基于電場耦合的無線充電裝置

時間：2021-12-21 21:50:18

關鍵字：電場耦合無線充電功率放大 IGBT

手機看文章

掃描二維碼
隨時隨地手機看文章

[導讀]摘要：隨著無線充電技術的發(fā)展，電磁感應式無線充電器占據了市場的龍頭。對于電場耦合式無線充電，目前在國內市場極為少見。文章針對基于電場耦合原理進行簡單無線充電電路設計，采用TL494組成脈寬調制控制電路并用669、649對管和IRF740組成的功率放大電路模塊組成發(fā)電端，用TPS5430降壓轉換器組成電路充電后級穩(wěn)壓模塊。本系統(tǒng)電路的充電效率能夠穩(wěn)定在50%左右，且用實驗結果證明了電場耦合原理進行無線充電的可行性。

引言

近年來，諸多便攜式電子產品的涌現和發(fā)展，如：媒體播放器、手機和平板電腦等，促使人們對其應用便利性的提高。這些設備通常以電池來供電，傳統(tǒng)接觸式電源供電由于設備必須與供電端相連，逐漸不能滿足人們對其移動性和在特殊場合的要求。追求便利性是電子產品的設計目標，而無線輸電一直是人們追求的夢想，因此非接觸式供電的概念被提出。

迄今為止，非接觸充電方式可以分為四大類:電磁感應式、磁場共振式、電場耦合式和電磁波傳送式。本項目選擇電場耦合式來開發(fā)無線充電器，這是因為它與電磁感應式相比，位置自由度更高，并可以輕易實現一臺充電設備對多個終端進行充電；它與磁場共振式相比，構造更為簡單，制造成本更低;它與電磁波傳送式相比，可以輸出更高的功率。由于電場耦合式無線送電的特點，該類無線充電器將結構更為簡單，其對送電和受電電極的材料和形狀沒有特定的要求，將大大簡化制造過程和降低制造成本。另外，相對于其他非接觸充電方式,電場耦合式充電的發(fā)展較晚，目前在國內市場上還沒有出現同類的無線充電器產品，因此具有更大的研究空間。

電場耦合式無線充電器和電磁感應式無線充電器的關鍵技術類似：發(fā)電端、兩個極板的大小與形狀、充電端的參數設計，保證電路能量傳輸效率上升，給手機的充電效率更高。1工作原理

本系統(tǒng)通過一個TL494振蕩器產生一對反向輸入信號,通過功率放大電路進行功率放大后輸入到諧振頻率約為50kHz的高頻升壓變壓器A1升壓，連接到供電電極G，受電電極C1和供電電極C1耦合相當于一個電容，達到傳輸電能的效果，經過和A1相同型號的變壓器A2進行降壓經過整流濾波電路輸入開關穩(wěn)壓電路中，最后通過一個接口對手機的鋰電池進行供電。圖1所示是本電路各工作模塊的原理示意圖。

基于電場耦合的無線充電裝置

2電路設計

2.1發(fā)電端

(1)信號發(fā)生器

本系統(tǒng)運用圖2所示的TL494做固定頻率發(fā)生電路，頻率由TL494的5腳上的C2和6腳上的R2決定，其信號頻率為:

基于電場耦合的無線充電裝置

用示波器檢測產生的是49.05kHz的方波。本系統(tǒng)工作在46kHz?50kHz的頻段上時效率最高，且運行效果比較穩(wěn)定。

(2)功率放大

本系統(tǒng)采用兩級功率放大，設計時將TL494一對反向輸出分別接到兩對669(NPN；Fcbo=180V，払。=120V,瑚1.5A，Pw=1W)和649(PNP:Vcbo=180V，外eo=—120V,L=—1.5A,Pw=1W)中功率對管組成的推挽電路中，輸出接到后級的兩個大功率MOS管上，后級接到高頻升壓變壓器。圖3所示是本系統(tǒng)的功率放大模塊電路圖。

圖2TL494信號發(fā)生器電路圖

圖3功率放大模塊電路圖

2.2充電端

穩(wěn)壓模塊經降壓整流濾波后，可得到14.1V的有效電壓,再運用TexasInstruments公司的TPS5430芯片，前級加10nF的退耦電容，本系統(tǒng)采用高性能的CBB電容(10nF,100V),輸出電感與最大輸出電流有關,此處選擇220nH的SMD電感。輸出電壓由VSENSE腳的電阻R和R2阻值決定，由輸出電壓計算公式FOut=1.25XR1/R2，此處取R1=10kQ,R2=3.24kQ,得到七ut=5V。BOOT電容選擇10nF，捕獲二極管選擇SS36。圖4所示是其穩(wěn)壓模塊的電路圖。

基于電場耦合的無線充電裝置

2.3極板選擇

設計時可采用普通玻纖材質覆銅板，這樣比較便宜、易得、使用方便。經過試驗，在信號頻率不變的情況下，極板面積的大小對電能傳輸的效率影響并不大。極板面積大小任意選取,本電路中采用5cmX5cm的覆銅板作為傳輸極板。

3測試和試驗結果

本系統(tǒng)電路的充電效率能夠穩(wěn)定在50%左右，且用實驗進行了驗證，結果證明：采用電場耦合原理進行無線充電是可行的，表1所列是系統(tǒng)在frequency為49.05kHz下的充電數據。

基于電場耦合的無線充電裝置

和市面上所銷售的電磁感應式的無線充電器一樣，此電場耦合的無線充電器運用的也是接觸式充電電路，但是相比電感耦合之下，它的充電位置更加靈活，極板的錯位并不會大大地減低充電效益。

而本電路中所用的元器件較為常見，性能也比較普通,極板采用了常用的覆銅板進行傳輸，由于覆銅板形變，兩極板間貼合并不緊密導致效率降低，可以用介電常數較低的板材作為充電極板。此外，功率放大電路的中前級的功率管可以選擇管耗更小的對管、整流電路中選擇效率更高的整流二極管等以減少能量傳輸中不必要的損耗。

本電路的效率為50%左右，若稍作改良，效率的提高還會更加顯著。

4結語

本文介紹了一種與市面上電磁感應式原理不同的無線充電器，其電場耦合相當于電容充電的原理。在電路設計以及研究過程中發(fā)現，極板間的傳輸距離是此充電方式的一大詬病，由于間隙的存在，在極板間的功率損耗較大。本電路只是簡單地實現了基于電場耦合的無線充電器的功能，驗證了電場耦合來進行無線充電的可行性。對于電能傳輸的效率以及充電最佳頻率的選擇有待于更近一步的研究。

20211221_61c1dadfb10e6__基于電場耦合的無線充電裝置