《毕业设计一种无线充电器的探索与设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计一种无线充电器的探索与设计.doc（57页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘 要随着科学技术的发展，各种不同功能的便携式电子产品充斥着当今社会，如手机、PDA、数码播放器和相机、笔记本电脑等。在实际运用这些设备中，每个产品都对应一个与之匹配的充电器。这种方式既浪费资源、增加产品的成本，且不利于环保的要求。其问题的关键所在就是充电器不具备通用性，更为重要的是，绝大部分电子产品都是传统的有线充电模式，对使用者来说充电比较麻烦。而具有统一标准的无线充电器具有如下优势：方便、多机共用、换机不换充电器，这些优势可以有效地解决上述问题。 基于此，本论文在无线充电方面做了一些研究。其内容主要集中在以下几个方面：概述了无线充电技术原理及无线充电技术的发展情况，针对影响无线充电系统指
2、标的关键技术进行分析，特别突出了能量发射模块和电源管理模块的设计特点,通过不断的测试和论证，为提高整套系统的传输效率和充电效率提出了几种解决方案。通过针对该设计存在的不足，对未来的无线充电技术进行展望。最后就本论文涉及的核心内容进行总结，旨在说明本课题研究的成果、价值以及意义。关键字：无线传能 ，无线充电，电磁感应ABSTRACTWith the development of science and technology, a variety of portable electronic products become more and more popular, such as mobile
3、 phones, PDA, digital cameras and players, PC and so on. In reality, each electronic product has a matched charger. However, it will not only increase the cost of products and waste resource, but also be harmful to the environment. Whats more, as all those chargers are not universal, it causes troub
4、les to the users. Moreover, the majority of electronic chargers are wired, so charger is relatively inconvenient for the users. The wireless charger with a unified standard has the following advantages: convenience, shared charger to different electronic products. These advantages can solve the abov
5、e problem effectively. Based on this, this thesis has done some research on the wireless charging. It mainly focused on the following areas: an overview of wireless charging technology principle and the development of wireless power technologies，also and the key technical analysis indicators to the
6、wireless charging system, in particular, this thesis highlighted the energy transmitter module and power management module design features, through continuous testing and verification. To improve the transmission efficiency of the entire system and the charging efficiency, we proposed several soluti
