諧振式無線充電研究

單寶燈

摘 要：諧振式逐漸成為無線充電的熱點(diǎn)，該文針對(duì)諧振式無線充電的理論進(jìn)行研究，提出了的最大效率無線充電設(shè)計(jì)方法，并且理論推算的結(jié)果直接知道工程實(shí)踐中，器件參數(shù)的選型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論推導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法可以簡(jiǎn)單有效地制作出無線充電設(shè)備，另外該設(shè)計(jì)的計(jì)算方式，器件選型過程都可以用于工程實(shí)踐中，對(duì)設(shè)計(jì)不適合有線充電的物聯(lián)網(wǎng)低功耗設(shè)備供電也有很廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：諧振式無線充電 最大效率 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（b）-0030-03

與導(dǎo)電連接的充電方式相比，無線充電更加安全、方便，無線充電采用與電網(wǎng)電源完全隔離的方式，可靠性和安全性得到極大的提升，在很多場(chǎng)合發(fā)揮了很大作用。但是無線充電的效率比較低，一直沒有大的進(jìn)展，直到2007年MIT科學(xué)家在無線充電方面的突破研究。他們利用電磁諧振原理實(shí)現(xiàn)了米級(jí)別充電功率從幾百毫瓦提升到幾瓦，幾十瓦的級(jí)別的無線電能傳輸[1]。各大公司競(jìng)相開展無線技術(shù)的研究，成立了WPC、A4WP、PMA三大充電標(biāo)準(zhǔn)陣營(yíng)，預(yù)期發(fā)布充電功率在15～30 W之間的充電規(guī)格。無線充電效率和充電控制成為各聯(lián)盟研究的重心。

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中有各種各樣的干擾和變化，如何保證無線充電最高效率的是工程人員最關(guān)心的問題，現(xiàn)階段是無線充電前人已經(jīng)做了很多研究[2-5]，該文通過推導(dǎo)最大傳輸效率條件，得到工程推薦公式，指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。并且設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，對(duì)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 諧振式無線充電效率分析

1.1 充電原理

諧振式充電利用的磁共振原理，首先設(shè)計(jì)供電線圈的處于自諧振狀態(tài)，諧振頻率與受電線圈的諧振頻率一致，受電線圈也處于自諧振狀態(tài)，這樣整個(gè)線路的能量對(duì)供電端來說主要消耗在發(fā)射線圈處，由于頻率一致，接收線圈也最大效率的接收的發(fā)射線圈的能量。電路模型如圖1。

圖1中，主要功率傳輸時(shí)功率空心線圈Ls和Ld，空心線圈L1通過互感將能量傳遞給Ls，為了傳輸效率，Ls的半徑可以稍大，R1測(cè)量電流，Lw和R為負(fù)載，為了減少負(fù)載回路電抗對(duì)接收線圈LD自諧振頻率的影響，LW做成單匝線圈，這樣負(fù)載回路感抗極小，也不存在高頻線圈匝與匝之間的雜散電容，容抗可忽略為0，故可認(rèn)為負(fù)載回路為純電阻回路，它反射到線圈LD的阻抗即為純電阻，單匝線圈LW從線圈LD上感應(yīng)到的能量給負(fù)載RL供電，從而完成整個(gè)能量的無線傳輸。

1.2 數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化分析，文獻(xiàn)[2]給出了發(fā)生諧振耦合的兩收發(fā)線圈LS、LD進(jìn)行等效分析。圖2對(duì)圖1做等效分析，互感耦合模型如圖2所示。其中Uin為電源輸入電壓源；RS為線圈電阻，CS為高頻等效電容。LS和Cs的選擇需要滿足諧振條件。RD為負(fù)載線圈的串接電阻，CD分別為負(fù)載線圈的高頻等效電容。RL為負(fù)載電阻，LS、LD為線圈電感量；M為互感。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)上述理論分析實(shí)際制作效率最大的諧振輸電實(shí)驗(yàn)，選用輸入電源電壓為12 V的供電實(shí)驗(yàn)，依據(jù)6.78 MHz的工作頻率，來確定電源功率轉(zhuǎn)換單元的設(shè)計(jì)方案：常用AC-DC和DC-DC開關(guān)電源上使用的PWM芯片規(guī)格書，其工作頻率范圍基本在幾十kHz到幾百kHz，沒有工作頻率1 MHz以上的方案，選擇單片機(jī)stm32來生成所需要的頻率，由于常用的Mosfet工作頻率只有幾十kHz到幾百kHz，無法達(dá)到6.78 MHz，選用EPC公司最新研發(fā)設(shè)計(jì)的GaN FET功率管EPC2014，其開關(guān)頻率可達(dá)到6.78 MHz要求，其額定參數(shù)為：Vdss=40 V，Id=10 A，Rds（on）=16 mΩ，可滿足發(fā)射端主功率器件設(shè)計(jì)要求，另外選型查詢到TI的LM5113驅(qū)動(dòng)半橋GaN FET的芯片，LM5113有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，單片機(jī)的兩端直接控制LM5113的2個(gè)輸入端。死區(qū)時(shí)間控制在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)。

從式（5）可知，導(dǎo)線半徑越小，線圈匝數(shù)越多，線圈本身損耗電阻很大，而這種損耗又不可避免。所以選用粗導(dǎo)線，在保證需要的自諧振頻率情況下減少匝數(shù)，采用黃銅線以增加導(dǎo)電率，降低線圈的自身損耗，從而提高效率。在同樣的互感值下，加大線圈半徑 r，可增加傳輸距離D。因高頻功率放大電路的輸出阻抗一般為50 Ω，取線圈L1=3μH；為實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，取電阻RL≈RW= 10 Ω。按照三角形繞制制作發(fā)射線圈（如圖3）。

通過LCR儀器測(cè)量發(fā)射線圈的實(shí)際感量為2.8 uH，串聯(lián)的電容C1為470 pF，C2為268 pF時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)磁共振無線充電，此時(shí)共振線圈兩端的諧振電壓為360 V，在接收端輸出負(fù)載位置使用100 ohm的純電阻，檢測(cè)電阻兩端的電壓為15 Vdc，計(jì)算接收端的接收功率為：

在接收端接收到最大功率2.0 W時(shí)，傳輸效率為：Pout/Pin=2.0 W/6.24 W=32%

實(shí)際調(diào)試測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。

調(diào)試過程中，發(fā)射線圈配合接收線圈，需要將接收線圈與發(fā)射線圈正面相對(duì)，且兩個(gè)線圈之間的距離保持在6～10 mm時(shí)傳輸效果最佳。

將R=12 V/0.4 A=30 ，r=20 mm，n=4，RL=100 ，×10-7代入根據(jù)式（6）計(jì)算得到最佳效率的距離D=8.7 mm。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。

3 結(jié)語

該文推導(dǎo)出了有工程指導(dǎo)意義的諧振最大效率的條件，使用該條件可以直接指導(dǎo)工程實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)諧振耦合最大傳輸效率條件進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可得到與理論結(jié)果相吻合的實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)過程的參數(shù)，器件選型對(duì)工程實(shí)踐有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

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