可传输音频信号的简易无线充电器设计

摘要：无线充电技术是近年新出现的一种充电方式，其极大的方便性在很多方面有重要的应用，所以扩展无线充电器的应用功能必不可少，基于电磁耦合共振原理设计一种充电过程中可同时进行音频信号传输的无线充电装置，实现信号、能量同时传递的多功能化，针对无线充电器的电磁场分布和发射电路的设计，从工作原理到电路逐步分析，并通过实验验证此装置的可行性，为无线充电器的发展提供一种可行的方案。

关键词：无线充电;电磁共振;多功能;信号传输

早在1836年美国科学家尼古拉·特斯拉发明了基于电磁耦合共振原理的特斯拉线圈，并利用这种装置发射高能电磁波，进行能量传输实验。自此无线输电的概念一直在不时被提起，诸多科学家尝试了多种不同的方法，但一直未能解决能量传输过程中的效率过低问题，直到2007年，由MIT的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展，他们利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输，在2m多距离内将一个60W的灯泡点亮，且传输效率达到40%左右。随后的几年里，科学界开始在基于这个原理的基础上不断改良设计方案，并成功的提高了传输电磁转换效率。

随着转换效率的提高，这项技术逐渐走进电子产品中，手机、电视、电脑等诸多电子电子产品都开始设计并使用同一标准的无线充电技术，这项技术的普及逐渐与无线信号wifi有了同等重要的地位。然而这项技术仍存在一些技术难题尚未解决，例如目前充电距离短、功率小、充电数量有限等，不过其使用前景非常明朗。在对现有的无线wifi和无线充电技术进行比较分析后，认为可以融合两者优点，可同时实现短距离的信号覆盖及能量传输，本文基于这种思路，设计了一种基于电磁耦合共振原理，实现同时传输音频信号和电磁能量的实验方设计，提供这种方案的可行性。

1 发射线圈的模型分析

1.1 基于亥姆霍兹模型分析线圈轴线磁场分布

此谐振无线输电装置包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统，线圈由多匝漆包线绕成，在电路中充当电感。其中一个是发射装置，与能量源相连，利用RLC 简谐振荡电路产生振荡电流，通过发射线圈向外发射电磁波，由于大部分能量由磁场携带，可近似看成在周围形成一定范围非辐射磁场。接收线圈在磁场变化作用下将磁场的能量转换成电场;当接收装置的固有频率与收至I的电磁波频率相同时，此时两线圈处在谐振状态，接收电路中产生的电流最强，从而实现电能的高效传输。由此看出发射线圈产生磁场的分布关系可以反映在一定距离内能量输送的效率关系，所以由电流环与磁偶极子的等效性可到线圈产生磁场的空间分布：

 

由(1)式可知磁场强度随距离的增加而减弱，并由(2)和(3)所显示磁场密度和磁场能量与磁场强度之间的正比关系，知磁场的能量和密度同样随距离增大而减弱。由于发射线圈产生的磁场使接收线圈振动产生电动势，从而接收线圈也产生一个同频率的交变磁场，在两个磁场的共同作用下，发射线圈与接收线圈之间形成了一种非辐射磁场，将电能转换成磁场。处在谐振工作状态下的接收端在磁场中接收能量，从而完成磁场到电能的转换，运用赫姆霍兹线圈原理，设在理想条件下，两线圈在间距d范围内工作在共振状态下，此时的输电效率为100%，所以两线圈之间电流均为I，线圈半径为R，间距为a(a≤R)，见图1不同距离磁场分布。

 

 

(4)式中

表示一线圈圆心场点到某一场点P的距离平方，R表示线圈半径。令p坐标为(x，0)，则o2p距离为x-a/2，o1p的距离为x+a/2，由(4)式可计算出两线圈之间和磁场的分布曲线，当x=0时，有

