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电压电流表线圈微距离无线充电器的设计

无线电技术用于通信,已经在全世界流行了近一百年。从当初的无线电广播和无线电报,发展到现在的卫星和微波通信,以及普及到全球几乎每一个个人的移动通信、无线网络、GPS等。无线通信极大地改变了人们的生产和生活方式,没有无线通信,信息化社会的目标是不可议的。然而,无线通信传送的都是微弱的信息,而不是功率较大的/能量。因此许多使用极为方便的便携式的移动产品,都要不定期地连接电网进行充电,也因此不得不留下各种插口和连接电缆。这就很难实现具有防水性能的密封工艺,而且这种个性化的线缆使得不同产品的充电器很难通用。如果彻底去掉这些尾巴,移动终端设备就可以获得真正的自由。也易于实现密封和防水。这个目标必须要求能量也像信息一样实现无线传输。EM773:丰宝开发精简的NXP电能计量芯片用于电能计量
当有交流供电时,整流滤波后的约26V直流使继电器J吸合,发送电路单元便工作于交流供电方式,此时直流电源BT1与电能发送电路断开,同时LED1(绿色)发光显示这一状态。

经继电器J选择的+24V直流电主要为发射线圈L1供电,此外,经IC1(78L12)降压后为集成电路IC2供电,为保证J的动作不影响发送电路的稳定工作,电容C3的容量不得小于2200uF。

电能的无线传送实际上是通过发射线圈L1和接收线圈L2的互感作用实现的,这里L1与L2构成一个无磁芯的变压器的原、副线圈。为保证足够的功率和尽可能高的效率,应选择较高的调制频率,同时要考虑到器件的高频特性,经实验选择1.6MHz较为合适。

IC1为CMOS六非门CD4069,这里只用了三个非门,由F1,F2构成方波振荡器,产生约1.6MHz的方波,经F3缓冲并整形,得到幅度约11V的方波来激励VMOS功放管IRF640.足以使其工作在开关状态(丁类),以保证尽可能高的转换效率。为保证它与L1C8回路的谐振频率一致。可将C4定为100pF,R1待调。为此将R1暂定为3K,并串入可调电阻RP1。在谐振状态,尽管激励是方波,但L1中的电压是同频正弦波。

由此可见,这一部分实际上是个变频器,它将50Hz的正弦转变成1.6MHz的正弦。

2.2 电能接收与充电控制部分
正常情况下,接收线圈L2与发射线圈L1相距不过几cm,且接近同轴,此时可获得较高的传输效率。

电能接收与充电控制电路单元的原理如图3所示。

L2感应得到的1.6MHz的正弦电压有效值约有16V(空载)。经桥式整流(由4只1N4148高频开关二极管构成)和C5滤波,得到约20V的直流。作为充电控制部分的唯一电源。

由R4,RP2和TL431构成精密参考电压4.15V(锂离子电池的充电终止电压)经R12接到运放IC的同相输入端3。当IC2的反相输入端2低于4.15V时(充电过程中),IC3输出的高电位一方面使Q4饱和从而在LED2两端得到约2V的稳定电压(LED的正向导通具有稳压特性),Q5与R6、R7便据此构成恒流电路I0=2-0.7R6+R7。另一方面R5使Q3截止,LED3不亮。

图3无线电能接收器电路图

当电池充满(略大于4.15V)时,IC3的反相输入端2略高于4.15V。运放便输出低电位,此时Q4截止,恒流管Q5因完全得不到偏流而截止,因而停止充电。同时运放输出的低电位经R8使Q3导通,点亮LED3作为充满状态指示。