7、ons. For the shortcomings of the design, the future prospect of wireless charging technologies has been discussed. Finally, this thesis summarizes involving the core content of this subject, aiming to say the research achievement, value and significance.Key Words: Wireless energy transmission, Wirel
8、ess charging, Electromagnetic induction目 录第1章绪论11.1 无线电充电技术的概述11.1.1 引言11.1.2 国内外研究发展11.1.3 无线充电技术的前景与应用31.2 课题依据及选题依据3第2章无线供电基本理论52.1 引言52.2 电磁波方案52.2.1 无线电传播机制52.2.2 无线电传播特性62.2.3 电磁波无线供电应用实例72.3 微波供电方案82.3.1 微波无线电能传输特性82.3.2 微波无线电能传输空间传输理论82.3.3 频率的选择92.3.4 微波供电应用实例92.4 磁耦合无线供电方案102.4.1 磁耦合无线供电基本
9、理论102.4.2 磁耦合供电工作原理112.4.3 磁耦合方案的实例13第3章无线充电系统原理解析143.1 引言143.2 无线充电技术基本原理143.2.1 平面线圈的电磁场特性143.2.2 近场能量耦合原理的应用163.3 影响充电系统性能的关键因素分析173.3.1 线圈规格分析与选定173.3.2 系统传输效率183.3.3 系统传输效率203.3.4 系统工作电路电能损耗22第4章无线电系统的方案论证与实现234.1 无线充电电路的方案设计234.1.1 无线充电器的理论分析234.1.2 设计方案论证234.2 无线充电电路的设计与实现244.2.1 电源管理模块的电路设计2
10、44.2.2 能量发射模块的电路设计274.2.3 接收模块的简单设计29第5章全文总结与展望325.1 无线充电技术的研究目标325.2 无线充电技术的未来市场33参考文献35致谢36外文资料原文37外文资料译文43第1章 绪论1.1 无线电充电技术的概述1.1.1 引言伴随社会信息化的进程，数字化时代的到来，人们对能够随时随地保持沟通交流的移动通信的服务内容和质量要求越来越高。伴随着3G 手机和智能手机的推广和手机屏幕越来越大的同时，手机功能也越来越强大，与此同时也导致手机的耗电量迅速攀升。根据相关调查数据显示，视频播放的功耗是传统语音业务的 2-3 倍。待机时间的需求原来只局限于特定用户
11、群，但现在逐渐发展成一种普遍需求。手机待机时间的长短很大程度取决于电池的性能，而根据市场调研，目前电池技术的发展在短期内不会有重大突破，燃料电池还没有达到实用化阶段。一方面，单纯以增大电池体积来增加手机待机时间，会带来手机便携性下降的负面结果。另一方面，国家颁布的手机充电器的统一标准，在具体实施中遇到技术问题，迟迟不能普及。人们需要随时随地使用方便的充电装置。无线充电技术在很大程度上可以满足人们这种需求。具有统一标准的无线充电技术将具有如下优势：方便、多机共用、换机不换充电器，大量节省原材料，保护环境，满足特殊使用场合的需求，如防尘、防水、防爆。1.1.2 国内外研究发展早在100年前，特斯拉
12、用工作电压100MV、频率15OkHz的电磁波发生器产生的非定向电磁辐射成功地点亮了两盏白炽灯。这就是最初的无线输电实验室演示，从那时起无线输电的概念问世了。到了20世纪20年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda论述了无线输电概念的可行性;30年代初期美国的研究者也开始了不用导线点亮电灯的输电方案的探讨。随着大功率、高效率真空电子管微波源的研制成功，20世纪60年代初期Raytheon公司的 WC.Brown做了大量的无线输电研究工作，从而奠定了无线输电的实验基础，使这一概念变成了现实;在他的实验中设计了结构简单、高效率的半波电偶极子半导体二极管整流天线，把它放在用来反射电磁波的导电平板之上
