【正文】 這幾乎是穩(wěn)壓器的共性，包括 LDO等也有這一現(xiàn)象。COUT用來輸出濾波 以及提高環(huán)路的穩(wěn)定性。 4） 輸出端電容 COUT： 推薦使用 1μF470μF之間的低 ESR的鉭電容。3） 儲(chǔ)能電感： 最好根據(jù) datasheet中的電感選擇曲線，要求有高的通流量和對(duì)應(yīng)的電感值，也就是說，電感的直流通流量直接影響輸出電流。 最好 不要選用瓷片電容， 將會(huì) 會(huì)造成嚴(yán)重的噪聲干擾 。 LM2576外圍元件的選擇： 1） 輸入電容 CIN： 要選低 ESR的鋁或鉭電容作為旁路電容，防止在輸入 端出現(xiàn)大的瞬態(tài)電壓。 LM2576的管腳 介紹： 1） VIN輸入電壓端，為減小輸入瞬態(tài)電壓和給調(diào)節(jié)器提供開關(guān)電流，此管腳應(yīng)接旁路電容 CIN； 2） OUTPUT穩(wěn)壓輸出端，輸出高電壓為（ VIN－ VSAT），輸出低電壓為； 3） GND電路地； 4） FEEDBACK反饋端； 5） ON/OFF控 制端，高電平有效，待機(jī)靜態(tài)電流僅為 75181。 LM2576的特性如下： 1）有 、 5V、 12V、 15V和可調(diào)電壓輸出多種系列 ，滿足各種壓降的需求 ； 2）輸出電壓可調(diào)的范圍為 ～ 37V (HV型號(hào)的可達(dá) 57V)，負(fù)載電壓的輸出容差最大為 177。這些器件的固定輸出電壓有 ， 5v， 12v， 15v，還有可調(diào)整的輸出型號(hào)，而我 們需要 5v的直流壓降，符合本電路的設(shè)計(jì)要求，所以選用此款芯片。經(jīng)過這一系列的整流濾波后，我們就得到了比較穩(wěn)定的 24v直流電，此壓降用來驅(qū)動(dòng)由 LM2576芯片構(gòu)成的三端穩(wěn)壓集成電路正常工作，也就能在輸出端獲得穩(wěn)定的 5v壓降，獲得的 5v壓降還可以提供給 NE555，使其正常工作。 由于 在切換 供電狀態(tài) 時(shí)，時(shí)間 很 短， 電容 C1還 可提供一定時(shí)間的電量， 這樣就 可以 很簡(jiǎn)單地 實(shí)現(xiàn)不 斷 電 式 切換， 也就 不 對(duì) 充電 造成不利的影響 。它將原理圖繪制、電路仿真、 PCB設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、 FPGA及邏輯器件設(shè)計(jì)等完美融合，為用戶提供了全面的設(shè)計(jì)解決方案，是電子線路設(shè)計(jì)人員首選的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。 在電路的設(shè)計(jì)過程中，采用簡(jiǎn)單易學(xué)、器件庫(kù)龐大、功能強(qiáng)大的 Protel DXP 2021此款硬件電路設(shè)計(jì)軟件。 無(wú)線充電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案是上述 論證 的整合 ，下面將詳細(xì)得介紹能量發(fā)射單元與能量接收單元的構(gòu)造與原理。 綜上所述，為 了實(shí)現(xiàn)同效率下耗能小、成本低，所以選擇方案 2的器件搭建功放電路 。 能量發(fā)射端的功放電路 方案 1：采用大功率開關(guān)三極管作為功放元件，但 是由于 管耗較大，需要大面積的散熱片 提供保護(hù) ， 導(dǎo)致 成本較高。 而且 頻 率在一定的 范圍 內(nèi)可 調(diào) ， 設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單 而且 省電。 能量發(fā)射單元的振蕩電路 方 案 1：使用晶 體管 構(gòu)建 振蕩 電路 ， 雖然 可以 產(chǎn)生 穩(wěn)定 的 準(zhǔn)備工作 頻 率， 但由于電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，而且設(shè)計(jì)好的電路 頻 率不可 調(diào) 。 其優(yōu)點(diǎn)是 功率大，內(nèi) 阻 小， 電耗比較小， 缺 點(diǎn)是 存 在 切換 噪聲 。 器件選擇方 案 2：采用 繼 電器， 繼電器是一種電子控制 器件 ，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制 電路中，它實(shí)際上 就 是用較小的電流去控制較大電流的一種 “ 自動(dòng)開關(guān) ” 。