一种稳定的电源延时开关电路设计

文/覃毅艺 刘咏平

小型化的电子产品已经和我们的日常紧密联系在一起，比如移动电话，智能手表，音乐播放器，平板电脑等。电子产品出于低功耗设计，都希望电源开关能处于一种稳定可靠的状态，不容易被外界的电磁辐射、物理应力、异常触碰等因素的影响导致误操作。因此，需要一种稳定的延时电路来实现，只有持续一定时间按压开关的时候，才会激活导通电源电路，使电子产品开机。本文就是提出一种实现该功能的电路设计。

1 技术方案内容

1.1 基础原理分析

如图1所示，以此为基础，根据不同的电流分布，通过数学的方法可以求解以下两种特殊模型的电流磁场：

1.1.1 亥姆霍兹线圈模型

如图2所示，赫姆霍兹线圈模型是一对间距等于半径的同轴载流圆线圈。P点为线圈轴线上任一点，两个线圈在P点产生的磁感应强度B1、B2，分别为：

其中，N为线圈匝数，R为线圈半径，X为P到Q点的距离。

图1

则，P点磁感应强度为为：

将偶函数B(X)在X=0点进行泰勒展开，其奇数项均为零

当X=0时，B（X）二阶导数 =0，上式右边只有常数项B(0)和四阶无穷小项。

由此得到亥姆霍兹线圈中轴线附件的磁感应强度为：

即当两线圈的平行距离等于半径时，磁感应强度B在两线圈之间中轴线附近是均匀的，该值与线圈半径成反比，与线圈匝数和电流强度成正比。在电流和匝数一定的条件下，半径越小，轴线上相同位置的磁场越强。但是在实际应用中，受限于应用空间的需求，半径太小是没有实用意义的，而电流和匝数则受阻抗和发热所限制，所以亥姆霍兹线圈的磁场特点是均匀性好，但是磁场强度较弱。

1.1.2 密绕螺旋线圈模型

如图3所示，假设线圈长度为L，匝数为N的密绕线圈，可忽略螺距，半径为R。

在螺线管上距离原点O为l处取一小段dl（含ndl匝线圈），如图4所示，ndl匝线圈在P点磁场强度为：

图2

图3

所以：

对于密绕螺旋线圈，在一定匝数和电流强度下，线圈轴线上的磁场强度与位置有关，与线圈半径无关，有较好的对称性，不受空间半径的限制，但是总体分布不均匀，呈现的是两头磁场强度弱，中心磁场强度高的趋势。在高频情况下，密集绕线会增加电感量，导致线圈阻抗变大、电流减小，不利于电能磁能的高效转换。通过增加输入功率，可以提高电流的大小，但是在转换效率不高的情况下，会带来一定的热阻效应及散热问题。

图4

图5

1.2 技术方案设计

1.2.1 线圈模型设计

由以上两种模型的分析可见，为了满足磁场强度高且均匀性好的设计要求，必须通过一定的绕线方式来兼容两种模型的优点，以提高电磁能的转换效率，产生高强度、高均匀性的磁场，使得处在线圈内不同位置的多个目标可以同时并快速的充满电。

通过实验测试发现，本设计采用类似附图5的所示的并联绕线方式可以获得场强较强且均匀的磁场。其模型等效近似于亥姆霍兹线圈的密集螺旋线圈，具体的缠绕方式为：

使用导电性能良好的金属材料导线，如铜线、铝线等，并联且相间地绕在绝缘支架腔体上，形成并联的螺旋线圈，线圈疏密和长度适当，同一组线圈的线间距为10mm至50mm之间，相邻的并联线圈的线间距为5～7mm之间。线圈整体设计为：长在100mm～300mm之间，宽在90～100mm之间，高在6mm～8mm之间。根据亥姆霍兹线圈的特点，尽量缩减截面面积，可以根据充电目标的外观形状而适当改变线圈的形状，例如圆形、方形等，以达到减小充电线圈与充电目标的感应线圈之间的面积比的目的。

此类并联绕法的特点：

（1）对于同组线圈：间距较大（越接近线圈半径），近似亥姆霍兹线圈的特点，均匀性好,匝数少，电感量小，阻抗小。

图6

（2）对于N组的并联线圈：匝数增加，磁场增大；并联电流分流到各线圈，解决热阻效应和散热问题，转换效率高，通过增加输入功率可以弥补电流分流带来的磁场削减。理论上，为了增加同时充电目标的数量，增加并联线圈的组数时，只需要增加输入功率来弥补电流分流带来的磁场削减即可。

将线圈绕好后，将并联线圈同时接入功放的同一个输出端口，线圈通过匹配电路与功放形成谐振，从而提高功放的的输出效率。

1.2.2 测试验证

本实验将100个电子卡片(内置无线感应线圈、充电电路和3.3V锂电池)电量放电至3.2V以下，放入设计线圈的内部磁场，30分钟后取出测试验证数据如图6所示。

图表中每个点代表一张电子卡片，下方的曲线代表放电后的初始电量，上方的曲线代表放入内部磁场30分钟后取出测试的电量，从数据可得，30分钟内，所有点电子卡片已全部充满电。

2 结论

本文给出了一种能够在一定空间区域内产生均匀度好、场强强度高的电磁场的方式，能够为放置于改区域内的目标提供能量。