手机无线充电系统的设计与实现*

何 芹，张佳斌，戴丽洁，虞致国，顾晓峰

（1. 轻工过程先进控制教育部重点实验室，江南大学电子工程系，江苏 无锡 214122；2. 无锡市航道管理处，江苏 无锡 214031）

1 引言

随着电子技术的快速发展，手机、数码相机、平板电脑等越来越多的消费类电子产品进入到人们的生活和工作中。然而，这些便携式电子产品往往需要利用专用的充电器进行有线充电。有线供电方式在方便性、安全性等方面有很多问题，例如频繁地插拔易损坏接头，存在触电隐患，在一些易燃易爆场合极易引发安全事故[1～2]。相比之下，非接触式的无线供电[3]作为一种新型电能传输方式，可实现电源和便携式电子设备之间没有电气连接的供电，摆脱了电源线的束缚，具有安全可靠、方便灵活等优点[4～6]。

无线供电大多利用磁感应耦合进行能量传递，即平面初级线圈产生的时变磁场在次级线圈中产生感应电压，从而实现能量的传输[7]。目前已提出的近距离无线供电方案大都利用磁感应耦合实现[7～9]，但一般只能对单个负载充电，且理想传输效率仅60%。本文采用多个初级线圈并联的技术，设计了一种能对多个手机类便携式电子设备同时充电的无线充电系统，其传输效率测量值超过了理想传输效率。此外，该充电系统中初级线圈所产生的磁感应强度的轴向分量均匀分布，不同电子产品都能获得基本恒定的充电电压，充电效率不会随摆放位置而变化。

2 无线充电系统的原理及构成

根据电磁感应原理，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。电能、磁能随着电场与磁场的周期变换，通过电磁波的方式在空间传递；电磁波被接受后转换成电能，实现能量的传输。变压器就是根据这一原理工作的[10]，传统变压器初、次级线圈用完整磁芯连接在一起，初级和次级线圈之间紧密耦合。但在无线供电技术中，初、次级线圈相互独立，它们的形状、线径等参数会影响耦合特性。

本文设计的无线充电系统的结构如图1所示，主要由发射和接收两个模块组成，包括电源、整流滤波、高频逆变、分离式变压器等部分。交流电源产生的交流电压经整流滤波后得到直流电压，直流电压经高频交流逆变后变为高频交流电压。高频交流电压在变压器初级线圈产生高频电流，在分离式变压器次级线圈中通过电磁感应产生感应电流，再经过整流滤波为负载提供电压。由于分离式变压器的初、次级线圈相互分离，漏感较大，耦合系数较小，变压器的传输效率较低。为了提高功率传输能力，通常在分离式变压器的初级和次级增加补偿电容[11]。

一个初级线圈可同时为多个用电设备供电，但也存在不少缺点，如充电区域小、效率低、设备摆放位置不同容易导致充电效率不相当等。采用多个初级线圈并联的方式供电可克服上述缺点，相同的初级线圈所产生的磁感应强度的轴向分量均匀分布，保证了待充电设备可获得基本恒定的充电电压。

图1 无线充电系统的结构框图

3 系统设计及实现

3.1 发射电路

无线充电系统的发射电路如图2所示。交流电压源AC产生的交流电压经过桥式整流及电容C1、C2滤波后送给逆变电路。半桥式逆变电路由开关管Q1、Q2，电感Lr、L1，电容C3、C4、C5、C6和电阻R1、R2组成。Q1、Q2采用3DK7-9小功率开关管。3DK7-9具有寿命长、安全可靠、开关速度快、体积小等优点。为了降低开关损耗，在开关管外并联电容C5、C6，串联电感Lr，使流过开关管的电流为正弦波；在正弦波过零时导通开关管，实现零电压的软开关技术。软开关技术应用谐振原理，调节开关开通、关断时电压和电流的变化，以减少开关损耗。

图2 无线充电系统的发射电路

开关管Q1和Q2的门极由芯片SG3525控制，SG3525是一种性能优良、功能完整和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它不仅简单可靠、工作效率高，而且使用方便灵活，输出信号的占空比、频率等易于控制，便于开关电源的高频化和小型化[12～13]。SG3525的工作电压范围很宽(8～35 V)，可正常工作的温度范围为0～70 ℃，其应用电路如图3所示。

