微距條件下的無(wú)線傳能的實(shí)現(xiàn)

1 引言

　　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。

　　2 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。

　　2.1 電能發(fā)送部分

　　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J選擇。按照交流優(yōu)先的原則，圖中繼電器J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)。

　　圖2無(wú)線電能發(fā)送單元電路圖

　　無(wú)線充電模塊

　　當(dāng)有交流供電時(shí)，整流濾波后的約26V直流使繼電器J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J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J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,F2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。可將C4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。

　　由此可見(jiàn)，這一部分實(shí)際上是個(gè)變頻器，它將50Hz的正弦轉(zhuǎn)變成1.6MHz的正弦。

　　2.2 電能接收與充電控制部分

　　正常情況下，接收線圈L2與發(fā)射線圈L1相距不過(guò)幾cm,且接近同軸，此時(shí)可獲得較高的傳輸效率。

　　電能接收與充電控制電路單元的原理如圖3所示。

　　L2感應(yīng)得到的1.6MHz的正弦電壓有效值約有16V(空載)。經(jīng)橋式整流(由4只1N4148高頻開(kāi)關(guān)二極管構(gòu)成)和C5濾波，得到約20V的直流。作為充電控制部分的唯一電源。

　　由R4,RP2和TL431構(gòu)成精密參考電壓4.15V(鋰離子電池的充電終止電壓)經(jīng)R12接到運(yùn)放IC的同相輸入端3。當(dāng)IC2的反相輸入端2低于4.15V時(shí)(充電過(guò)程中)，IC3輸出的高電位一方面使Q4飽和從而在LED2兩端得到約2V的穩(wěn)定電壓(LED的正向?qū)ň哂蟹€(wěn)壓特性)，Q5與R6、R7便據(jù)此構(gòu)成恒流電路I0=2-0.7R6+R7。另一方面R5使Q3截止，LED3不亮。

　　圖3無(wú)線電能接收器電路圖

　　當(dāng)電池充滿(略大于4.15V)時(shí)，IC3的反相輸入端2略高于4.15V。運(yùn)放便輸出低電位，此時(shí)Q4截止，恒流管Q5因完全得不到偏流而截止，因而停止充電。同時(shí)運(yùn)放輸出的低電位經(jīng)R8使Q3導(dǎo)通，點(diǎn)亮LED3作為充滿狀態(tài)指示。

　　兩種充電模式由R6、R7決定。這個(gè)非序列值可以在E24序列電阻的標(biāo)稱值為918的電阻中找到，就用918的也行。

　　如果作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這部分電路應(yīng)當(dāng)盡可能微型化(電流表電壓表只是在實(shí)驗(yàn)品中調(diào)試時(shí)用，產(chǎn)品中不需要)，最好成為電池的附屬電路。

3 主要元器件選擇

　　電源變壓器T1：5VA18V,這里利用現(xiàn)有的雙18V的，經(jīng)整流濾波后得到約24V的直流

　　繼電器J：DC24V,經(jīng)測(cè)量其可靠吸合電流為13mA

　　保險(xiǎn)管FUSE：快速反應(yīng)的1A

　　可調(diào)電阻RP1和RP2：用精密可調(diào)的

　　諧振電容C8：瓷介電容耐壓不小于63V

　　整流橋D5-D8：用高頻開(kāi)關(guān)管1N4148

　　精密電壓源：TL431

　　運(yùn)放IC3：OPA335,TI公司的軌對(duì)軌精密單運(yùn)放

　　晶體管Q3、Q4和Q5：要求漏電流小于0.1uA,放大倍數(shù)大于200,圖中已標(biāo)型號(hào)

　　發(fā)光管LED2：普亮(紅)，正向VA特性盡可能陡直(動(dòng)態(tài)電阻小，穩(wěn)壓特性好)

　　發(fā)送線圈L1：用U1mm的漆包線在U66mm的圓柱體(易拉罐正好)上密繞20匝，用502膠適當(dāng)粘接，脫胎成桶形線圈

　　接收線圈L2：用U0.4mm的漆包線在同樣的圓柱體上密繞20匝，脫胎后整理成密圈形然后粘接固定。這是為了使接收單元盡可能薄型化

　　4 調(diào)試要點(diǎn)

