【正文】 體地說，如果 回 路由于磁通增加 而 引起電磁感應(yīng)，則感應(yīng)電流的磁場和原來的磁場反向；如果 回 路由于磁通 減少而引起電磁感應(yīng)，則感應(yīng)電流的磁場與原來的磁場同向。電磁感應(yīng)原理，即變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場。實現(xiàn)了電磁之間的 能 量轉(zhuǎn)化， 也就 可實現(xiàn)電能的傳輸。對平面線圈電磁場的分析，為無線充電系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。根據(jù)畢奧 薩伐爾定 律，穩(wěn)恒電流通過導(dǎo)線時在導(dǎo)線外一點 P處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 ： 0 34 Idl rB r?? ?? ? 式子 31 首先計算單個載流 圓 線圈軸線上的磁場。 圖 31 單個載流圓圈 在圓線圈上任取 一 電流元 Idl ，設(shè)電流元到 P點的矢徑為 r ，由于 r 與 Idl 垂直，由畢奧 薩伐爾定律知，電流元 Idl 在 P點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 式子 32 dB在 r 與軸線所在的平面內(nèi)，并垂直于 r 。由于對稱關(guān)系， dB? 互相抵消，而 dB 互相加強(qiáng)，所以 式子 33 式子 34 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 令 xR?? ， 那么 320 2(1 )2uIB R ? ??? 式子 35 函數(shù) 32 2( ) (1 )fx ? ??? 有兩個拐點， 它們位于 12??? 處， 即線圈軸線上的 磁感應(yīng)強(qiáng)度在線圈平面內(nèi)兩邊距線圈中心 的 2R 處。隨著兩線圈的距離不同，合成磁場在軸線上 的分布將不同。 若選擇線圈的距離為 R，及時中心點 0處恰為兩個線圈磁場在軸 線上的拐點 重合處， 則有 202()xBx ???=0,那么， 4( ) ( ) ( )B x B o O x??。 當(dāng)兩個線圈的間距等于它們的半徑時，中心點 O附近沿軸向分布的磁場最為均勻，這樣放置的兩線圈就稱為亥姆霍茲線圈。 平面線圈的磁場對稱分布這一特性，對于電磁能量耦合產(chǎn)生了兩種有效 現(xiàn)象 。 近場能量耦合原理的應(yīng)用 無線充電系統(tǒng)主要有發(fā)送端和接收端兩部分構(gòu)成，系統(tǒng)的基本概念圖，如圖第三章 無線充電系統(tǒng)原理解析 17 32所示，系統(tǒng)工作 時，首先將發(fā)送端電源提供的交 直流電通過諧振變換器或高頻調(diào)制模塊轉(zhuǎn)換為高頻交流信號，然后驅(qū)動發(fā)射線圈，使發(fā)射線圈在周圍一定距離的空間范圍內(nèi)產(chǎn)生磁場都很小、但高頻變化的電磁場。通過加在接收線圈端的橋式整流及電容濾波電路，就可以為可充電電池提供直流供電輸出，從而實現(xiàn)了電能的無線傳輸。 在實際的無線充電系統(tǒng)中，要求發(fā)送端 線圈和接收端線圈的 間 距盡可能的小(230mm)，其間距越小，近場能量耦合的效率越高，傳輸效率越高，從而提高整個充電系統(tǒng)的充電效率。下面將從線圈自身的屬性進(jìn)行分析。各種線 圈結(jié)構(gòu)的材料選用，也有一些發(fā)展。電流在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時，會聚集于總導(dǎo)體電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 表層，而非平均分布于整個導(dǎo)體的截面積中。