一种适用于无线鼠标的无接触供电电路
Ofweek 2021-11-30

  引言

 

  目前广泛使用的无线鼠标采用电池供电。更换电池给用户带来不便。在此给出一种适用于无线鼠标的无接触供电(Contact-less Power Transfer,CPT)电路,它包括无接触供电初级电路和次级电路2部分。供电装置采用USB供电,电压为5 V,通过自激振荡电路产生138 kHz左右的高频振荡电压,经鼠标垫内置的无接触耦合初级载流线圈L31输出。无线鼠标内置次级载流线圈L32,它采用无接触感应耦合方式获取电能,再由MC34063集成稳压芯片构成BUCK稳压电路,负载电压为3.1V。

 

  1 无接触供电电路原理

 

  图1为无接触供电电路原理图。分裂电感L21,L22和功率开关管Q1,Q2构成自激推挽式变换器电路,每一个开关管的控制电压分别取自另外一个开关管的两端电压。

 

  

 

  1.1 无接触供电电路工作原理

  理想状态下,2个开关管的参数相同。初始时刻,开关管Q1,Q2都处在关断状态。当电路接通时,电源电压同时作用于开关管的控制端,使它们同时导通。由于实际电路元件参数并不完全相同,2个开关管两端的电压不相等,如Q1的端电压较低,则Q2的控制电压较低,使Q2的端电压更高,从而使Q1的控制电压更高,使Q1的端电压更低,这样就形成了正反馈,最后Q2完全关断,而Q1完全导通。随着谐振电容C3两端电压的改变,2个开关管在电压过零时交替导通和断开,系统自动运行在ZVS模式下。

  L31,L32组成无接触耦合变压器,其中C3,C4为初、次级补偿电容,初级变换器和初级载流线圈L31属于固定不动部分;次级感应线圈、次级变换器和负载为可移动部分。初、次级之间不存在电气连接。

  D1,D2和C5,C6构成升压整流电路,经L4,C7滤波后由稳压芯片MC34063构成BUCK稳压电路。

  通过数学分析建立系统模型,并用PSpiee,Proteus软件进行相关仿真分析,得到无接触电能传输设计方案。

  1.2 无接触耦合变压器工作原理

  如图2所示,次级线圈的负载近似为纯阻性负载RL。初级线圈的电流为,两端电压为,次级电流为为初级电流在次级的感应电压值,为次级电流在初级线圈的感应电压值。根据图2中给出的电路的方向,可得初级、次级回路的方程为。

 

  

 

  根据式(3),式(4),次级线圈L32等效为一个电流源。其中ω2M2/Z32称为次级反映阻抗,它是次级的回路阻抗通过互感反映到初级的等效阻抗。反映阻抗表示次级电路负载对初级电流的影响,直接反映了系统的功率传输能力。

 

  

 

  1.3 次级电路分析

  D1,D2和C5,C6构成升压整流电路。次级线圈L32等效为电流源电路,次级电流近似为正弦波。通过PSpice仿真分析,采用升压整流电路与全波整流电路相比,在额定负载条件下,无接触耦合变压器初级载流线圈L31电压峰值提高32%,带负载能力增加3倍多。

  在整个中G容量的选择至关重要。次级电容补偿电感产生的功率因数降低问题,其容量过大则次级带负载能力降低。

  为了简化分析,将G及后边的电路等效为一个电阻R、一个电容C和一个电感L并联等效,将次级载流线圈L32用一个电流源IS等效替代,则得到简化的次级等效电路如图3(a)所示。

 

  

 

  根据这个等效电路,得到KCL方程:

 

  

 

  则负载电流IR和电容C的关系可用下式表示:

 

  

 

  式中:ω表示振荡频率;Voc表示电流源IS的开路电压。根据式(6)可绘制出负载电流IR和电容C的关系曲线如图3(b)所示。

  可以看出当电容接近谐振点,负载电流最大,也即输出功率最大。

 

  2 实验结果

 

  设计输入电压Uin=5 V,Uo=3.1 V的无接触供电电路如图4所示,负载为无线鼠标电路,测试负载范围为60~273 mW。满输出负载为91 mA,273 mW,电路效率为52%,工作频率f=138 kHz。实验证明电路可行。

 

  

 

  3 结语

 

  通过理论分析建立了无接触耦合变压器模型。采用了升压整流电路,克服了低电压条件下无接触耦合次级线圈电压低的缺陷,电路具有ZVS软开关特性。经理论分析,该电路带负载能力最大可达到350 mW。由于无接触次级载流线圈L32近似为电流源,当负载增加时输出电压也随之减少,电路具备过电流自动保护功能,不需额外提供过流保护电路。

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