基于电场耦合的无线充电装置

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1、基于电场耦合的无线充电装置　　摘要：随着无线充电技术的发展，电磁感应式无线充电器占据了市场的龙头。对于电场耦合式无线充电，目前在国内市场极为少见。文章针对基于电场耦合原理进行简单无线充电电路设计，采用TL494组成脉宽调制控制电路并用669、649对管和IRF740组成的功率放大电路模块组成发电端，用TPS5430降压转换器组成电路充电后级稳压模块。本系统电路的充电效率能够稳定在50%左右，且用实验结果证明了电场耦合原理进行无线充电的可行性。关键词：电场耦合；无线充电；功率放大；IGBT中图分类号：TM743文献标识码：A文章编号：2095-1302（2014）08-0054-020引言近年来

2、，诸多便携式电子产品的涌现和发展，如：媒体播放器、手机和平板电脑等，促使人们对其应用便利性的提高。这些设备通常以电池来供电，传统接触式电源供电由于设备必须与供电端相连，逐渐不能满足人们对其移动性和在特殊场合的要求。追求便利性是电子产品的设计目标，而无线输电一直是人们追求的梦想，因此非接触式供电的概念被提出。6迄今为止，非接触充电方式可以分为四大类：电磁感应式、磁场共振式、电场耦合式和电磁波传送式。本项目选择电场耦合式来开发无线充电器，这是因为它与电磁感应式相比，位置自由度更高，并可以轻易实现一台充电设备对多个终端进行充电；它与磁场共振式相比，构造更为简单，制造成本更低；它与电磁波传送式相比，可

3、以输出更高的功率。由于电场耦合式无线送电的特点，该类无线充电器将结构更为简单，其对送电和受电电极的材料和形状没有特定的要求，将大大简化制造过程和降低制造成本。另外，相对于其他非接触充电方式，电场耦合式充电的发展较晚，目前在国内市场上还没有出现同类的无线充电器产品，因此具有更大的研究空间。电场耦合式无线充电器和电磁感应式无线充电器的关键技术类似：发电端、两个极板的大小与形状、充电端的参数设计，保证电路能量传输效率上升，给手机的充电效率更高。1工作原理本系统通过一个TL494振荡器产生一对反向输入信号，通过功率放大电路进行功率放大后输入到谐振频率约为506kHz的高频升压变压器A1升压，连接到供电

4、电极C1，受电电极C1和供电电极C1耦合相当于一个电容，达到传输电能的效果，经过和A1相同型号的变压器A2进行降压经过整流滤波电路输入开关稳压电路中，最后通过一个接口对手机的锂电池进行供电。图1所示是本电路各工作模块的原理示意图。2电路设计2.1发电端（1）信号发生器本系统运用图2所示的TL494做固定频率发生电路，频率由TL494的5脚上的C2和6脚上的R2决定，其信号频率为：振荡频率为：用示波器检测产生的是49.05kHz的方波。本系统工作在46kHz～50kHz的频段上时效率最高，且运行效果比较稳定。（2）功率放大本系统采用两级功率放大，设计时将TL494一对反向输出分别接到两对669（

5、NPN：VCBO=180V，VCEO=120V，IC=1.5A，Pw=1W）和649（PNP：VCBO=180V，VCEO=-120V，IC=-1.5A，Pw=1W）中功率对管组成的推挽电路中，输出接到后级的两个大功率MOS管上，后级接到高频升压变压器。图3所示是本系统的功率放大模块电路图。2.2充电端稳压模块经降压整流滤波后，可得到14.1V的有效电压，再运用TexasInstrum6ents公司的TPS5430芯片，前级加10μF的退耦电容，本系统采用高性能的CBB电容（10μF，100V），输出电感与最大输出电流有关，此处选择220μH的SMD电感。输出电压由VSENSE脚的电阻R1和R

6、2阻值决定，由输出电压计算公式VOUT=1.25×R1/R2，此处取R1=10kΩ，R2=3.24kΩ，得到VOUT=5V。BOOT电容选择10nF，捕获二极管D1选择SS36。图4所示是其稳压模块的电路图。2.3极板选择设计时可采用普通玻纤材质覆铜板，这样比较便宜、易得、使用方便。经过试验，在信号频率不变的情况下，极板面积的大小对电能传输的效率影响并不大。极板面积大小任意选取，本电路中采用5cm×5cm的覆铜板作为传输极板。3测试和试验结果本系统电路的充电效率能够稳定在50%左右，且用实验进行了验证，结果证明：采用电场耦合原理进行无线充电是可行的，表1所列是系统在frequency为49.0

7、5kHz下的充电数据。和市面上所销售的电磁感应式的无线充电器一样，此电场耦合的无线充电器运用的也是接触式充电电路，但是相比电感耦合之下，它的充电位置更加灵活，极板的错位并不会大大地减低充电效益。6而本电路中所用的元器件较为常见，性能也比较普通，极板采用了常用的覆铜板进行传输，由于覆铜板形变，两极板间贴合并不紧密导致效率降低，可以用介电常数较低的板材作为充电极板。此外，功率放大电路的中前级的功率管可