基于電磁共振的無線充電器研究與設計

周猛 瞿齊 瞿敏驍 宋葉帆

摘 要：研究了電磁共振技術的無線電能傳輸原理，并基于此原理設計無線充電系統。以常用電子器件構成，主要由電源管理電路、發射電路、接收電路和充電電路4個電路組成。該電路采用采用交直流供電，利用有源晶振發出高頻激勵信號和丙類諧振功率放大器，傳送效率高。

關鍵詞：無線充電 電磁共振 線圈耦合

中圖分類號：TM910.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-00-02

隨著時代的發展，移動電子設備越來越普及。目前傳統的移動設備配置的電池容量有限，有限數據充電方式又過于限制使用范圍，無法滿足人們日常所需。而無線充電器采用無線充電技術，通過使用線圈之間產生的磁場傳輸電能，進行電能—磁場能—電能的轉換和傳輸，實現對手機的無接觸充電。本文基于電磁共振設計一種無線充電器，可實現一種無線的快速充電方式，同時能減小甚至避免因充電線斷裂而引發的安全問題，便于人們使用。

1 無線充電能傳輸原理

本無線充電系統設計采取電磁共振方式傳輸電能。電磁共振耦合的能量傳輸方式通常在兩個同頻率的諧振體之間產生強耦合，利用收發兩端的線圈及電容組成諧振電路，實現能量的無線傳輸。其自身消耗電能較電磁感應式無線傳輸能量非常小，有效傳輸距離也較遠。

2 電磁共振無線充電器設計

無線充電系統結構如圖1所示，采取交直流供電，通過電源管理電路得到5V直流電，經發射電路的振蕩電路和諧振功率放大器輸出至發送端線圈，與接收端線圈諧振耦合傳送能量，接收電路再通過整流、濾波和穩壓為負載供電。

2.1 電源電路

如圖2所示，通過單刀雙閘繼電器切換交直流供電。交流電常開閉合，常閉打開為交流供電，交流斷電后繼電器常閉閉合，為24V直流供電。交流供電，通過全橋整流，電容濾波，穩壓得到直流電。24V直流電通過穩壓器降壓得到直流電。

2.2 發射電路

發射電路振蕩電路和諧振功率放大電路組成，為發送端線圈提供高頻交流電。

2.2.1 振蕩電路

如圖3所示，振蕩電路采用有源晶振。有源晶振通常的用法：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接輸入電壓[2]。由于有源晶振輸出的是方波，這將引起諧波干擾，在輸出端接入積分電路，將方波轉近似轉換為正弦波。

2.2.2 諧振功率放大電路

功率放大器常采用效率較高的丙類工作狀態， 即三極管集電極電流導通時間小于輸入信號半個周期的工作狀態。為了濾除丙類工作時產生的眾多高次諧波分量， 采用LC諧振回路作為選頻網絡。當功率放大器的選頻回路與振蕩電路的頻率相同時，功率放大器發生諧振，此時線圈中的電壓電流達到最大值。

2.3 接收電路

接收電路如圖4所示，當接收線圈與發送線圈接近時，接收端產生感應電壓。接收端與發送端諧振頻率相同時，感應電壓達到最大值。實際上，發射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態時，具有最好的能量傳輸效果。

2.4 充電電路

如圖5所示，接收端線圈電壓經過全橋整流，電容濾波后，接入充電電路，三極管的基極電壓在穩壓二極管的作用下穩定為5V電壓，當電池處于充電狀態時，三級管射極電壓低于基極電壓，三級管導通，led燈亮起，表示進入充電狀態。當電池充滿時，三極管的射極電壓等于三極管的基極電壓，使三極管斷開，從而使led燈熄滅說明充電結束。

3 結語

該設計采用一種以電磁共振技術為基礎的無線充電器的電路設計方案，經過對電磁共振技術的深入分析，得到它是通過磁場的近距離的相互作用，引起接收線圈和發射線圈發生共振，從而實現能量的無線傳輸。在此的基礎的上，研究并設計出來電路的各個部分電路。

參考文獻

[1] 劉崎.淺談無線充電器的興起與發展前景[J].科技風，2014（22）：120.

[2] 丁成功，梅自強，王升鴻.無線充電器的研究與設計[J].黑龍江電力，2013，35（5）：466-467，470.

[3] 佚名.有源晶振引腳識別方法[J].電子元器件與信息技術，2017，1（6）：52-53.

[4] 姚東永，郭榮輝.丙類功率放大器負載諧振回路的學習探索[J].電子測試，2017（15）：52-53，49.

[5] 張寬，李金婧，蔣帆.基于電磁共振的無線充電器設計與驗證[J].無線互聯科技，2015（9）：31-32.