，说明在o处有极值，当o1、o2之间距离增大时，在中点产生的磁场减弱，在o1、o2之间间距减小时，中点o处的磁场增强，可见只要距离a在合适范围内，o点附近的磁场是均匀的，所以x=0是中点o处磁场均匀的条件，所以两线圈中轴上产生的磁感应强度的大小为B=B1+B2

即：

 

令x=0，有

，所以间距a=R的情况为o点磁场均匀条件，当a≥R时，o点磁感应强度减弱，传输效率开始减低。反之，o点磁感应强度增强，传输效率增加。由于磁场集中分布于两个平面线圈形成的柱形空间体内部，一方面能量集中分布，即实现近场能量耦合，漏磁小，根据能量守恒定律，磁能转化为电能，损失小，从而提高电磁转换效率;另一方面降低电磁噪声，减少了电磁辐射。

1.2 低频电磁场分布

由于发射天线及接接收天线采用线圈发射，所以采用磁偶极子模型进行分析当交流电流分布给定时，可通过推迟势(7)计算辐射场。

 

 

因此借用磁偶极子模型可以很好地展示出电磁场的分布特征，以及通过对比磁偶极和电偶极辐射功率的数量级，得知磁偶极辐射比电偶极小(a/λ)2数量级，因此线圈的辐射能力比天线的辐射能力低。

综合分析上述两种模型，线圈天线辐射场稳定，发散性小，两线圈在局域空间中能量传播均匀，适合近距离范围进行能量传输。由于线圈天线的辐射能力低，导致传输距离有限，但比较起基于电偶极模型的天线，可以避免能量过多散发在空间中，所以采用线圈天线是一种短距离传输能量的可行方案。

2 电路的主要设计

发射电路具有两种功能，其一是产生交变电流由天线激发电磁场向外传播能量，其二是通过外部接入的音频信号通过改变方波控制信号的占空比实现信号传输。

2.1 有外接信号时振荡电路

信号电路输入端可输入方波音频信号，借助运算放大器提升电压增益，并通过三极管开关电路输入至由NE555构成的单稳态触发器，外来信号触发单稳态触发器由稳定状态进入暂稳状态，实现信号的整形及输出脉冲信号。

LM741是应用广泛的通用型运算放大器，两级放大便可以达到较高的电压增益和很宽的共模和差模输入电压范围。其电路含内部补偿，所以不容易自激，工作点稳定，电路工作环境适合，所以适用于此电路中。

单稳态触发器具有一个稳定状态和一个暂稳状态。在外来脉冲的作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态。在暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态，其中暂稳态的持续时间便是输出脉宽。

对于输出信号的脉冲宽度tw，当初始值Vc(0+)≈0V，终值Vc(∞)=Vcc，转换值Vc(tw)=2/3Vcc，带入RC过渡过程计算公式进行计算可得：

 

脉冲宽度仅取决于元件R、C的值、调节R、C即可调节脉冲宽度。恢复时间tre，一般认为3～5倍即τ2放电完毕，其中电路触发器的最高工作频率为

。为了避免电路的不正常运行，在输入端添加一RC微分电路。

 

2. 2 无外接信号接入时的振荡电路

振荡电路利用555定时器构成简单的多谐振荡电路，此振荡电路是一种自激振荡电路，电路在接通电源后，无需外加相关触发信号，便能输出一定频率和脉宽的矩形信号，其振荡器只有两个暂稳态，电路的组成参见图3多谐振荡电路。

 

 

2.3 驱动电路

信号电路输出的脉冲信号还达不到使全桥MOS管正常启动的要求，需要一个驱动电路。此驱动电路与PWM控制电机驱动电路方法相同。电路采用TL494集成电路，其是一款固定频率的脉冲调制电路，包含了开关电源控制所需的全部功能。电路当中20k的可调电阻用来调节频率，10k电阻来调节电压幅值，在不接音频信号时可以做一款普通的驱动器R1，R9是9、10脚的下拉电阻。

 

