无线充电器的研究与设计

丁成功，梅自强，王升鸿

(工业和信息化部电子第五研究所，广州510610)

随着用电设备对供电质量、安全性、可靠性、方便性、即时性、特殊场合、特殊地理环境等要求的不断提高，使得接触式电能传输方式越来越不能满足实际需要［1］。因此，开发出一套具有能够无线传输电能、传输效率高、设备体积小、便于携带和集成等优点的无线电能传输系统，将会成为21世纪最具魅力的科研方向之一。

1 无线电能传输基本原理

无线电能传输技术由物理学家尼古拉·特斯拉于1890年提出。按照电能传输原理的不同，无线电能传输可划分为电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式 3 种方式［2］。

1.1 电磁感应式无线电能传输原理

电磁感应式无线电能传输系统，通常采用非接触变压器耦合的方式来进行无线电能传输。即将系统的变压器紧密型耦合磁路分开，变压器原边绕组流过的是高频交流电，通过原、副边绕组的电磁感应，将电能传输到副边绕组给用电设备供电，实现了电能在电源和用电设备之间进行无线传输［2］。

1.2 电磁共振式无线电能传输原理

电磁共振式无线电能传输系统，通常采用两个相同频率的谐振体来产生很强的相互耦合，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克和他的研究团队做了一个实验，给一个直径60 cm的线圈通电，结果1.9 m之外连接在另一个线圈上的60 W灯泡被点亮了。这个实验说明发送端和接收端的线圈组成一个磁共振系统，当发送端的磁场振荡频率和接收端线圈的固有频率相同时，接收端产生共振，从而实现了能量的无线传输。其消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，有效传输距离为几十厘米到几米，所以这种传输形式适用于中程无线电能传输。

1.3 电磁辐射式无线电能传输原理

电磁辐射式无线电能传输系统，采用微波波段进行电能的无线传输。由电源发出电能，通过微波转换器将工频交流电变换成微波，再通过发射站的微波发射天线送到空间，然后传输到地面微波接收站，接收到的微波通过转换器将微波变换成工频交流电，供用户使用。微波是波长介于无线电波和红外线之间的电磁波，由于频率较高，能顺利通过电离层而不反射，宇宙空间对微波传输十分理想，几乎没有能量损耗，通过大气层时的损耗约为2%，因此电磁辐射式无线电能传输系统具有更高的电能传输效率，适合远距离无线电能传输。

2 电磁感应式无线充电器整体设计

典型的电磁感应式无线电能传输系统原理框图如图1 所示［3］。

图1 电磁感应式无线电能传输系统原理框图

电磁感应式电能传输系统主要由能量变换部分、能量发射部分和能量接收部分组成。输入的交流电经过整流、滤波、稳压变为直流电，通过高频逆变器进行逆变，逆变所产生的高频交变电流输入分离式变压器的初级线圈，与次级线圈耦合，从而产生感应电动势，然后通过高频整流滤波后为负载供电。本文利用电磁感应式电能传输原理设计的无线充电器主体硬件电路如图2所示［4－5］。

图2 无线充电器主体硬件电路图

2.1 发射电路设计

发射电路原理如图3所示。电路主要由振荡信号发生器和谐振功率放大器两部分组成。利用NE555构成振荡频率约为400 kHz的信号发生器，为功放电路提供激励信号;谐振功率放大器由LC并联谐振回路和开关管Q1构成。当功率放大器的选频回路的谐振频率与激励信号频率相同时，功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达到最大值，从而产生最大的交变电磁场［6］。

2.2 接收电路设计

图3 发射电路

接收电路原理如图4所示。当接收线圈与发射线圈靠近时，在接收线圈中产生感应电动势。当接收线圈回路的谐振频率与发射线圈的谐振频率相同时，感应电压达到最大值。当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，系统具有最好的能量传输效率［7］。

图4 接收电路

2.3 充电电路设计

本文利用电源管理芯片3717设计了具有涓流、恒流、过充电和浮充电4种工作模式的充电电路，充电电路原理如图5所示。

图5 充电电路原理图

电路处于恒流充电模式时，充电电流的大小由连接于CSP管脚和BAT管脚之间的电流检测电阻来设置;电路处于过充电和浮充电模式时，由外部电阻构成的分压网络设置充电电压。当输入电压过低时充电电路进入睡眠状态。当输入电压大于启动电压6 V时，充电电路开始对蓄电池充电。分压电阻R6和R7将蓄电池端的电压反馈到芯片的FB管脚，芯片根据FB管脚反馈回来的电压值来确定进入何种充电模式。当FB管脚的电压接近3.6 V时，芯片工作于过充电状态。如果蓄电池电压低于所设置的过充电电压的81.8%时，充电电路自动进入涓流充电模式，此时充电电流为所设置的恒流充电电流的13%。当蓄电池电压大于所设置的过充电电压的81.8%时，充电电路进入恒流充电模式。本文设计的充电电路设置的充电压为5 V，可以为生活中常用的大多数电子设备进行充电［8］。

3 测试结果

输入电压为220 V/50 Hz，当谐振频率为510 kHz时，测试得到的充电器输出性能参数如表1所示。

表1 充电器输出性能参数

4 结论

本文利用电磁感应式无线电能传输原理设计了一种无线充电器。通过测试表明，该充电器在短距离内，可以实现电能的高效率传输。而且该充电器的充电电路与文献中给出的电路相比，具有比较大的优越性和先进性。后续需要在如何对电能加密和解密方面以及基于无线充放电技术的电动汽车与智能电网的互动技术等方面进行深入研究，以期能够在技术上创造新的突破。

［1］肖志坚，韩震宇，李绍卓.关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究［J］.自动化技术与应用，2007，26(12):114 －116.

［2］常书惠.无线电能传输技术与 Qi标准［J］.电子商务，2011(4):73－74.

［3］翟渊，孙跃，戴欣，等.磁共振模式无线电能传输系统建模与分析［J］.中国电机工程学报，2012，32(12):155 －160.

［4］姚小平.电能无线传输应用方案［J］.制造业自动化，2011，33(24):62－65.

［5］胡继胜，李福林.一种非接触式供电系统设计［J］.电器与仪表，2011，48(3):75 －78.

［6］周功明，周陈琛.基于MSP43O单片机的无线充电器设计［J］.绵羊师范学院学报，2011，30(8):33 －37.

［7］柏杨.基于超声波的无线电能传输的研究［J］.压电与声光，2011，33(2).

［8］丁成功.智能风光互补逆变器电源的研究与设计［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2012.