13、，纯电阻作为负载，用低噪声、高效率的放大管和磁空管作为微波源，将频率为2.45GHz的微波能量转换为直流电。Brown在20世纪60至70年代之间做了一系列实验，实验方法不断改进(从喇叭天线、反射面天线到相控阵天线，从一般的二极管到势垒二极管等)，射频能量转换为直流电的效率也不断提高。1977所做的实验中使用GaAs-Pt肖特基势垒二极管，用铝条构造半波电偶极子和传输线，输入微波的功率为8W，获得了90.6%的微波-直流电整流效率。后来他改用印刷薄膜，在频率2.45GHz时效率为85%。经过多年的精心研究，他演示的直流-直流的转换效率达到54%。自从Brown实验获得成功以后，人们开始对无线输
14、电技术产生了兴趣。斯坦福大学的Duun和他的同事也进行了理论研究，并证明了在半径lm的圆波导中以低损耗的TE001模式传输GW量级的高功率微波潜在的可行性。他们设想用圆波导传输的微波能量来驱动城市交通工具(如封闭的有轨电车或地铁)。据估计，如果传输频率1OGHz的TEO01波模，每传输10O0km的损耗约5%。但是由于大截面圆波导加工的困难和实际传输过程中波导模式的转换使得损耗增加，所以没有得到工程上的实施。美国在宇航局的支持下，1975年开始了无线输电地面实验的五年计划，由喷气发动机实验室和Lewis科研中心承担，将 3OkW的微波无线输送1.6km，微波一直流的转换效率为83%。从80年代
15、末起，些无线输电试验放在空间一地面、空间一空间之间进行，现在空间站上的无线输电试验正在进行着。1991年华盛顿ARCO电力技术公司使用频率35GHz的毫米波，整流天线的转换效率为72%。毫米波段的优点是天线的孔径较小，缺点是毫米波源的效率比厘米波低，器件的价格也较贵，还有波束传播的雨衰问题。由于无线通信频率的扩展，为了避免对2.45GHz频段通信潜在的干扰，美国宇航局倾向把5.SGHz的频率用于无线输电。这两个频率点的大气穿透性都很好，相应元器件的转换效率都很高，价格也便宜。1998年5.8GHz印刷电偶极子整流天线阵转换效率达到了82%。前苏联在无线输电方面也进行了大量的研究。20世纪50年
16、代末期，在著名科学家、诺贝尔奖金获得者的直接领导下，无线输电理论和实验研究拉开了序幕。在他超越时代的研究中，专门设计了命名为Planatron的微波器件，用来产生和转换微波功率。在他看来，未来微波电子学的主要研究方向就是微波电力工程，设计大功率、高效率的微波发生器和微波一直流电转换器是无线输电最紧迫的问题。在莫斯科大学，研究组在无线输电与卫星太阳能电站方面进行了大量的理论与实验研究(包括系统、子系统的设计和相关的微波器件的研制等)。与微波公司合作，他们研制出了一系列无线输电器件，其中包括无线输电的关键器件快回旋电子束波微波整流器。从1996年开始已将有关回旋波整流器的技术提供给日本京都大学的M
17、at一sumoto、Shinohara等人，计划在“自由号”国际空间站的日本模块上进行试验。2007年6月，麻省理工学院(MIT)以 MarinSolijaeic为首的研究团队首次演示了灯泡的无线供电技术，他们从6英尺的距离成功地点亮了一个60W灯泡。这个实验立即引起了人们的极大关注并进行了广泛的报道。演示装置包括直径为3英尺的匹配铜线圈，以及与电源相连的工作频率在兆赫范围的传输线圈。接收线圈在非辐射性磁场内部发生谐振，并以相同的频率振荡，然后有效地利用磁感应来点亮灯泡。他们还发现，既使两个谐振线圈间有障碍物存在时，也能让灯泡继续发光。国内无线供电研究起步相对较晚，近年来也得到了一定数量的应用
18、，比如变压器松耦合方案得到了不少的应用，在矿井牵引车的供电以及在其它安全性要求较高的场合等。明天科技公司还推出了一系列的无线供电集成模块，电子世界2007第5期刊出了无线电力传输IC及其应用，无线电2007第6期刊出了微距无线供电发射模块v0X06MP01，掀起了一股无线供电热潮。1.1.3 无线充电技术的前景与应用 无线充电技术已经在无绳电话等设备中投入实际应用。目前，面向手机的非接触式充电器，正在积极开发2W-3W级供电技术。手机非接触式充电器开发厂商正致力于解决产品商业化时出现的问题。其中，尤其重要的是提高效率、ID认证机制的设置、降低电磁噪声、充电时位置对准等。为了满足法规等要求，还需
