一种高频无线充电电路的研究和分析*

赵 安，曲立国，过劲劲

(安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241000)

一种高频无线充电电路的研究和分析*

赵 安，曲立国，过劲劲

(安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖241000)

无线充电技术早期起源于电磁感应原理，由供电线圈将电能通过电磁感应传输给接收线圈，接收线圈利用接收到的能量对蓄电池进行充电，两者之间以磁场进行能量的传输，因此充电器和用电设备之间可以做到无导线外露。介绍了一种采用XKT-801高频无线充电智能芯片作为发射充电器，通过电磁感应在接收端一定距离内接收稳定直流电压的系统，可实现对2500mAh锂电池的充电，体积小，效率高，可以设计用于便携移动用电设备的无线充电。

无线充电；电磁感应；XKT-801；高频交流信号

0 引言

随着科技的发展，传统的有线充电器在携带和充电上显得越来越不方便，无线充电器的优势得到展现。无线充电技术一旦普及，将使电子产品摆脱插座和线缆的束缚，有助于解决电气接口不同或充电器不兼容的问题，从而增强便携性、美观性以及使用的安全性。现今无线充电技术有电磁感应式、磁共振式、无线电波式，本文介绍了一种基于XKT-801芯片的无线充电系统。该系统分为发射端和接收端组成，发射端采用大功率智能无线充电芯片XKT-801设计，接收端采用XKT-3169智能充电芯片，通过电磁感应原理在发射端产生交变磁场，接收端感应电磁信号，整流后在输出端产生稳定的直流电压。

1 无线充电原理

1.1电磁感应式

电磁感应式无线充电传输系统的基本原理如图1 所示。系统由发射线圈 L1 和接收线圈 L2 组成,2个线圈组在一起构成电磁耦合感应器。发射线圈所携带的交流电产生磁场，并通过线圈耦合使接收线圈产生电压[1]。

图1 电磁感应示意图

1.2磁共振式

磁共振式也被称为近场谐振式，由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个装置的频率一致时，或者说在一个特定的频率上产生共振时，交换彼此的能量。其原理与声音的共振原理相同，排列在磁场中的相同振动频率的线圈可从一个向另一个发送能量[2]，如图2所示。

1.3无线电波式

无线电波式主要由电波发送和接收装置组成，工作原理与矿石收音机相同，发送端将能量以无线电波的形式发送出去，接收端将电波信号接收供设备使用，如图3所示。但是由于电波的发散使得效率十分低，无法将所有发送出去的电波都接收到[3]。

图2 磁共振式示意图

图3 无线电波式示意图

2 电磁感应式无线充电电路设计

根据毕奥-萨伐尔定律， 稳恒电流通过导线时在导线外一点P处产生的磁感应强度B为：

单个载流元线圈(半径为R)轴线上任一电流元Idl在P点(P点与线圈的距离为r)产生的电磁感应强度为：

显然线圈上电流元在P点所产生的磁感应强度方向各不相同，由于对称关系，垂直于轴线的分量相互抵消，平行于轴线的分量相互叠加[4]，所以

当接收线圈放置在P点，假设接收线圈面积为S，共有N匝，此时P点磁通量为：

根据法拉第电磁感应定律可得，P点线圈产生感应电动势为：

由以上公式可以得到，当发送和接收线圈距离、面积和匝数等都是常数时，接收端电压与电流的变化率成正比，即与线圈所通交流电的频率有关，频率越大，接收端电压越高。

2.1EG80100全桥逆变电路

图4 EG8010全桥逆变电路

EG8010是一款数字化的、功能完善的纯正弦波发生芯片，通过芯片产生的SPWM用来驱动全桥逆变，产生正弦波交流电压通过线圈转变为变化的电磁场，在接收端通过线圈可以接收到发送端逆变产生的交流信号，完成能量的传输，但是全桥逆变电路发热严重，能量利用率低，易损坏MOS管，电路如图4所示。

2.2TL494脉宽调制逆变电路

TL494脉宽调制逆变电路激式变换部分采用TL494芯片和2个三极管组成灌电流驱动电路，驱动2路MOS开关管，完成对输入电压的逆变，如图5所示。该电路的弊端是电路复杂，并且逆变电压太高，不利于用于实践和安全。

图5 TL494脉宽调制电路

2.3XKT-801无线充电发送电路

XKT-801无线充电电路简单，高频大功率集成电路具有精度高、稳定性好的特点。该电路由发送端和接收端组成，发送端电路如图6所示。

图6 XKT-801发送电路

发送端电路由XKT-801和XKT-1511组成，将输入电压输入XKT-81芯片后，电压检测，微调频率，使得芯片输出端输出交变的低频方波信号，当信号输送入XKT-1511芯片时进行倍频，将输入信号倍频输出高频电压信号，以提高接收端感生电动势。