如果把二極管換成晶閘管，就可以構(gòu)成可控整流電路、逆變、 電機(jī) 調(diào)速、電機(jī)勵(lì)磁、無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)及自動(dòng)控制等方面。 設(shè)計(jì)方案論證 供電電源的切換 器件選擇 方 案 1：采用晶 閘管 ，由于 普通晶閘管最基本的用途就是可控 整流 。在充電的過程中，接收線圈得 到交變電流，然后通過整流回路、平滑濾波回路、穩(wěn)壓 得到 所需的穩(wěn)定直流。第四章 無(wú)線充電系統(tǒng)的方案論證 23 第 4章 無(wú)線電系統(tǒng)的方案論證與實(shí)現(xiàn) 無(wú)線充電電路的方案設(shè)計(jì) 無(wú)線充電器的 理論分析 本無(wú)線充電器由能量發(fā)送單元和能量接收單元兩大部分組成，能量發(fā)送端可用市電和直流電源供電，具有交流優(yōu)先和交直流自動(dòng)切換的功能 。同樣濾波回路中必然有電 能的損耗。不難理解，在電流從交流轉(zhuǎn)換成直流的過程中，首先經(jīng)過整流電路，如利用橋式整流，雖然利用橋式整流電路可以輕而易舉的將交變的電流變成直流，但它的主要缺點(diǎn)是使用的二極管的數(shù)量較多，由于二極管 自 身的結(jié)電壓 和正 向電阻，使得整流電路內(nèi)阻較大，當(dāng)然損耗也較大。減小電 能 的損耗，可以從兩個(gè)方面采取措施， 一 方面，通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，盡量減小 電能的損耗；另一方面，在系統(tǒng)允許的情況下，加大發(fā)送端的供電電 壓 ，相對(duì) 于很大的發(fā)送端電 壓 ，通過驅(qū)動(dòng)電路時(shí)的壓降小，即電能的損耗占的比重小，同樣可以提 高 系統(tǒng)的充電效率。關(guān)于驅(qū)動(dòng)電路的電能損耗問題。 從發(fā)送端的角度，主要考慮線圈 驅(qū)動(dòng)電路中電能的損耗。由于該振蕩頻率的選取受非確定因素的影響，因此該頻率的選取一般需要通過試驗(yàn)的方法得到。接收線圈( 0C? 和 0L? )影響電壓、電流相位變化，因此，關(guān)于 C1的確定應(yīng)考慮接收線圈的影響，電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 有必要 使 接收線圈 Q值損失成為最小。 但是，有必要考慮發(fā)送、接收線圈的相關(guān)關(guān)系容量 0C? 及 0L? 。 AB之 間 的等價(jià)式 (發(fā)送端 與 接收端總的阻抗計(jì)算式 ) 0 0 01 0 11 1 1Z R j L j Cj C j L j L??? ? ??? ? ? ? ? ??? 式子 313 CD之間產(chǎn)生的電壓 (V1) 0 1 0 1()V V I R I Z Z? ? ? ? ? ? 式子 314 相 對(duì)電流值 I，發(fā)送線圈、接收線圈同等。關(guān)于 0C? 、 0L? ，則主要考慮由環(huán)境兩變化的特點(diǎn)。 對(duì)于發(fā)送線圈、接收線圈的傳送效率，則是由以上述等價(jià)電路的 L0、 R0、 LR 結(jié)合容量 0C? 及線圈之 間 的 相 互結(jié)合感應(yīng) 器 0L? 來決定 。 Q值越高，意味著相對(duì)于存儲(chǔ)的能量 而 言，所需付出的能量消耗越少，即諧振電路儲(chǔ)能效率越高。在交流電的一個(gè)周期內(nèi)，假設(shè)電阻元件損耗的熊量為 RW ，諧振電路電感和電容元件中儲(chǔ)存的總能量為 sW ， 則 RW 與 sW 之比反應(yīng) 了諧振電路儲(chǔ)能的效率。在發(fā)射線 圈 瑞 ， 電容 1C 和電感 0L 兩類元 件 同時(shí)出現(xiàn)在發(fā)射端電路中，如果滿足 如下： 0 11L C? ?? 式子 37 就會(huì)產(chǎn)生振蕩。共振頻率條件為：振幅最大，且 V 與 I 的相位差等于 O。根據(jù)論文所要設(shè)計(jì)的無(wú)線充電系統(tǒng)，抽象出線圈電極的等效電路，如 圖 34系統(tǒng)等效電路，其中 C? 和 L? 是 根據(jù)環(huán)境而變化的介電質(zhì)，環(huán)境是指空 間 距離及 系統(tǒng) 所受的影響。預(yù)先將導(dǎo)線擰制成多股線的目的是為了減少相鄰導(dǎo)線之間產(chǎn)生的寄生電容以減少損耗。為了將線圈的面積縮 小到 可以裝入便攜式設(shè)備的程度， 這類 無(wú)線充電系統(tǒng)的發(fā)射和接收線圈都采 用細(xì) 導(dǎo)線。