另一方面，趨膚效應(yīng)，線圈表面導(dǎo)電流最大，流到中心的越小。平面結(jié)構(gòu)線圈，導(dǎo)線大多采用銅箔 。 系統(tǒng)傳輸效率 本無線充電系統(tǒng)的 研究 是針對目前廣泛出現(xiàn)的便攜式電子產(chǎn)品而 進(jìn)行 的，其中系統(tǒng)的傳輸效率是影響其充電效率的重要因素之一。一方面是解決線圈漏磁問題；另一方面是關(guān)于耦合線圈的設(shè)計。 為了提高系統(tǒng)的傳輸效率，線圈的漏磁問題需要有效的解決。本論文研究的無線充電系統(tǒng)中，發(fā)送、接收線圈沒有任何物理上的連接接觸，相對與緊密耦合的變壓器來說，這種疏松耦合的結(jié)構(gòu)具有相對較大的漏磁。一方面造成能量的損耗，影響充電效率；另一方面 若設(shè)計成產(chǎn)品， 電磁輻射也對環(huán)境產(chǎn)生影響。 在本無線充電系統(tǒng)中，為了減小漏磁，提高系統(tǒng)的充電效率，減少電磁輻射對人體的影響，采用的措施為使發(fā)射、接收線圈之間的空隙盡可能的小， 理論上要 保證空隙小于 2mm。 磁屏蔽，即用一定厚度的鐵磁材料做成的外殼，放到外磁場中，由于磁力線很少受到外部雜散磁場的影響，這種現(xiàn)象稱為磁屏蔽。大部分屏蔽體用的模型是基于圓形或無限長的圓柱體幾何形狀的。在設(shè)計屏蔽體時，要了解的重要的結(jié)構(gòu)是，要使磁力線旋轉(zhuǎn) 90。但是，圓形屏蔽體，比如要改變圓柱體或是具有圓形角的盒體的磁力線的方向要比具有方形角的屏蔽體第三章 無線充電系統(tǒng)原理解析 19 容易一些。保持可提供低磁阻路徑的屏蔽體形狀簡單或磁場運動的最低磁阻路徑是很重要的。屏蔽體的有效半徑越小，其整體性能就越好。由于材料占屏蔽體設(shè)計的大部分成本， 因此較小屏蔽體就可以在較低成本下獲得較優(yōu)的性能。這種結(jié)構(gòu) (即使是矩形 )也是最接近于圓形的，它可以建立一個半閉合的磁路。在本系統(tǒng)中，采用的線圈均是圓形的，因此使用磁屏蔽技術(shù)來減少漏磁是一個值得進(jìn)一步研究的問題。從而達(dá)到超薄、超輕、低成本的目的。因此發(fā)射、接收線圈的形狀、位置和參數(shù)的設(shè)計，都是在提高傳輸效率時要考慮的方面。 發(fā)射、接收線圈的位置關(guān)系的確 定，實驗過程當(dāng)中，測試數(shù)據(jù)表明線圈之間的相對關(guān)系對充電效率影響很大。為了提高系統(tǒng)的傳輸效率，減少電磁輻射對人體的影響，空隙應(yīng)小于 2mm。在水平距離上，充電過程中，充電臺端和電子設(shè)備端的位置對準(zhǔn)問題要解決。當(dāng)兩個中心軸的位置略有偏差時，效率就會下降。在空 間 上，兩個線圈的位置關(guān)系，應(yīng)盡量保持平行，即傾斜角度小于 5 。關(guān)于線圈使用的導(dǎo)線，如果導(dǎo)線直徑大，則功率消耗就會很小，發(fā)熱量也減小。并且，線圈的厚度也會增加。為了減少這時的損耗，先將若 干 根導(dǎo)線擰制成多股線，然后再卷繞成線圈使用。 系統(tǒng)傳輸效率 選擇一個供電頻率使系統(tǒng)產(chǎn)生共振。 Cl是發(fā)射線圈的共振容量。 圖 34 系統(tǒng)等價電路 為了提高發(fā)射線圈的輸出效率，根據(jù)上述線圈的等價電路，決定調(diào)整電 容 C1。在 RLC電路中，電阻是耗能元件，它把電能轉(zhuǎn)化為熱能；電容和電感是儲能元件，它們時而把電畿磁能儲存起來，時而 放 出，只進(jìn)行能量交換，第三章 無線充電系統(tǒng)原理解析 21 而 不消耗能量。諧振電路的品質(zhì)因數(shù) Q值 定義為 ： 2 SRWQ W?? 式子 38 即 Q值等于諧振電路中儲存的能量與每個周期內(nèi)消耗麓量之比的 2? 倍?；谏鲜龇治?，則發(fā)射端電路的 Q值越大，發(fā)射線圈輸出效率越高。 