接收端电路由XKT-3169芯片组成，通过电磁感应原理，在接收端的线圈处把接收到的磁场转变为交流电压，经过滤波后输入到芯片，进行整流稳压，在输出端将输出电压采样，反馈给芯片的电压检测端口，达到控制电压稳定输出的效果，如图7所示。

图7 XKT-3169接收电路

3 XKT-801无线充电电路的验证和试验

3.1无线充电电路可行性实验

当在发送端接入直流电压时，在XKT-801芯片输出端通过示波器观察，得到稳定的方波电压信号，如图8所示。

图8 XKT-801输出电压波形

XKT-801芯片输出的方波信号经过XKT-1511芯片后，进行倍频放大，在输出端得到频率为145 kHz的低压半波正弦信号，达到高频输出的效果，如图9所示。

图9 发送端线圈电压波形

通过电磁感应，在接收端产生一个相应的高频电压波形，如图10所示。通过滤波，在XKT-3169输出端产生稳定的直流电压。

图10 接收端电磁感应电压波形

3.2充电系统的效率实验

3.2.1空载实验

在输出端不接入负载时进行无线充电电路的空载实验，实验数据如表1所示。

通过实验数据可以看出来，当电路空载时，输入端输入功率变化不大，输出电压保持稳定，如图11、12所示。

表1 无线充电电路的空载实验数据

图11 无线充电电路空载效率曲线

图12 无线充电电路空载输出电压曲线

3.2.2负载实验

在无线充电电路的直流电压输出端接入2 500 mAh锂电池进行带负载充电实验。实验数据如表2所示。

由数据可以得到，在一定范围内电路的输出电压和输入输出功率保持稳定，当超出范围后平滑变化，如图13所示，带负载输入输出功率曲线如图14所示，充电效率在一定范围内保持相应稳定，如图15所示。

表2 无线充电电路带负载

图13 无线充电电路输出电压曲线

图14 无线充电电路输入输出功率曲线

图15 无线充电电路效率曲线

4 结论

本文主要介绍了无线充电技术的原理，并对电磁感应原理进行分析得出无线充电发送端交流信号频率与接收端感应电压成正比，进而得出新型智能高频无线充电芯片XKT-801电路在无线充电上的优势。通过实验得出的数据和图表可以看到,当发送端和接收端距离为3.5 cm时，该充电电路的效率和输出都能得到稳定，可以用于一些智能设备的无线充电，能够实现安全、方便和高效。

[1] 姚晓平.电能无线传输应用方案[J].制造业自动化,2011,33(12):62-65.

[2] KARALIS A, JOANNOPOULOS J D, SOLJAIIM. Efficient wire-less non-radiative mid-range energy transfer[J]. Annalsof Physics, 2008，323(1): 34-48.

[3] 林桂江.无线传能技术的发展与展望[J].信息工程,2016,26(3):5-6.

[4] 刘刚,郑青玉,王德钊. 一种基于电磁感应的无线充电方法[J]. 北京信息科技大学报,2013,28(2):51-54.

2017-04-27)

赵安(1995-)，男，本科，主要研究方向：智能控制。

曲立国(1970-)，通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：智能信息处理和智能控制。E-mail：qlg77@163.com。

过劲劲(1995-)，男，本科，主要研究方向：智能控制。

Research and analysis of high frequency wireless charging circuit

Zhao An, Qu Liguo, Guo Jinjin

(School of Physics and Electronic Information, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China)

Wireless charging technology originated from the principle of electromagnetic induction in the early days.The electric energy is transmitted to the receiving coil by electromagnetic induction from the power supply coil.The receiving coil uses the

energy to charge the battery.The energy transfers between the two magnetic fields.Therefore, there is no wire exposure between the charger and the electrical equipment.This paper introduces a XKT-801 high frequency wireless charging smart chip as the launch charger.Through the electromagnetic induction, the system receives stable DC voltage at a certain distance within the receiving end, which can realize the charging of the 2 500 mAh lithium battery, with small volume and high efficiency，and can be designed for portable mobile power equipment wireless charging.

wireless charging; electromagnetic induction; XKT-801; high frequency AC signal

TM724

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.014

赵安，曲立国，过劲劲.一种高频无线充电电路的研究和分析J.微型机与应用，2017,36(22)：49-52,57.

安徽师范大学大学生创新创业训练计划项目资助(201610370167)