两种充电模式由R6、R7决定。这个非序列值可以在E24序列电阻的标称值为918的电阻中找到,就用918的也行。

如果作为产品设计,这部分电路应当尽可能微型化(电流表电压表只是在实验品中调试时用,产品中不需要),最好成为电池的附属电路。

3 主要元器件选择

电源变压器T1:5VA18V,这里利用现有的双18V的,经整流滤波后得到约24V的直流
继电器J:DC24V,经测量其可靠吸合电流为13mA
保险管FUSE:快速反应的1A
可调电阻RP1和RP2:用精密可调的
谐振电容C8:瓷介电容耐压不小于63V
整流桥D5-D8:用高频开关管1N4148
精密电压源:TL431
运放IC3:OPA335,TI公司的轨对轨精密单运放
晶体管Q3、Q4和Q5:要求漏电流小于0.1uA,放大倍数大于200,图中已标型号
发光管LED2:普亮(红),正向VA特性尽可能陡直(动态电阻小,稳压特性好)
发送线圈L1:用U1mm的漆包线在U66mm的圆柱体(易拉罐正好)上密绕20匝,用502胶适当粘接,脱胎成桶形线圈
接收线圈L2:用U0.4mm的漆包线在同样的圆柱体上密绕20匝,脱胎后整理成密圈形然后粘接固定。这是为了使接收单元尽可能薄型化

4 调试要点

在发送单元的FUSE1回路上串入电流表,以保持监测。按以下顺序调试。

4.1 调工作频率
调PR1使F1-F2产生的方波频率与C8L1的谐振频率一致。此时电流表的读数最小,接收线圈L2所得的感应电压最大,暂不接被充电池BT2.。

4.2 调基准电压
保持L1与L2相距2cm并同轴,此时C5两端的直流电压应当有18-20V。

调RP2使其两端电压为4.15V,这就是锂离子电池的充电终止电压。改变L1与L2的间距,在0-6cm之间基准电压应当恒定为4.15V。

任何一项调试必须在保证其他条件不变的情况下进行。

4.3 调充电控制
增大L1与L2的间距(约55mm),使C5两端的直流电压降为8V。或者关掉发送单元,在C5两端接上8V的实验电源。

在运放输出高电位的情况下,将R10换成5M的电位器,由大往小调,在能保证Q4完全饱和的情况下,对其电阻的最大值取3/4,成为调定的R10。这是为了即保证控制可靠,又要尽可能省电。

4.4 调充满显示
在运放输出高电位时,保证Q3截止(LED3不亮)的前提下,R5取最大。

在运放输出低电位时,在LED3中串入电流表,调R8使电流表读数为0.5mA,此时LED3有足够的亮度(方法同4-3,目的同4-3)。

这样,接收单元的充电控制电路总耗电不到2mA。其中R4支路有1mA左右,Q3和Q4有0.5mA(Q3和Q4不会同时导通),IC2耗电更小(小于0.01mA)。

5 性能测试

应保证L1与L2附近没有其他金属或磁介质。

5.1 耦合性能
在接收单元空载(不接被充电池)情况下,保持L1与L2同轴,改变L1-L2间距,测量接收单元C5两端电压DCV。

在5cm内,充电控制电路能保证准确可靠的工作,6cm仍可充电。

5.2 充电控制
保持L1与L2同轴并固定于相距2cm,接上待充电池,并接上电压表。

断开SW,电流表读数为10mA,此为慢充电工作方式;接通SW,电流表读数为30mA,此为快充电工作方式。

当充电使电压表读数达到4.15V时,LED3熄且LED2亮,同时电流表读数为零,表明电池BT2已被充满并自动停止充电,并且显示这一状态。

测试时,被充电池可用一只20000uF电容代替,以缩短充电时间便于测试。

5.3 换能效率
仍保持L1与L2同轴相距2cm,充电器分别工作于快充、慢充和停充,测量。

5.4 电源切换
断开S1,继电器复位,由直流电源BT1供电;接通S1,继电器吸合,由交流电源供电,此时BT1被断开。

两种供电方式对以上测试结果完全相同。

S3用于两种供电方式的人工切换或强行用直流,一般处于接通状态。

6 结语

作为可行性探索实验的样机,本设计仅针对100mAh左右的小容量锂离子电池和锂聚合物电池,适用于MP3、MP4和蓝牙耳机等袖珍式数码产品。将它推广到大容量电池,并不存在原则性的障碍。当然,从实验室的样机到市场中的产品,可能还有比较漫长和艰难的工作,如电磁辐射的泄漏问题,成本控制与产品工艺,以及市场切入与消费启动等。


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