19、要特别注意安全性等方面的问题。而且必须和现有的普通充电器一样简便易用，不能因为非接触式充电而延长充电时间。无线充电只需用一个发送端，就可以给多个用户终端同时充电；可以制定统一的无线充电标准，这样就可以为所有符合这一标准制造的可充电电池用同一充电装置充电；充电器的接收端可以内置到手机、笔记本电脑等移动通信工具内部，这些移动通信工具就可以在无线通信系统覆盖的可充电范围内自由自在，随时在有需要的时候充电。这项技术还具有其他一系列好处，包括更好的便携性、更低的成本、通用性。一次无线充电将是未来的发展趋势，该技术有非常广泛的市场和商业前景。1.2 课题依据及选题依据通常，对手机、笔记本等移动设备的电池充
20、电时都是需要一个充电器，一端连在市电电源上，另外一端连在移动设备上，频繁的插拔不但使用不便，而且容易损坏充电器，同时也不安全。在工作环境恶劣的场合，比如水中，应该尽可能的避免电器接触。有时，需要对封闭容器内的传感器等电路供电，一般采用电池。然而电池的使用寿命毕竟有限，当电量耗尽时，将封闭容器打开更换电池是比较麻烦的事情，有时也是不允许的。鉴于这种情况，本文提出了一种无线充电方案，是由电能发送端和电能接收端两部分组成，无需任何物理上的连接，通过电磁耦合达到能量传输的目的。这种无线充电技术有着非常广泛的应用前景。比如无线充电器，只需将手机、PDA等移动设备放上去，无需插拔连线就可以充电，给人们的生
21、活带来了很大的方便。 该课题可应用于以下领域：1手持设备：PDA，PDA寻呼机，PDA手机等。2多媒体产品：数码相机，MP3，机顶盒，笔记本电脑等。第2章 无线供电基本理论2.1 引言无线输电技术一直是人们关心的课题，早在上世纪初，Nicola Tesla就进行过远距离无线输电的实验研究，虽然该项计划因资金等原因中途夭折，然而，远距离无线输电技术的研究一直在进行着。特别是近年来，便携式电子产品大量涌现，以及传感器无线网络技术与MEMS器件的发展，推动了无线供电与无线网络技术的研发，并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。下面将简要地介绍下无线供电主要采用的三种方案：电磁波方案、微波供电、
22、以及本论文所采用的磁耦合供电方案，以及这种方案的相关例子。2.2 电磁波方案2.2.1 无线电传播机制电磁波，俗称无线电波，是人们非常熟悉的一个概念。无线波的传播是一个复杂的问题，它与无线电传播环境有密切的关系。对无线电波传播的特性进行研究，用它进行电能的的传送，前人也做了很多的实验。无线电波的传播与传播经历的路径、发射机频率、收发天线高度等诸多因素有关，它是一个相当复杂的问题。对传播机制深入了解，并掌握传播特性是研究传播规律的基础。无线电波传播机制十分复杂，富于变化。首先，在接收机和发送机相隔一定距离时，信号强度会发生衰减，在距离发射机不同位置具有不同的衰减规律。除此之外，信号是经过绕射、散
23、射、反射、折射等方式进行传播的。绕射是当接收机和发射机之问的无线路径被具有尖利边缘的碍障物阻挡时发生的。来自障碍物的二次波在整个空间，其至在障碍物体的后而都存在。当视线条件不满足时(NLOs)，绕射机制也允许无线电信号的接收。高频绕射，同反射一样，与物体的几何形状以及在绕射点的入射波的相位、幅度、极化都有关系，绕射现象可以用惠更斯原理来解释，该原理认为在一个波前的所有点能认为是能产生二次小波的点源，这些小波在传播方向集合起来产生新的波前。绕射是由二次小波传到阴影区域而产生的。绕射场的大小是所有围绕障碍物的二次小波的电场分量的矢量之和。散射是在传播路径上存在障碍物，且物体尺寸与波长可比拟时发生的
24、。除了无线电波在更多方向上进行散射外，这种现象的特征类似于绕射。散射是很难预测的。它是由信道内粗糙表面，小物体，或其它不规则体引起的。反射是当无线电波碰到尺寸比入射波长大得多的障碍物时发生的。在接收点，反射波既能减少又能增强信号强度，这主要取决于它们的相位。当许多反射波存在，接收信号很不稳定，该现象可称为多径衰落。折射在宏蜂窝无线电系统设计中十分重要。由于大气的折射系数不是一个常数，无线电波不是沿直线传播，而是沿着曲线传播，因此发射机实际覆盖面积更大一些，然而由于大气系数的波动，接收信号的强度一样是波动的。在室内情况下，大气的折射的影响可忽略不计。当发射机与接收机之间没有可直达射线时，接收信号