L0， RO， L R1是由線圈特性 (物理特性 )決定。上述等價電路的阻抗計算式如下 ： 發(fā)送端線圈的等價式為 0 0 0Z R j L??? 式子 39 共振用電容器插入時的阻抗計算式為 0 0 0 11Z R j L jC? ?? ? ? 式子 310 0 12f LC?? 式子 311 接收端線圈的等價式為 1 1 1Z R j L??? 式子 312 在此， AB之間和 CD之間發(fā)生電壓 /電流趨于等價時，效率最大。此時效率 ? 最大為 100％。就是說， AB之間產(chǎn)生的電壓 /電流和 CD之 間 產(chǎn)生的電壓 /電流 同等的話，可以得到最大效率。由此得到的頻率為我們所需的振蕩頻率。 系統(tǒng) 工作電路電能損耗 為了使發(fā)射線圈和接收線圈達(dá)到高效率的電能傳輸，需要分別探討發(fā)送端 和接收端工作電路的影響。下給出具體分析。我們知道，為了使電能有效的傳輸，增加驅(qū)動電路是 一 個必備的條件，因此電能損耗問題不可能消失，但我們可以保障在電能傳輸?shù)那疤嵯?，盡量減小電能的損耗， 從而 提高系統(tǒng)的充電效率。 從接收端角度，我們知道從接收線 圈得到的是交變的電流，為了給待充電設(shè)備進(jìn)行充電，則需要將交變的電流變成直流，因此需要經(jīng)過整流、濾波的過程。整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是脈動較大，含有較大的諧波成分，因此， 一 般在整流后，利用濾波電路將脈動的直流電壓變化為平滑的直流電壓。對于整個系統(tǒng)的充電效率的影響，上述分析的電能損耗是不容忽視的，必須采取措施，提升給待充電設(shè)備的充電電壓， 一般 可以采用一個 DCDC變換器 ， 提升給待充電設(shè)備進(jìn)行充電的充電電壓，減小發(fā)送端電壓和接收端電壓之間的壓差，從而可以提高系統(tǒng) 的效能。能量 接收端的設(shè)計相對 就 比較簡單，主要由接收線圈的振蕩電路構(gòu)成，通過 與 發(fā)射線圈的電磁感應(yīng)接收 能 量 發(fā)送端傳送的能量。 該 系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點一是用線圈耦合方式傳遞能量，使接收單元接受到足夠的電能，以保證后續(xù)電路能量的供給；二是如何提高充電電路的能量利用效率，在滿足充電電路正常工作的前提下盡可能采用低功耗設(shè)計。 我們所 熟悉的二極管 整流電路是 屬于不可控整流電路。 其優(yōu)點是可控整流，切換沒有 噪聲 ，缺點是 驅(qū) 動電路比較 復(fù)雜 ，而 且 要加裝 安裝散熱 片 ，電能消耗增加。 所以 在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 綜上所述 ：要實現(xiàn) 本電路的 交直流自動切換， 且 由于工作電流 較 大，切換 頻率不高， 所 以選擇 方案 2。 方 案 2：使用 RC與 IC器件 NE555構(gòu)成 振蕩 電路 ， NE555是屬于 555系列的計時IC的其中的一種型號， 555系列 IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而 555電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 是一個用途很廣且相當(dāng)普遍 的計時 IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率 的 脈 沖信 號。 綜上所述 ： 因 系統(tǒng)選擇 頻 率不高， 頻 率可 調(diào) 也是 在一定的 范圍 內(nèi)， 所 以選擇NE555與 RC構(gòu)成的 振蕩 電路，即選擇 方 案 2。 方案 2：采用場效應(yīng)管作為功放元件， 選用開關(guān)管 IRF840，其 功耗低于三極管， 而且 驅(qū)動功率小，使用 起來比較方便。 