越小，諧振電路諧振點的電流越大，電路的信號選擇性越好.如圖2所示，本文選擇了串-串諧振拓撲結構作為研究對象，并將發(fā)射、接收端線圈的品質因數(shù)分別定義為Q1、Q2，即有

圖2 串-串諧振拓撲結構

式中：L1、L2分別為收發(fā)線圈的等效電感；R1、R2分別為收發(fā)線圈的內阻；RL為負載電阻；ω為諧振角頻率.系統(tǒng)的傳輸效率η計算式為

將式（3～6）帶入式（2）中，可得耦合系數(shù)為

無線傳輸系統(tǒng)效率η隨著品質因數(shù)Q1、Q2的增大而增大，當Q1=Q2時，效率η達到最大.已知k=0.5，根據式（7）得到Q1=Q2=2.因此，系統(tǒng)傳輸效率為

4）確定阻值.設計中收發(fā)線圈采用銅芯直徑為1 mm 的漆包線繞制而成，內阻不宜過大且需滿足諧振條件，故設定R1=R2=0.01 Ω，負載電阻RL過大會使傳輸效率降低，令RL=10 Ω.

5）收發(fā)線圈的等效電感L和并聯(lián)補償電容C.L與C共同決定線圈的諧振頻率f0，本設計中首先確定驅動頻率f和耦合系數(shù)k，進而由k確定Q值，3 個阻值已假定，驅動頻率f已選擇為156 kHz，由式（3）、式（4）可得L1=L2=98.1μH，再由式（1）可計算得到C1=C2=0.01 mF.

3 電路仿真與設計

3.1 電路仿真

3.1.1 發(fā)射模塊設計 發(fā)射回路主要由4個MOSFET場效應管構成的全橋逆變電路、LC串聯(lián)回路、發(fā)射線圈Mutual Inductance1組成.其中MOSFET 的驅動由芯片LM139外接固定電阻與電容的多諧振蕩器電路提供，如圖3中Subsystem1模塊所示.驅動電路Subsystem1的4個輸出中Out1、Out3為第一組同頻同向的方波，Out2、Out4為第二組同頻同向的方波，兩組電平互補，可以實現(xiàn)上下橋臂分時導通.

圖3 全橋逆變電路

測量逆變電橋輸出側，波形如圖4所示.由圖4可知，直流電壓12 V逆變?yōu)轭l率高達150 kHz的高頻交流信號.

圖4 全橋逆變電路輸出波形

3.1.2 接收模塊設計 接收模塊由整流電路、濾波和穩(wěn)壓電路組成，仿真模型如圖5所示，接收到的交流電壓波形圖如圖6所示.圖6與圖4對比可知，接收端與發(fā)射端交流電波形圖一致.通過PI控制跟蹤輸出電壓，實現(xiàn)直流電的輸出，負載側電壓輸出波形如圖7所示，由圖可知在0.05 s左右電壓趨于穩(wěn)定，數(shù)值為5 V.

圖5 接收模塊電路

圖6 接收端交流電壓波形圖

圖7 負載側電壓輸出波形圖

3.2 電路測試

車載手機無線充電器實物測試如圖8所示，其中直流車載電壓采用12 V電源適配器代替，手機作為負載.

圖8 實物測試

3.2.1 有效無線距離測量 測定方法如下：首先在手機不接入無線充電器的情況下,并保證發(fā)射線圈、接收線圈處于相同的水平面，然后改變二者之間的線性距離，并測量接收線圈的輸出電壓，其測量結果如圖9所示.

圖9 距離/輸出電壓折線圖

根據圖9 所示，發(fā)射和接收線圈距離在2 cm 以內時，輸出的電壓最大；距離超過2 cm 時，輸出電壓隨著收、發(fā)線圈間距的增加逐漸降低，且電壓降低的變化率較大；隨著間距的進一步擴大，電壓繼續(xù)降低至零，此過程電壓的變化率較低.

3.2.2 無線充電器效率測試 將手機接入無線充電器，并保持收發(fā)線圈間距為1 cm，測定此時的無線充電各項參數(shù)，如表1 所示.此外，保持發(fā)射線圈的輸入電壓為12 V，測試此時手機作為負載的輸出電壓、輸出電流，再根據功率公式得到此時的接收端功率如表2 所示.由于車載手機無線充電器的充電效率技術指標約為40%～50%[8]，故本設計是可行的.

表1 兩線圈距離為1cm時的無線充電數(shù)據

表2 系統(tǒng)輸出效率

4 小結

本文設計了一種基于電磁耦合諧振技術的手機無線充電器，采用LM139方波信號發(fā)生器作為逆變電路的驅動信號.通過仿真驗證了設計的可行性，并對實際電路的充電效率進行了測試，研究了發(fā)射線圈與接收線圈間距對輸出電壓的影響.在此基礎上可進一步研究線圈材料精度、品質因數(shù)、電路元件精度與充電效率的影響.