原创 简易无线供电系统设计

摘要：无线供电是一种方便安全的新技术，无需任何物理上的连接，电能可以近距离无接触地传输给负载。本文根据电磁感应原理，设计了一种简易的无线供电原型，并对其进行了一个初步的分析和探讨。该系统相当于一个分离式疏松耦合变压器，选用Ferrite芯增加其耦合效率、减少漏磁。
关键词：电磁耦合，无线供电，铁氧体

1. 引言
    通常，对手机、笔记本等移动设备的电池充电时需要一个充电器，一端连在市电电源上，另外一端连在移动设备上，频繁的插拔不但使用不便，而且容易损坏，同时也不安全。在工作环境恶劣的场合，比如水中，应该尽可能避免电气接触。有时，需要对封闭容器内的传感器等电路供电，一般采用电池。然而，电池的使用寿命毕竟有限，当电量耗尽时，将封闭容器打开更换电池是非常麻烦的事情，有时也是不允许的。
    鉴于这些情况，本文设计了一种近距离无线供电方案，无需任何物理上的连接，通过电磁场感应原理，将电能以无线的方式传输给负载。这种近距离无线供电技术有着广泛的应用前景。比如无线充电器，只需将手机、PDA等移动设备放上去，无需插拔连线就可以充电，给人们的生活带来了很大的方便。
目前，国际上对无线供电技术的研究起步不久。本文设计了一种简易的无线供电原型，并对其中一些问题进行了初步的探讨和分析。

2. 基本原理
    根据电磁感应原理，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。变压器就是基于这一原理工作的，它通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载。一般的变压器的原边和副边由闭合铁心（或其他磁性材料）连接在一起，原线圈和副线圈之间紧密耦合，不可分离。如图1(a)或图1(b)所示。
 
图1 一般的变压器（不可分离紧密耦合）

    本文提出的无线供电原理与变压器类似。但与一般变压器不同的是，它的原边和副边是分离的，没有任何物理上的连接接触，如图2所示。相对于紧密耦合的变压器来说，这种疏松耦合的结构具有相对较大的漏磁。原边和副边之间的空隙（Gap）越大，漏磁越大。为提高系统的传输效率，减少电磁辐射对人体的影响，在本系统中，Gap<6mm。
 
图2 分离式疏松耦合变压器

3. 系统构成与分析
3.1 总体结构
    图3所示是一个简易的近距离无线供电系统的结构图。其中原线圈(Primary Coil)、原磁心(Primary Core)及其控制电路构成了发射端。副线圈(Secondary Coil)、副磁心(Secondary Core)及其整流滤波、DC-DC
图3 简易无线供电系统的结构

3.2 电路分析
    图3中四个Power MOSFET Q1、Q2、Q3和Q4构成桥式逆变电路。当Q1/Q4时导通时，Q2/Q3须关断；相反，当Q2/Q3时导通时，Q1/Q4须关断。Q1/Q4和Q2/Q3的轮流开通，将直流电转变成交流电，为发射端线圈提供交变电流。开关频率f=100kHz。
    由于Power MOSFET存在着较大的输入电容，驱动电路为开关时的充放电提供了足够大的电流，保证了足够的开关速度。为了能使Q1和Q2的正常开启，其控制电压需大于DC值与MOSFET开启门限电压之和。
通过电磁场的耦合，副线圈感应出交变的电压，经过整流滤波后变为直流电压，之后再经过DC--> DC转换器，输出指定的电压值给负载供电。
    由于原线圈和副线圈的电感、耦合系数等因素的互相关联，上述电路的完整分析比较复杂，下面只进行一下简单的分析。
    在忽略线圈的分布式电容、电阻和磁芯损耗电阻等的影响下，图3的简易等效电路图如图4所示。
 
图4 简易等效电路图

    设原线圈电感L1，副线圈电感为L2，它们之间的互感为M，则耦合系数k为，
  （1）
    原边线圈电感L1被分成两部分，一部分是其漏磁电感L1,leak，另一部分是磁化电感L1,m，它们的值如图4中所示。
    根据阻抗变换规则，副边的电容C2和负载阻抗ZL等效到原边后的阻抗如图4中所示。
    为了降低损耗，增加系统的效率，原边补偿电容C1应与原线圈的漏磁电感L1,leak构成串联谐振电路。原线圈的磁化电感L1,m与副边补偿电容C2的等效电容构成并联谐振。
    根据谐振时，
 （2）

    将两组谐振电路的电容值和电感值带入公式（2）中，分别有，
 （3）
（4）
 
  公式（3）和（4）为估算电容C1和C2提供了依据，还需要与试验的方法相结合，测试出合适的值。

4. 磁性材料
    为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，增加原线圈与副线圈之间的耦合系数，同时为了减少漏磁辐射对人体的危害，图2中的原边磁心(Primary Core) 和副边磁心(Secondary Core)选用了Ferrite Pot Core，其形状和基本材料属性如图5所示。
    磁性材料可分为硬磁材料和软磁材料。其中软磁材料磁导率大，矫顽力小,磁滞损耗低，磁滞回线成细长条形状，这种材料容易磁化，也容易退磁，适用于交变磁场。
    同时还要通过磁路计算，选用的磁性材料饱和磁感应强度要大于实际的磁感应强度需求。还要注意磁性材料损耗与频率的关系特性。

图5 Ferrite Pot Core的形状和材料

    对于图5中所示的形状，缺口G处是为了线圈线引线的方便，为防止漏磁，缺口应该足够小。内圈（F）和外圈（A－E）足够大有利于增加原线圈与副线圈中心轴线不吻合时的耦合效率。

5. 结束语
    本文设计了一种简易的无线供电原型，并对电路模型、耦合结构和磁性材料等问题进行了初步的分析和探讨。由于其方便、安全等特点，无线供电技术有着广泛的应用前景。

参考文献：
[1] Sakamoto, H.; Harada, K.; “A novel converter for non-contact charging with electromagnetic coupling” ,Magnetics, IEEE Transactions on , Volume: 29 , Issue: 6 , Nov 1993 Pages:3228 - 3230
[2] “SMD Coil Formers and Cores”, technical note, Philips Magnetic Products
[3] Jie Wu, Victor Quinn, and Gary H. Bernstein, “A simple, wireless powering scheme for
MEMS devices,” Proc. of SPIE Vol. 4559, 2001.

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