25、是上述信号的组合。因此，接收信号电平随时间特别是收发之间位置变化而变化的。即使只有几分之一波长之差，也可能会引起信号改变3OdB左右。物体对信号的影响与它到接收机、发射机之间的距离有密切关系:当地面或建筑物等位于Fresnel区域(一个以发射机和接收机为椭圆焦点形成的旋转椭圆体)外，物体对接收点的总电场产生额外的反射和散射贡献，只会引起接收信号产生较小的畸变，而当物体处于Fresnel区域特别是第一Fresnel区域时，会对接收信号产生一个明显的扰动。因此，在室内无线设备安装时，应使第一Fresnel区域内的障碍物尽可能少，以保障信号有效传输。2.2.2 无线电传播特性电波传播特性是与信号传播
26、所经历的路径密切相关的。当接收机处于不同位置，具有不同的传播特性。在移动通信环境下，电波传播特性有以下特点:1.自由空间传播损耗信号经过信道时，不可避免地存在损耗，它与收发距离有关。2.阴影效应。当移动台在移动过程中，周围地形地物会对电波传播路径进行阻挡，形成电磁场的阴影，引起接收点场强中值起伏变化，这种现象称为阴影效应，表现为慢衰落。3.多径效应。由于移动体周围的局部散射体引起的多路径传播，使到达接收机输入端的信号相互叠加，其合成的信号幅度表现为快速起伏变化，即快衰落，或称短期衰落。快衰落的统计特性: (l)远离发射机的情况移动台远离发射机情况下，快衰落信号包络统计，是指在无直射波的N个路径
27、传播时接收信号的包络统计特性。每条路径的信号幅度为高斯分布，相位在0-2内为均匀分布，则合成信号的包络分布为瑞利 (Ravleigh)分布。(2)靠近发射机的情况移动台靠近发射机的情况下，快衰落信号包络的统计特性，是指含有一个直射波的N个路径传播接收信号的包络统计特性。若每条路径的信号幅度为高斯分布，相位在O一2内为均匀分布，则合成信号的包络分布为莱斯(Rician)分布。(3)多普勒效应。由于移动体的运动速度和方向会使接收的信号产生多普勒频移。在多径条件下，便形成多普勒频谱扩展，对信号形成随机调频的多普勒效应。在静止环境下，如果不考虑多径效应以及多普勒效应，电波传播特性则简单一些。(4)应用
28、情况：电磁波奠定了广播、电视和现代通信技术的基础。2.2.3 电磁波无线供电应用实例美国一家公司PowerCast开发了一项技术，可为各种电子产品充电或供电，包括耗电量相对较低的电子产品，诸如手机、MP3随身听、温度传感器、助听器，甚至汽车零部件和医疗仪器。整个系统基本上包含了两个部件，称为PowerCaster的发射器模块和称为PowerHarvester的接收器模块，前者可插入在插座上，后者则嵌入在电子产品上(见图2.l)。 图2.1 电磁波无线供电实例发送器发射安全的低频电磁波，接收器接收发射频率的电磁波，据称约有70%的电磁信号能量转换为直流电能。该项技术之所以会得到多家厂商的青睐，原
29、因在于它独特的电磁波接收装置，能够根据不同的负载、电场强度来做相应的调整，以维持稳定的直流电压。 2.3 微波供电方案2.3.1 微波无线电能传输特性微波无线电能传输主要包括了能量的转换和传输两部分，整个能量传输过程中涉及的都是大功率信号，与一般的无线通信收发系统相比，具有自己的独特性。本节主要介绍了微波无线电能传输(WPT)的特性及理论基础。作为一种点对点的能量传输方式，微波WPT具有以下特点: (l)能量源和耗能点之间的能量传输系统是无质量的;(2)以光速传输能量;(3)能量传输方向可迅速变换;(4)在真空中传递能量无损耗;(5)波长较长时在大气中能量传递损耗很小;(6)能量传输不受地球引
30、力差的影响;(7)工作在微波波段，换能器可以很轻这些特性绝大部分都是非常明显的，但是最后一个特性在空间应用中特别重要。在太空中，唯一的主要能源是太阳能。所有其它的能源，如燃料电池，电池组，核能，甚至可以吸收太阳能的天线阵列都必须克服重力才能传输到太空中。但是微波供能方式将主要的功率源置于地面，在太空中只留有只占系统质量很小部分的微波接收和整流设备，从而避免了这个缺点。2.3.2 微波无线电能传输空间传输理论一个微波能量传输系统的几个基本组成部分(如图2.2所示) ：直流-微波转换发射天线接收并转换成直流天线天线 图2.2 微波传输系统组成方框图尽管各个部分各自的相关试验中分别都能达到最大的效率