能量接收端的簡單介紹 相對 于發(fā)射單元，能量接受單元的電路就相對簡單多了，接受的能量通過簡單的整流濾波和穩(wěn)壓之后供給發(fā)光二極管或者簡單得給電池充電，甚至可以再接收單元加載上單片機(jī)控制單元從而控制整個電路中的電流電壓，實現(xiàn)市場充電電池所需的充電方式。 無線充電電路的設(shè)計與實現(xiàn) 在確定了 本論文無線充電 設(shè)計方案的前提下， 結(jié)合上面的電路功能 模塊的簡單論述，接下來將 給出其具體的電路設(shè)計，同時也對核心芯片的選擇及功能進(jìn)行了介紹。 Protel DXP是 Altium公司 于 2021年 7月推出的Protel系列軟件的第 7代基于 Windows操作平臺的一款最新產(chǎn)品。 電源管理模 塊的電路設(shè)計 結(jié)合上面的論述， 交直流 輸入 采用單 刀雙閘繼 電器， 如果 交流 上 電 則 常開 端第四章 無線充電系統(tǒng)的方案論證 25 閉 合， 通過 常 閉 端的 打 開實現(xiàn)交流優(yōu)先，交流 斷 電 則 繼 電器 斷 電，常 閉閉 合，實現(xiàn)自動切換。 具體電路圖如 41所示： 圖 41 220v/50Hz的市電經(jīng)過變壓器降壓，再通過晶體整流橋的整流獲得約為 26v的直流，用來驅(qū)動繼電器的工作，為了獲得穩(wěn) 定的 24v直流電，只需通過 c cc3這三個濾波電容即可實現(xiàn)。 LM2576芯片系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器（ buck）的各種功能，能驅(qū)動 3A的負(fù)載，此系列的穩(wěn)壓器具有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。下面將簡單介紹下 LM2576系列穩(wěn)壓器的特點。 4％ ，穩(wěn)定性能好 ； 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 3） 本芯片 最少只需要 4個外圍元件 即可構(gòu)建三端穩(wěn)壓器 ，可達(dá) 3A的輸出電流 滿足大電流的設(shè)計需求； 4） 比較 寬的輸入電壓范圍， HV型號甚至可達(dá) 40V～ 60V； 5）內(nèi)部振蕩器產(chǎn) 生 52KHz的固定頻率； 6）可用 TTL電平關(guān)閉輸出，低功耗待機(jī)模式，典型待機(jī)電流為 50μA； 7） BUCK式降壓器，較高的轉(zhuǎn)換效率； 8）過熱和過流保護(hù)； 9）可實現(xiàn) BuckBoost式正 負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器。A。還有，當(dāng) 輸入電壓波動較大，輸出電流有較高，容量一定要選用大些， 470μF10000μF都是可行的選擇；電容的電流均方根值至少要為直流負(fù)載電流的 1/2；基于安全考慮，電容的額定耐壓值要為最大輸入電壓的 。 2） 續(xù)流二極管： 首選肖特基二極管，因為此類二極管開關(guān)速度快、正向壓降低、 反向恢復(fù)時間短， 最好 不要選用 1N4000/1N5400之類的普通整流管 。為什么呢？ LM2576既可工作于連續(xù)型也可非連續(xù)型，流過電感的電流若是連續(xù)的為連續(xù)型，電感電流在一個開關(guān)周期內(nèi)降到零為非連續(xù)型。若電容值太大，反而會在某些情況（負(fù)載開路、輸入端斷開）對器件造成損害。如果電容的 ESR太小，就有可能使反饋環(huán)路不穩(wěn)定，導(dǎo)致輸出端振蕩。 LM2576的 應(yīng)用注意事項： 第四章 無線充電系統(tǒng)的方案論證 27 1）反饋線要遠(yuǎn)離電感，電路