微距條件下的無線傳能的實現

1 引言

　　無線通信傳送的都是微弱的信息,而不是功率較大的/能量。因此許多使用極為方便的便攜式的移動產品，都要不定期地連接電網進行充電，也因此不得不留下各種插口和連接電纜。這就很難實現具有防水性能的密封工藝，而且這種個性化
的線纜使得不同產品的充電器很難通用。如果徹底去掉這些尾巴,移動終端設備就可以獲得真正的自由。也易于實現密封和防水。這個目標必須要求能量也像信息一樣實現無線傳輸。

　　能量的傳送和信號的傳輸要求顯然不同，后者要求其內容的完整和真實，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。雖然能量的無線傳送的想法早已有之，但因為一直無法突破效率這個瓶頸，使它一直不能進入實用領域。

　　目前，這個瓶頸仍然沒有實質性的突破。但是如果對傳輸距離沒有嚴格要求(不跟無線通信比)，比如在數cm(本文稱微距)的范圍內，其傳輸效率就很容易提高到滿意的程度。如果能用比較簡單的設備實現微距條件下的無線傳能，并形成商業化的推廣應用，當今社會隨處可見的移動電子設備將有可能面臨一次新的變革。

　　2 工作原理

　　將直流電轉換成高頻交流電，然后通過沒有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實現電能的無線饋送。基本方案如圖1所示。

　　本無線充電器由電能發送電路和電能接收與充電控制電路兩部分構成。

　　2.1 電能發送部分

　　如圖2,無線電能發送單元的供電電源有兩種：220V交流和24V直流(如汽車電源)，由繼電器J選擇。按照交流優先的原則，圖中繼電器J的常閉觸點與直流(電池BT1)連接。正常情況下S3處于接通狀態。

　　圖2無線電能發送單元電路圖

　　無線充電模塊

　　當有交流供電時，整流濾波后的約26V直流使繼電器J吸合，發送電路單元便工作于交流供電方式，此時直流電源BT1與電能發送電路斷開，同時LED1(綠色)發光顯示這一狀態。

　　經繼電器J選擇的+24V直流電主要為發射線圈L1供電，此外，經IC1(78L12)降壓后為集成電路IC2供電，為保證J的動作不影響發送電路的穩定工作，電容C3的容量不得小于2200uF。

　　電能的無線傳送實際上是通過發射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實現的，這里L1與L2構成一個無磁芯的變壓器的原、副線圈。為保證足夠的功率和盡可能高的效率，應選擇較高的調制頻率，同時要考慮到器件的高頻特性，經實驗選擇1.6MHz較為合適。

　　IC1為CMOS六非門CD4069,這里只用了三個非門，由F1,F2構成方波振蕩器，產生約1.6MHz的方波，經F3緩沖并整形，得到幅度約11V的方波來激勵VMOS功放管IRF640.足以使其工作在開關狀態(丁類)，以保證盡可能高的轉換效率。為保證它與L1C8回路的諧振頻率一致。可將C4定為100pF,R1待調。為此將R1暫定為3K,并串入可調電阻RP1。在諧振狀態，盡管激勵是方波，但L1中的電壓是同頻正弦波。

　　由此可見，這一部分實際上是個變頻器，它將50Hz的正弦轉變成1.6MHz的正弦。

　　2.2 電能接收與充電控制部分

　　正常情況下，接收線圈L2與發射線圈L1相距不過幾cm,且接近同軸，此時可獲得較高的傳輸效率。

　　電能接收與充電控制電路單元的原理如圖3所示。

　　L2感應得到的1.6MHz的正弦電壓有效值約有16V(空載)。經橋式整流(由4只1N4148高頻開關二極管構成)和C5濾波，得到約20V的直流。作為充電控制部分的唯一電源。

　　由R4,RP2和TL431構成精密參考電壓4.15V(鋰離子電池的充電終止電壓)經R12接到運放IC的同相輸入端3。當IC2的反相輸入端2低于4.15V時(充電過程中)，IC3輸出的高電位一方面使Q4飽和從而在LED2兩端得到約2V的穩定電壓(LED的正向導通具有穩壓特性)，Q5與R6、R7便據此構成恒流電路I0=2-0.7R6+R7。另一方面R5使Q3截止，LED3不亮。

　　圖3無線電能接收器電路圖

　　當電池充滿(略大于4.15V)時，IC3的反相輸入端2略高于4.15V。運放便輸出低電位，此時Q4截止，恒流管Q5因完全得不到偏流而截止，因而停止充電。同時運放輸出的低電位經R8使Q3導通，點亮LED3作為充滿狀態指示。

　　兩種充電模式由R6、R7決定。這個非序列值可以在E24序列電阻的標稱值為918的電阻中找到，就用918的也行。

　　如果作為產品設計，這部分電路應當盡可能微型化(電流表電壓表只是在實驗品中調試時用，產品中不需要)，最好成為電池的附屬電路。