電能接收與充電控制部分
無線充電器設(shè)計分享,BOM清單也全齊了!
發(fā)布時間:2015-06-09 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】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(chǎn)品,都要不定期地連接電網(wǎng)進(jìn)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(xiàn)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(chǎn)品的充電器很難通用。如果徹底去掉這些尾巴, 移動終端設(shè)備就可以獲得真正的自由。如何做呢?
線電技術(shù)用于通信,已經(jīng)在全世界流行了近一百年。從當(dāng)初的無線電廣播和無線電報,發(fā)展到現(xiàn)在的衛(wèi)星和微波通信,以及普及到全球幾乎每一個個人的移動通信、無線網(wǎng)絡(luò)、GPS等。無線通信極大地改變了人們的生產(chǎn)和生活方式,沒有無線通信,信息化社會的目標(biāo)是不可議的。然而,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(chǎn)品,都要不定期地連接電網(wǎng)進(jìn)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(xiàn)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(chǎn)品的充電器很難通用。如果徹底去掉這些尾巴, 移動終端設(shè)備就可以獲得真正的自由。也易于實現(xiàn)密封和防水。這個目標(biāo)必須要求能量也像信息一樣實現(xiàn)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(nèi)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(jìn)入實用領(lǐng)域目前,這個瓶頸仍然沒有實質(zhì)性的突破。但是如果對傳輸距離沒有嚴(yán)格要求(不跟無線通信比),比如在數(shù)cm(本文稱微距)的范圍內(nèi),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(shè)備實現(xiàn)微距條件下的無線傳能,并形成商業(yè)化的推廣應(yīng)用,當(dāng)今社會隨處可見的移動電子設(shè)備將有可能面臨一次新的變革。
工作原理
將直流電轉(zhuǎn)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(xiàn)電能的無線饋送?;痉桨溉鐖D1所示。
本無線充電器由電能發(fā)送電路和電能接收與充電控制電路兩部分構(gòu)成。
電能發(fā)送部分
如圖2,無線電能發(fā)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(yōu)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(tài)。
無線充電模塊
當(dāng)有交流供電時,整流濾波后的約26V直流使繼電器J吸合,發(fā)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(fā)送電路斷開,同時LED1(綠色)發(fā)光顯示這一狀態(tài)。經(jīng)繼電器J選擇的+24V直流電主要為發(fā)射線圈L1供電,此外,經(jīng)IC1(78L12)降壓后為集成電路IC2供電,為保證J的動作不影響發(fā)送電路的穩(wěn)定工作,電容C3的容量不得小于2200uF。
圖2無線電能發(fā)送單元電路圖
電能的無線傳送實際上是通過發(fā)射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實現(xiàn)的,這里L(fēng)1與L2構(gòu)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(yīng)選擇較高的調(diào)制頻率,同時要考慮到器件的高頻特性,經(jīng)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,F(xiàn)2構(gòu)成方波振蕩器,產(chǎn)生約1.6MHz的方波,經(jīng)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(guān)狀態(tài)(丁類),以保證盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。為保證它與L1C8回路的諧振頻率一致??蓪4定為100pF,R1待調(diào)。為此將R1暫定為3K,并串入可調(diào)電阻RP1。在諧振狀態(tài),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(zhuǎn)變成1.6MHz的正弦。
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電能接收與充電控制部分
正常情況下,接收線圈L2與發(fā)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(yīng)得到的1.6MHz的正弦電壓有效值約有16V(空載)。經(jīng)橋式整流(由4只1N4148高頻開關(guān)二極管構(gòu)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(gòu)成精密參考電壓4.15V(鋰離子電池的充電終止電壓)經(jīng)R12接到運放IC的同相輸入端3。當(dāng)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(wěn)定電壓(LED的正向?qū)ň哂蟹€(wěn)壓特性),Q5與R6、R7便據(jù)此構(gòu)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(dāng)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(jīng)R8使Q3導(dǎo)通,點亮LED3作為充滿狀態(tài)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(biāo)稱值為918的電阻中找到,就用918的也行。如果作為產(chǎn)品設(shè)計,這部分電路應(yīng)當(dāng)盡可能微型化(電流表電壓表只是在實驗品中調(diào)試時用,產(chǎn)品中不需要),最好成為電池的附屬電路。
主要元器件選擇
電源變壓器T1:5VA18V,這里利用現(xiàn)有的雙18V的,經(jīng)整流濾波后得到約24V的直流繼電器J:DC24V,經(jīng)測量其可靠吸合電流為13mA,保險管FUSE:快速反應(yīng)的1A,可調(diào)電阻RP1和RP2:用精密可調(diào)的,諧振電容C8:瓷介電容耐壓不小于63V,整流橋D5-D8:用高頻開關(guān)管1N4148,精密電壓源:TL431,運放IC3:OPA335,TI公司的軌對軌精密單運放,晶體管Q3、Q4和Q5:要求漏電流小于0.1uA,放大倍數(shù)大于200,圖中已標(biāo)型號,發(fā)光管LED2:普亮(紅),正向VA特性盡可能陡直(動態(tài)電阻小,穩(wěn)壓特性好),發(fā)送線圈L1:用U1mm的漆包線在U66mm的圓柱體(易拉罐正好)上密繞20匝,用502膠適當(dāng)粘接,脫胎成桶形線圈,接收線圈L2:用U0.4mm的漆包線在同樣的圓柱體上密繞20匝,脫胎后整理成密圈形然后粘接固定。這是為了使接收單元盡可能薄型化。
調(diào)試要點
作為可行性探索實驗的樣機(jī),本設(shè)計僅針對100mAh左右的小容量鋰離子電池和鋰聚合物電池,適用于MP3、MP4和藍(lán)牙耳機(jī)等袖珍式數(shù)碼產(chǎn)品。將它推廣到大容量電池,并不存在原則性的障礙。當(dāng)然,從實驗室的樣機(jī)到市場中的產(chǎn)品,可能還有比較漫長和艱難的工作,如電磁輻射的泄漏問題,成本控制與產(chǎn)品工藝,以及市場切入與消費啟動等。
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