31、，却不能在一个完整的系统中同时实现各自的最大值。因此，目前已被实验证实的最大总效率为54%，如果能将各个部分的传输效率更好地匹配，总传输效率将有可能达到76%。其中直流-直流转换效率理论最大值为76%，而直流-直流转换效率实验值为54%。2.3.3 频率的选择如果没有任何限制地为能量传输选择最佳频率，需要考虑如下的一些方面:(1)天线孔径大小;(2)频率对系统整体效率的影响;(3)与部件效率直接相关的散热问题;(4)恶劣气象条件下的可靠性问题;(5)现有可用元件的先进性;(6)所选频率对其他电磁波谱的影响。其中除了天线孔径及对其他频谱的影响两因素外，以上其他所有因素均以选择较低频率为宜。对于一
32、些类似于太阳能卫星方面的应用，需要考虑到大气层对微波传输的影响。因此也以采用低频居多。但事实上，可供选择的微波频率相当有限，目前所用的频率均属于ISM(工业，科技，农用)频段，分别为2.4-2.5GHz、5.8-5.9GHz、 24.1-25GHz。2.3.4 微波供电应用实例微波供电一般应用在空间，像太阳能电站等，很多前人提出了很多的使用方案。在19世纪八十年代，由加拿大的通信研究中心制造了一个小型飞机如图2.3，这种飞机能够接收从地球而来的能量源。 图2.3 基于微波供电的小型飞机照片利用这一能量，这架小飞机能够以21公里海拔的高度，在2公里的范围内飞行。最重要的是，这架飞机能够一次飞行数
33、个月的时间。长时间飞行的秘密就在于地面上有一个大型微波发射器，机身上也有一个圆型的硅整流二极管天线，能够将接收到的微波转换成直流电。2.4 磁耦合无线供电方案2.4.1 磁耦合无线供电基本理论非接触式无线供电技术主要利用了电磁感应耦合原理。电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化。电磁感应是电磁学中的基本原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的，变压器由一个磁芯和二个线圈，即初级线圈与次级线圈组成。当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。最早的有关感应
34、电能传输技术是日本国家研究院与Yaskawa电气公司于20世纪八十年代联合提出的，到了九十年代初期，新西兰奥克兰大学电子与电气工程系电力电子学研究中心以 Pro.Boys为中心的课题小组开始对其展开研究，并将其正式定名为感应耦合电能传输技术(Inductive Coupled Power Transfer，简称ICPT。即变压器耦合无线供电。在这之后，Pro.Boys及他所领导的课题小组对感应耦合电能传输技术进行了一系列的深入研究，系统地探索了谐振技术在ICPT技术中的应用，电流传输频率与系统的稳定性之间的关系，多负载控制问题、电路品质因数对于整个系统的影响、电流谐振环问题、10KHz的ICP
35、T系统实现问题等，在理论上与实践上取得了的重大突破，并获得了多项专利技术，为此，Pro.Boys获得了新西兰皇家学会勋章以表彰他在此领域的突出成就。与此同时，非接触式的电能传输技术迅速成为电气自动化领域中的研究热点，日本、德国、法国及美国等国家的科学家相继在该领域里展开了科学研究，并且取得了一系列的成果。如日本的工厂行车、电动机车，德国BWM公司的装配机器人、美国及英国的无线充电器等产品都是非接触式感应祸合电能传输的一些典型应用。2.4.2 磁耦合供电工作原理非接触式感应耦合电能传输技术利用了现代的电磁理论如电磁感应理论与变压器理论，结合了当今最新的电力电子技术与微机实时控制技术，实现了电能的
36、非接触式传输。其原理框图如图2-4所示:交流电源整流电 路逆变电 路线圈或者天线的能量耦合UI变换负载 图2-4 非接触式电源的电能传输框图利用交流工频电源作为非接触式电源的能量供应源，可采用两相或者三相的工频电源，具体情况根据实际的电源容量要求进行合理的选择，工频电源在经过整流环节之后向逆变电路提供平稳的直流电流，该直流电流经过逆变电路的高频逆变之后向耦合变压器的原边提供高频交变电流，耦合变压器作为非接触式电源的关键部位，其原边（一级）线圈中通过的高频电流向外界辐射电磁能量并在副边线圈中产生电磁感应，在副边（二级）线圈中得到的感应电动势在通过交-直或交-直-交等变换后向用电设备提供U、I参数