但是，這時(shí)在卷繞同樣圈數(shù)的 情況下面積將增大，難以裝入便攜式設(shè)備中。 水平距離 垂直距離 傾斜角度 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 圖 33 線圈位置關(guān)系 發(fā)送和接收線圈的導(dǎo)線材料和卷繞方法進(jìn)行改進(jìn)，同樣也是影響傳輸效率的 因素。 因此可以采取措施，使兩個(gè)線圈所處的位置偏差小于 6mm，當(dāng)能夠滿足足夠的效率， 發(fā)光二極管 才點(diǎn)亮，充電系統(tǒng) 才能 下常工作，否則不進(jìn)行能量的傳輸以免造成能量的損失。當(dāng)發(fā)射線圈的中心軸和接收線圈中心軸的位置一致時(shí)，發(fā)射端對(duì)于接收端的電能供給效率 最 高。屬于近場(chǎng)能量耦合。線圈位置關(guān)系如圖 33，對(duì)于發(fā)射、接收線圈的位置關(guān)系要求如下：在垂直距離上，發(fā)射線圈和接收線圈的距離應(yīng)盡可能的小，因?yàn)榘l(fā)射線圈和接收線圈之問的空隙越來，漏磁越大。 形狀的選取，由于發(fā)射、接收線圈分別集成在充電臺(tái)端和電子設(shè)備端，因此 可設(shè)計(jì)為圓形多匝的銅質(zhì)線圈，覆蓋輕質(zhì)非磁性橡膠或塑料薄層材料。通過上面的原理分析可知，能量的無(wú)線傳輸主要是通過線圈間的耦合來實(shí)現(xiàn)的。 為了提高系統(tǒng)的傳輸效率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用特殊的耦合線圈，即空芯對(duì)空芯的線圈。另外，全部箱體可在所有軸上獲得屏蔽特性，這樣就可以保證最好的屏蔽性能 。每當(dāng)有可能，屏蔽體應(yīng)與所有壁靠近，以避免場(chǎng)泄漏。但是，設(shè)計(jì)屏蔽體的目的是使其包絡(luò)試圖屏蔽的組件和空間，并應(yīng)該靠得很近。另外屏蔽體的尺寸在屏蔽效率和成本方面的重要性極大。類似地，對(duì)于包容己進(jìn)入屏蔽材料的磁力線并改變其方向，圓角要比尖角好一些。是困難的。在實(shí)際應(yīng)用中，所給定屏蔽體的實(shí) 際 形狀由器件結(jié)構(gòu)和屏蔽體自身的可利用空間所決定。下面簡(jiǎn)要介紹一下有關(guān)磁屏蔽的設(shè)計(jì)。 實(shí)驗(yàn)表明，增加磁屏蔽也可以提高系統(tǒng)傳輸充電效率。因此要盡量的避免漏磁。發(fā)射、接收線圈之間的空隙越來，則漏磁越大。漏磁，即部分磁通經(jīng)過磁路外圍的物質(zhì) (如空氣等 )而形成閉合的，或全部不在磁路中，閉 合的磁通稱 “ 漏磁”。下面從這兩個(gè)方面分別進(jìn)行介紹。因此在本小節(jié)，主要討論如何提高傳輸效率。 基于上述分析，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，耦合線圈選用多股銅線、平面空芯結(jié)構(gòu)，另外考慮耦合程度和空間電磁密度等因素，發(fā)送端線圈、接收 端線圈的規(guī)格參考如下結(jié)合參數(shù)： 振蕩 線圈 按 要 求 形狀為圓形， 用直 徑 為 的 漆包 線 密繞 20 圈，直 徑約 為 。多股線圈的表面積肯定大于單股的，其等效電阻就小，這樣線圈本身的單體損耗也小。這樣采用多股線有兩方面的益處，一方面同等截面積的多股的線圈必是細(xì)的，不容易出現(xiàn)折斷。線圈由于考慮趨膚效應(yīng)，多采用多股線。隨著電子變壓器整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，線圈結(jié)構(gòu)主要的發(fā)展方向是平面線圈、片式線圈和薄膜線圈，其中又包括多層結(jié)構(gòu)。 圖 32 無(wú)線供電系統(tǒng)的基本概念圖 影響充電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素分析 線圈規(guī)格分析與選定 在分析影響傳輸效率的因素上，線圈自身的材料、結(jié)構(gòu)、面積都是影響傳輸效率的因素，也決定線圈單體損失的大小。特別說明一下，本系統(tǒng)中發(fā)送線圈和接收線圈均采用平面空芯線圈，上面對(duì)于平面線圈的電磁場(chǎng)特性進(jìn)行了理論分 析。接收線圈位于這個(gè)電磁場(chǎng)中，發(fā)射線圈磁通量的高頻變化在接收線圈中產(chǎn)生一定幅值的高頻感應(yīng)電 動(dòng) 勢(shì)。