2.4 功率电路

功率电路是整个无线充电装置发射端的功率输出部分，它的性能将直接影响到装置的输出功率，由于信号输入及驱动电路都是基于数字方波信号控制，所以采用移相 PWM全桥电路(参看图5)作为功率输出电路，移相PWM全桥电路工作时，功率MoS管的变压器的漏电感L，*和输出结电容C(i=4，5，6，7)作为谐振元件，在一个完整的开关周期中通过谐振使全桥变换器中的四个开关管依次在零电压下导通，并在电容C作用下零电压关断，每个桥臂的两个开关管180度互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相位。通过调节此移相角的大小，来调节输出电压脉冲宽度，最终输出占空比q可调的正负半周对称的交流方波电压，从而达到调节相应的输出电压的目的。

 

3 实验分析

搭建好实验平台，由数字信号发生器提供脉冲信号，直流稳定电源为电路板提供电压，示波器测量相关波形及电压信号。实验电路的发射线圈、接收线圈采用1mm直径漆包线绕制，无缝隙单层绕制5圈，与谐振电容构成LC振荡电路，其中线圈、电容参数：

发射线圈电感L1：0.08mH，发射电路电容C1：0.57uf

接收线圈电容L2：0.012mH，接收电路电容C2：0.57uf

3.1 信号变化对接收效率的影响

实验接收电路是谐振频率为88KHz的L、C组成的谐振电路，将信号频率控制在88KHz输入电路，改变输入矩形波信号的占空比，模拟信号变化状态，记录接收波形及电压幅值，分析占空比对接受效率的影响。

表1不同占空比接收感应电压幅值

 

发射线圈电压：0.151V 1V

因为LC构成的发射、接收线圈固有频率为89KHz，在间距不变条件下，微小改变发射频率，通过示波器显示接收线圈感应电压最大在发射频率为90KHz 时，说明两线圈计算出的固有频率存在一定误差，当发射90KHz的脉冲矩形波时，调整占空比发生变化，相应的感应电压发生变化。从接收电压幅值变化规律可以得出接收到的信号频率发生变化，信号频率与两线圈固有频率存在差异，导致两线圈没有形成共振。

3.2 距离与效率的关系

因为相关涉及变量过多，采用控制变量法进行测定。设定发射功率、发射频率、发射线圈位置、发射线圈两端电压条件不变，改变接收线圈与发射线圈之间的距离。其中，实验通过20V、10A的电源及功率电路为实验电路提供20V稳压的工作环境，发射频率固定在90KHz，占空比q=50%。固定发射端位置，使接收电路距接收线圈由近至远进行逐点测量，实验中通过测量发射电路输入电压V1、电流A1以及接收线圈产生的接收电压V2、电流A2，分析其在一定距离的传递效率ζ，并通过对不同位置的测定，了解距离D与功率ζ的关系。

 

从数据可以看出效率与传输距离之间的关系整体成比例下降关系，其中在两线圈距离8cm左右出现波峰是由于间距2～8cm时，两线圈内部电流较大，可以看做挨得很近的电感，两电感之间的相互作用，导致感应电压小于理论值，当两线圈距离大于7.2cm时，电感作用开始减弱，在8cm左右减小为0，此时感应电压趋近理论值。整体符合理论效率与距离之间的变化关系。

 

4 总结

随着无线充电技术的成熟，无线充电技术开始慢慢走近我们的生活，将使我们的生活变得更加便捷。本文所设计作品目的将信号传输与能量传输两种概念进行合并，设计一款多功能的无线充电装置，其即可发射能量，也可发射信号。此设计借助低频信号周期长，脉冲宽度大的特点进行实验设计，实现了无中继线圈条件下 15cm范围的能量及信号输送。但由于采用PWM控制方式，占空比的变化导致传输效率的变化，所以进行此种信号传递方式时，占空比的跨度不可过大，否则容易导致效率过低。此技术可应用在电力交通方向的无线充电领域，实现发射、接收两方之间的信号交流，同时根据信号之间交流的结果，达到对能量传递的控制。随着对装置的改进，进一步提高传输效率，提高输电功率，增加传输距离将是日后在此作品主要的研究方向。