　　在發(fā)送單元的FUSE1回路上串入電流表，以保持監(jiān)測(cè)。按以下順序調(diào)試。

　　4.1 調(diào)工作頻率

　　調(diào)PR1使F1-F2產(chǎn)生的方波頻率與C8L1的諧振頻率一致。此時(shí)電流表的讀數(shù)最小，接收線圈L2所得的感應(yīng)電壓最大，暫不接被充電池BT2.。

　　4.2 調(diào)基準(zhǔn)電壓

　　保持L1與L2相距2cm并同軸，此時(shí)C5兩端的直流電壓應(yīng)當(dāng)有18-20V。

　　調(diào)RP2使其兩端電壓為4.15V,這就是鋰離子電池的充電終止電壓。改變L1與L2的間距，在0-6cm之間基準(zhǔn)電壓應(yīng)當(dāng)恒定為4.15V。

　　任何一項(xiàng)調(diào)試必須在保證其他條件不變的情況下進(jìn)行。

　　4.3 調(diào)充電控制

　　增大L1與L2的間距(約55mm)，使C5兩端的直流電壓降為8V?；蛘哧P(guān)掉發(fā)送單元，在C5兩端接上8V的實(shí)驗(yàn)電源。

　　在運(yùn)放輸出高電位的情況下，將R10換成5M的電位器，由大往小調(diào)，在能保證Q4完全飽和的情況下，對(duì)其電阻的最大值取3/4,成為調(diào)定的R10。這是為了即保證控制可靠，又要盡可能省電。

　　4.4 調(diào)充滿顯示

　　在運(yùn)放輸出高電位時(shí)，保證Q3截止(LED3不亮)的前提下，R5取最大。

　　在運(yùn)放輸出低電位時(shí)，在LED3中串入電流表，調(diào)R8使電流表讀數(shù)為0.5mA,此時(shí)LED3有足夠的亮度(方法同4-3,目的同4-3)。

　　這樣，接收單元的充電控制電路總耗電不到2mA。其中R4支路有1mA左右，Q3和Q4有0.5mA(Q3和Q4不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通)，IC2耗電更小(小于0.01mA)。

　　5 性能測(cè)試

　　應(yīng)保證L1與L2附近沒(méi)有其他金屬或磁介質(zhì)。

　　5.1 耦合性能

　　在接收單元空載(不接被充電池)情況下，保持L1與L2同軸，改變L1-L2間距，測(cè)量接收單元C5兩端電壓DCV。

　　在5cm內(nèi)，充電控制電路能保證準(zhǔn)確可靠的工作，6cm仍可充電。

　　5.2 充電控制

　　保持L1與L2同軸并固定于相距2cm,接上待充電池，并接上電壓表。

　　斷開(kāi)SW,電流表讀數(shù)為10mA,此為慢充電工作方式;接通SW,電流表讀數(shù)為30mA,此為快充電工作方式。

　　當(dāng)充電使電壓表讀數(shù)達(dá)到4.15V時(shí)，LED3熄且LED2亮，同時(shí)電流表讀數(shù)為零，表明電池BT2已被充滿并自動(dòng)停止充電，并且顯示這一狀態(tài)。

　　測(cè)試時(shí)，被充電池可用一只20000uF電容代替，以縮短充電時(shí)間便于測(cè)試。

　　5.3 換能效率

　　仍保持L1與L2同軸相距2cm,充電器分別工作于快充、慢充和停充，測(cè)量。

　　5.4 電源切換

　　斷開(kāi)S1,繼電器復(fù)位，由直流電源BT1供電;接通S1,繼電器吸合，由交流電源供電，此時(shí)BT1被斷開(kāi)。

　　兩種供電方式對(duì)以上測(cè)試結(jié)果完全相同。

　　S3用于兩種供電方式的人工切換或強(qiáng)行用直流，一般處于接通狀態(tài)。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)僅針對(duì)100mAh左右的小容量鋰離子電池和鋰聚合物電池，適用于MP3、MP4和藍(lán)牙耳機(jī)等袖珍式數(shù)碼產(chǎn)品。將它推廣到大容量電池，并不存在原則性的障礙。