領(lǐng)先設(shè)計(jì)：工程師詳解近距離無(wú)線充電方案設(shè)計(jì)

能量的傳送和信號(hào)的傳輸要求顯然不同，后者要求其內(nèi)容的完整和真實(shí)，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。雖然能量的無(wú)線傳送的想法早已有之，但因?yàn)橐恢睙o(wú)法突破效率這個(gè)瓶頸，使它一直不能進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域。 目前，這個(gè)瓶頸仍然沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破。但是如果對(duì)傳輸距離沒(méi)有嚴(yán)格要求(不跟無(wú)線通信比)，比如在數(shù)cm(本文稱(chēng)微距0)的范圍內(nèi)，其傳輸效率就很容易提高到滿意的程度。如果能用比較簡(jiǎn)單的設(shè)備實(shí)現(xiàn)微距條件下的無(wú)線傳能，并形成商業(yè)化的推廣應(yīng)用，當(dāng)今社會(huì)隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電子設(shè)備將有可能面臨一次新的變革。

引言

無(wú)線電技術(shù)用于通信，已經(jīng)在全世界流行了近一百年。從當(dāng)初的無(wú)線電廣播和無(wú)線電報(bào)，發(fā)展到現(xiàn)在的衛(wèi)星和微波通信，以及普及到全球幾乎每一個(gè)個(gè)人的移動(dòng)通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、GPS等。無(wú)線通信極大地改變了人們的生產(chǎn)和生活方式，沒(méi)有無(wú)線通信，信息化社會(huì)的目標(biāo)是不可議的。然而，無(wú)線通信傳送的都是微弱的信息，而不是功率較大的能量，因此許多使用極為方便的便攜式的移動(dòng)產(chǎn)品，都要不定期地連接電網(wǎng)進(jìn)行充電，也因此不得不留下各種插口和連接電纜。這就很難實(shí)現(xiàn)具有防水性能的密封工藝，而且這種個(gè)性化的線纜使得不同產(chǎn)品的充電器很難通用。如果徹底去掉這些尾巴，移動(dòng)終端設(shè)備就可以獲得真正的自由，也易于實(shí)現(xiàn)密封和防水。這個(gè)目標(biāo)必須要求能量也像信息一樣實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。

能量的傳送和信號(hào)的傳輸要求顯然不同，后者要求其內(nèi)容的完整和真實(shí)，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。雖然能量的無(wú)線傳送的想法早已有之，但因?yàn)橐恢睙o(wú)法突破效率這個(gè)瓶頸，使它一直不能進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域。

目前，這個(gè)瓶頸仍然沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破。但是如果對(duì)傳輸距離沒(méi)有嚴(yán)格要求(不跟無(wú)線通信比)，比如在數(shù)cm(本文稱(chēng)微距)的范圍內(nèi)，其傳輸效率就很容易提高到滿意的程度。如果能用比較簡(jiǎn)單的設(shè)備實(shí)現(xiàn)微距條件下的無(wú)線傳能，并形成商業(yè)化的推廣應(yīng)用，當(dāng)今社會(huì)隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電子設(shè)備將有可能面臨一次新的變革。

工作原理

將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，然后通過(guò)沒(méi)有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線饋送。基本方案如圖1所示。

本無(wú)線充電器由電能發(fā)送電路和電能接收與充電控制電路兩部分構(gòu)成。

1 電能發(fā)送部分

圖2無(wú)線電能發(fā)送單元電路圖

如圖2，無(wú)線電能發(fā)送單元的供電電源有兩種：

220V交流和24V直流(如汽車(chē)電源)，由繼電器選擇。按照交流優(yōu)先的原則，圖中繼電器的常閉觸點(diǎn)與直流(電池BT1)連接。正常情況下S3處于接通狀態(tài)。

當(dāng)有交流供電時(shí)，整流濾波后的約26V直流使繼電器吸合，發(fā)送電路單元便工作于交流供電方式，此時(shí)直流電源BT1與電能發(fā)送電路斷開(kāi)，同時(shí)LED1(綠色)發(fā)光顯示這一狀態(tài)。

經(jīng)繼電器選擇的+24V直流電主要為發(fā)射線圈L1供電，此外，經(jīng)IC1(78L12)降壓后為集成電路IC2供電，為保證的動(dòng)作不影響發(fā)送電路的穩(wěn)定工作，電容C3的容量不得小于2200uF。

電能的無(wú)線傳送實(shí)際上是通過(guò)發(fā)射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實(shí)現(xiàn)的，這里L(fēng)1與L2構(gòu)成一個(gè)無(wú)磁芯的變壓器的原、副線圈。為保證足夠的功率和盡可能高的效率，應(yīng)選擇較高的調(diào)制頻率，同時(shí)要考慮到器件的高頻特性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)選擇1.6MHz較為合適。

IC1為CMOS六非門(mén)CD4069，這里只用了三個(gè)非門(mén)，由F1，F(xiàn)2構(gòu)成方波振蕩器，產(chǎn)生約1.6MHz的方波，經(jīng)F3緩沖并整形，得到幅度約11V的方波來(lái)激勵(lì)VMOS功放管IRF640.足以使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)(丁類(lèi))，以保證盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。為保證它與L1C8回路的諧振頻率一致?？蓪4定為100pF，R1待調(diào)。為此將R1暫定為3K，并串入可調(diào)電阻RP1.在諧振狀態(tài)，盡管激勵(lì)是方波，但L1中的電壓是同頻正弦波。