3.2 接收电路

无线充电系统的接收电路如图4所示。电压经分离式变压器到达接收端，经过次级补偿和桥式整流后转换为直流电压，再经过电容滤波输出比较稳定的直流电压，最终采用LM317稳压芯片调整稳压。考虑到不同电子设备的充电电压不同，而且适当提高充电电压有利于改善充电效率。因此，采用LM317来调整输出电压。LM317是输出电压可调的集成三端稳压器[14]，输出电压在1.25～37 V内连续可调，最小稳定工作电流不大于5 mA。LM317的输出电压Vout与R10、R11存在如下关系：

若Vout=5 V，则R10=3R11，若Vout=10 V，则R10=7R11，因此滑动变阻器R10的调节范围应尽可能大。

图3 SG3525控制芯片的应用电路

图4 无线充电系统的接收电路

3.3 分离式变压器的线圈

无线充电系统发射端有一个线圈和接收端耦合，初级和次级线圈的形状、线径等参数直接影响着电能的传输效率。

3.3.1 线圈的设计方案

考虑到线圈的趋肤效应[15]，线圈表面电流最大，越靠近中心越小。由于多股线圈的表面积大于单股线圈，对应的等效电阻较小，线圈本身的单体损耗也较低。因此，初级线圈使用直径为0.55 mm的漆包线绕制，线圈线径不易过粗，否则容易出现折断；匝数和形状根据实际情况确定。

由于无线充电系统的初、次级线圈相互分离，存在空气间隙，导致耦合系数较低。要实现同时为多负载供电，必须使用大的初级线圈。但是，使用大的初级线圈需用更多的匝数来实现磁场的均匀分布，会增加线圈的自感系数。因此，采用多个初级线圈并联的方式，在减小初级线圈自感的同时，还能保证足够的充电区域，另外也可减弱待充电设备之间的相互干扰。

3.3.2 线圈形状的选择

利用无线充电系统为单个手机负载(NOKIA 5700XM)供电，使用永胜DT9205A数字万用表测量手机输出端的电压和电流。线圈形状设定为圆形或方形，初级和次级线圈形状相同。方形线圈线径为0.55 mm，线圈边长为40 mm，匝数为12匝；圆形线圈线径为0.55 mm，线圈外径为40 mm，匝数也为12匝。为提高充电效率，次级线圈的摆放应与初级线圈重合，以便接收更多垂直方向的磁通量。表1列出了使用两种线圈为单手机负载充电的测试结果。结果表明，随着初级线圈和次级线圈间距离的增加，电流逐渐减小。另外，还可以看出，采用圆形线圈的传输效果更好。因此，在以后的实验中均采用圆形线圈且保持初级线圈和次级线圈间的距离接近0。

3.3.3 初级线圈的连接方式

保持初级和次级线圈均为圆形线圈，分别采用两个初级线圈并联的方式，以及只采用一个大的初级线圈、次级线圈不变的方式，同时为两个相同的手机负载(NOKIA 5700XM)充电。两个手机负载的输出端电压和电流测量结果列于表2。大的初级线圈需使用更多的匝数实现磁场的均匀分布，与前面的理论分析一致。

表1 采用不同线圈形状时单负载充电的输出参数

表2 采用不同初级线圈连接方式时双负载充电输出参数

4 多负载充电效率的测试

保持初级和次级线圈为圆形线圈，采用三个初级线圈并联的方式同时为三个相同的手机负载(NOKIA 5700XM)充电，测量输出端的电压和电流，结果列于表3。可以看出，采用初级线圈并联技术能增大充电区域，保证充电效率相当。

根据图5所示的磁耦合等效模型，初级线圈和次级线圈的阻抗Z1、Z2分别为：

表3 三负载充电的输出参数

其中，R1、L1、C1为初级线圈的电阻、电感和电容，R2、L2、C2为次级线圈的电阻、电感和电容，RL为负载电阻。

图5 磁耦合等效模型

线圈L2的输入功率P1、负载ZL上消耗的功率P2可表示为：

其中，uin为高频功率源电压，ω为谐振频率，M为初、次级线圈间的互感。因此，无线充电系统的传输效率η可表示为：

在忽略传导损耗、开关损耗和电磁损耗等的前提下，假设系统理想谐振，三个负载的传输效率都能达到理想传输效率。

5 结论

设计并实现了一种基于半桥式逆变技术和磁感应耦合技术的手机无线充电系统，初、次级线圈形状均为圆形，并采用多个初级线圈并联的方式为多个负载同时供电。测试结果显示，在系统理想谐振的情况下，该系统对多个负载同时充电的效率均能达到理想传输效率，解决了已有类似无线供电方案中充电区域不足、待充电设备间相互干扰及充电效率较低等问题。

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