由于磁場(chǎng)集中分布于兩個(gè)平面線圈形成的柱形空間體內(nèi)部，一方面能量集中分布，即實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)能量耦合，漏磁小，根據(jù)能量守恒定律，磁能轉(zhuǎn)化為電能，損失小，從而提高電磁轉(zhuǎn)換效率；另一方面 也 降低電磁噪聲，減少了電磁輻射。 平面線圈按周長(zhǎng)近似相等原則可簡(jiǎn)化為同心圓結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化后的線圈由 n個(gè)單匝空心 圓柱線圈組成，平面線圈的磁場(chǎng)可看成是 n個(gè)單匝空心圓柱線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的疊加，周圍空間磁場(chǎng)只具有徑向和軸向分量，整個(gè)磁場(chǎng)具有對(duì)稱性。 4()Ox 代表 x的四次方以及更高次冪的小量，所以， ()Bx將沿中心軸線在相當(dāng)大的范圍內(nèi)均勻。然而，無(wú)論線圈距離為何，對(duì)于兩線圈中心點(diǎn) 0來說，磁場(chǎng)呈對(duì)稱分布，故有 ( ) ( )B x B x??，將 ()Bx圍繞 x=O作 泰勒級(jí)數(shù)展 開 ： 式子 36 由于 ( ) ( )B x B x??，即 B是關(guān)于 x的偶函數(shù)，故奇次項(xiàng)0()xBx ???，3()xBx ?????都為零。 將另一個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的線圈平行共軸放置，通以相同的同方向電流，那么兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在軸線上將疊加。顯然，線圈上各電流元在 P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向是各不相同的，因此，必須把 dB分成垂直于軸線的分矢量 dB? 和平行于軸線的分矢量 dB 。設(shè)圓線圈的中心為 O，半徑為 R， 載有電流 I，如圖 31單個(gè)載流圓所示。 基于電磁場(chǎng)基本原理和磁場(chǎng)的疊加性，分析平面線圈電磁場(chǎng)的分布情況。 為了更好的理解無(wú)線充電技術(shù)并最終完成無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，下面從理論第三章 無(wú)線充電系統(tǒng)原理解析 15 上 分析平面線圈的電磁場(chǎng)分布情況。 變 壓器就是基于這一 原理工作的，它通過交變磁場(chǎng)把電源輸出的能量傳送到負(fù)載。簡(jiǎn)要的說，感應(yīng)電流總是阻礙原磁通的減少。 電磁感應(yīng)產(chǎn)生 的 電流和電壓分別成為感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向 由 楞次定律判定，閉合回路中感應(yīng)電流的方向，總是使它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)阻礙引起感應(yīng)電流的原磁通的變化。把電流時(shí)而 打開 時(shí) 而 關(guān)閉，增加或減小線圈的磁力線時(shí)，誘發(fā)產(chǎn)生向妨礙其變化方向流放電流的電壓。改變兩個(gè)線圈之中某一方流過的電流時(shí)，另 一方線圈產(chǎn)生電壓，這個(gè)現(xiàn)象就 叫做 線圈的互感。 無(wú)線充電技術(shù)基本原理 平面線圈的電磁場(chǎng)特性 當(dāng) 首先說明線圈互感和自感。 無(wú)線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非接觸式的能量傳輸，下面首先介紹無(wú)線充電系統(tǒng)的原 理，特別的介紹了近場(chǎng)能量耦合的原理。 圖 26 磁耦合方案研制的無(wú)線充電牙刷 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 第 3章 無(wú)線充電系統(tǒng)原理解析 引言 電流是由線圈旋轉(zhuǎn)切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的，這個(gè)常識(shí)讓我們得之 當(dāng)兩個(gè)設(shè)備中分別使用了一個(gè)具備振蕩電路特性的線圈組成一對(duì)收發(fā)天線，讓其中一個(gè)天線發(fā)送能量，另一個(gè)天線則接收能量。據(jù)稱，該項(xiàng)技術(shù)的效率是很高的，電源傳輸效率可 81． 4％。制作工藝采用了絲網(wǎng)印刷和類似于噴墨打印的新 工 藝。卜或桌子上，