车载手机无线充电器设计

梁国祥

（宁德师范学院 信息与机电工程学院，福建 宁德 352100）

随着各种电子产品渐渐丰富，人们对电子设备的续航要求、充电速度和充电手段提出了新的要求.目前多数电子产品是有线充电，这种充电方式离不开充电器，而且还存在数据线浪费的现象.而无线充电的便捷性日益获得人们青睐，使相关技术得以迅速发展和推广.日本村田公司于2007 年研发了一套无线充电系统[1,2]，其传输功率可达12 W，转换效率可达65%.诺基亚公司于2012年发布了一款无线充电手机[1,2]，美国的Mojo Mobility 公司也在同年发布了一款无线充电产品，该产品可以提供2.5 W 的功率，并可以同时为4 台电子设备充电，且效率高达60%.三星公司推出一款仅适用三星品牌手机的无线充电器[3].近些年来，国内的科技工作者也开展了无线充电技术的研究，使得无线充电应用于手机等小型设备的研究技术日渐成熟.例如国内的品胜公司，推出了一款无线充电器（QWD0001）[4]，该无线充电器的输入电压为5 V，输入电流为1.5 A，输出电压为5 V，输出电流为1 A，理论上无线转化效率为60%，可适用于市场上大多数品牌手机.但是截至目前，国内的手机无线充电器还没有被广大消费者所接受[5,6]，原因主要有两方面：一是技术不太成熟；二是无线充电器比有线充电器市场价格更高.

本文主要的研究内容有以下几个方面：1）设计了车载手机无线充电系统的主电路，确定了电磁线圈的一些参数与计算方法，提供了效率计算公式.2）详细设计了整流滤波稳压模块、谐振线圈、线圈驱动模块、线圈接收模块.3）在实验的基础上研究了无线传输系统的传输效率和传输特性等，并验证了车载手机无线充电器的性能.

1 车载无线充电系统设计

磁耦合谐振方式是无线电能传输技术中的研究热点，原因在于该方式适用于中等偏短距离的无线电能传输，传输功率较高[7].鉴于此，本文设计了磁耦合谐振方式的车载无线充电器.系统结构框图如图1 所示，工作原理是：车载提供12 V 的直流电压，加在LM139 芯片上从而产生156 kHz的方波，高频方波驱动4个场效应管，经逆变电路将直流电转变为交流电，加载在发射线圈上，实现发射模块的功能.无线接收方由接收线圈、整流电路和稳压滤波电路组成.发射线圈、接收线圈构成谐振电路，使二者工作频率相等，即产生同频的交变磁场，从而将发射线圈的电能以电磁波的形式向接收线圈传播，最终为负载提供所需直流电.

图1 车载无线充电系统结构图

2 有关参数设计分析

车载无线充电系统中的每一个参数都会影响整个系统的性能.本文运用电路原理[1,2]对各个参数逐一进行分析和确定.

1）频率f.频率计算式为

R、L、C元件参数决定了谐振频率f0，且当电路和电源谐振频率相一致时会产生共振效应.根据能量关系，若谐振电路正常工作时，电场和磁场能量会以无功功率的形式在电感和电容中流动.

2）耦合系数k.耦合系数k用于衡量收发线圈间的耦合距离，这里将k设定为理想化值0.5.即

式（2）中，M为互感.

3）品质因数Q.品质因数一般指储能元件存储能量与耗散能量的比值，在高频电路中，品质因数越高，电阻越小，谐振电路谐振点的电流越大，电路的信号选择性越好.如图2所示，本文选择了串-串谐振拓扑结构作为研究对象，并将发射、接收端线圈的品质因数分别定义为Q1、Q2，即有

图2 串-串谐振拓扑结构

式中：L1、L2分别为收发线圈的等效电感；R1、R2分别为收发线圈的内阻；RL为负载电阻；ω为谐振角频率.系统的传输效率η计算式为

将式（3～6）带入式（2）中，可得耦合系数为

无线传输系统效率η随着品质因数Q1、Q2的增大而增大，当Q1=Q2时，效率η达到最大.已知k=0.5，根据式（7）得到Q1=Q2=2.因此，系统传输效率为

4）确定阻值.设计中收发线圈采用铜芯直径为1 mm 的漆包线绕制而成，内阻不宜过大且需满足谐振条件，故设定R1=R2=0.01 Ω，负载电阻RL过大会使传输效率降低，令RL=10 Ω.

5）收发线圈的等效电感L和并联补偿电容C.L与C共同决定线圈的谐振频率f0，本设计中首先确定驱动频率f和耦合系数k，进而由k确定Q值，3 个阻值已假定，驱动频率f已选择为156 kHz，由式（3）、式（4）可得L1=L2=98.1µH，再由式（1）可计算得到C1=C2=0.01 mF.

3 电路仿真与设计

3.1 电路仿真

3.1.1 发射模块设计 发射回路主要由4个MOSFET场效应管构成的全桥逆变电路、LC串联回路、发射线圈Mutual Inductance1组成.其中MOSFET 的驱动由芯片LM139外接固定电阻与电容的多谐振荡器电路提供，如图3中Subsystem1模块所示.驱动电路Subsystem1的4个输出中Out1、Out3为第一组同频同向的方波，Out2、Out4为第二组同频同向的方波，两组电平互补，可以实现上下桥臂分时导通.

图3 全桥逆变电路

测量逆变电桥输出侧，波形如图4所示.由图4可知，直流电压12 V逆变为频率高达150 kHz的高频交流信号.

图4 全桥逆变电路输出波形

3.1.2 接收模块设计 接收模块由整流电路、滤波和稳压电路组成，仿真模型如图5所示，接收到的交流电压波形图如图6所示.图6与图4对比可知，接收端与发射端交流电波形图一致.通过PI控制跟踪输出电压，实现直流电的输出，负载侧电压输出波形如图7所示，由图可知在0.05 s左右电压趋于稳定，数值为5 V.

图5 接收模块电路

图6 接收端交流电压波形图

图7 负载侧电压输出波形图

3.2 电路测试

车载手机无线充电器实物测试如图8所示，其中直流车载电压采用12 V电源适配器代替，手机作为负载.

图8 实物测试

3.2.1 有效无线距离测量 测定方法如下：首先在手机不接入无线充电器的情况下,并保证发射线圈、接收线圈处于相同的水平面，然后改变二者之间的线性距离，并测量接收线圈的输出电压，其测量结果如图9所示.

图9 距离/输出电压折线图

根据图9 所示，发射和接收线圈距离在2 cm 以内时，输出的电压最大；距离超过2 cm 时，输出电压随着收、发线圈间距的增加逐渐降低，且电压降低的变化率较大；随着间距的进一步扩大，电压继续降低至零，此过程电压的变化率较低.

3.2.2 无线充电器效率测试 将手机接入无线充电器，并保持收发线圈间距为1 cm，测定此时的无线充电各项参数，如表1 所示.此外，保持发射线圈的输入电压为12 V，测试此时手机作为负载的输出电压、输出电流，再根据功率公式得到此时的接收端功率如表2 所示.由于车载手机无线充电器的充电效率技术指标约为40%～50%[8]，故本设计是可行的.

表1 两线圈距离为1cm时的无线充电数据

表2 系统输出效率

4 小结

本文设计了一种基于电磁耦合谐振技术的手机无线充电器，采用LM139方波信号发生器作为逆变电路的驱动信号.通过仿真验证了设计的可行性，并对实际电路的充电效率进行了测试，研究了发射线圈与接收线圈间距对输出电压的影响.在此基础上可进一步研究线圈材料精度、品质因数、电路元件精度与充电效率的影响.