37、适合的电源，从而完成非接触式电源的整个能量传输过程。非接触式电源技术与传统的电源能量供应模式相比较最为突出的优点是能够实现电能的非接触式传递，而这一点的实现是通过高频电流向空间辐射电磁波的形式来实现的，这就要求在耦合变压器中其原边（一级）线圈与副边（二级）线圈之间相隔有一段较长的空气磁路，这也是耦合变压器与传统的变压器之间的区别。根据磁路的欧姆定律及安培环路定律，考虑到空气的磁阻远大于铁芯的磁阻，因此磁路的磁动势降主要分布在空气磁路部分，随着空气段磁路磁阻的增加，需要在耦合变压器的原边产生较大的激磁电流，而激磁电流的增大一方面会增加整个变压器的体积，另一方面会降低整个变压器的能量传送效率。为了
38、提高整个电源系统的电能传输效率，缩小器件的体积，提高能量密度，这就要求在耦合变压器的原边中通过高频电流，利用高频化来提高整个电源系统的能量密度，在电路中加入整流及高频逆变环节，提高耦合变压器的原边中的电流频率，从而减小激磁电流，从而达到缩小电源体积提高电能传输效率的目的。本文所介绍的非接触式电源主要由原边整流电路部分、高频逆变电路部分、原边谐振回路部分、副边（二级）能量接收线圈的整流及稳压部分、用电设备等五部分所组成。工频交流电流经过整流及滤波电路之后向高频逆变器提供平稳的直流电源，直流电源在经过高频逆变之后向原边谐振回路输送高频交变电流，逆变器输出的交变电流在原边（能量发射线圈）中经过调测达
39、到谐振时会产生高频的电磁辐射，利用合理设计的（能量接收线圈）产生感应电动势，该感应电动势在经过整流滤波之后向负载传送稳定的电能，还可以加载单片机控制单元得到稳定的电流电压，整个非接触式电源的基本结构如图2-5所示。交流电源直流电源电源管理功放震荡转换充电电池或者发光二极管能量发射单元能量接收单元 图2-5 非接触式电源的基本框图选择本方案作为课题的突破点的原因在于设计简单，效果明显，更为具体的设计思路和理论基础将在第四章作详细解释。2.4.3 磁耦合方案的实例应用于无线供电或充电的装置而言，其初级线圈与次级线圈处于两个分离的各自部件中，因而线圈间的耦合是比较松散的。该系统相当于一个分离式疏松耦
40、合变压器，一般都选用Ferrite芯增加其耦合效率、减少漏磁。最早使用电磁感应原理传输能量的是电动牙刷。电动牙刷经常接触水，不采用直接充电方案，在充电座和牙刷中各有个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，类似一个变压器，感应电压整流后就可对镍镉电池充电，整个电路消耗功率约3w，如图2-6所示。日本东京大学的教授们设计了一种塑料薄膜电源，很有创意，用途也十分广泛。例如，可将它铺在地板。卜或桌子上，或嵌入在墙壁上，为圣诞树上发光二极管、装饰灯供电，为鱼缸水中灯泡或小型电视供电。薄膜电源由四层塑料薄膜组成，最低一层是电导可控的有机晶体管，上面是感测兼容电子设备接近的铜线圈，再上面是接通或关闭电源
41、的MEMS开关，最上面一层是传送电能的铜线圈。制作工艺采用了丝网印刷和类似于喷墨打印的新工艺。它的丁作过程是这样的；当物体处于薄膜25cm范围内时，最靠近的MEMS开关接通电源，电感线圈就利用感应原理向各个设备供电。据称，该项技术的效率是很高的，电源传输效率可814。目标的价位每平方米约100美元。图2-6 磁耦合方案研制的无线充电牙刷第3章 无线充电系统原理解析3.1 引言电流是由线圈旋转切割磁场产生的，这个常识让我们得之当两个设备中分别使用了一个具备振荡电路特性的线圈组成一对收发天线，让其中一个天线发送能量，另一个天线则接收能量。当向其中的发送线圈加载数兆赫兹的交流电场之后，其天线周围产生
42、磁场，通过相同频率共振向处于一定距离之外的另一根天线传输电力，从而实现了无线电力传输。无线充电技术实现了非接触式的能量传输，下面首先介绍无线充电系统的原理，特别的介绍了近场能量耦合的原理。然后对影响无线充电系统性能的关键因素做了相应的分析和研究。3.2 无线充电技术基本原理3.2.1 平面线圈的电磁场特性当首先说明线圈互感和自感。在一个铁芯上缠上两个线圈，在其中一个线圈上通交流电，另一个线圈便产生与圈数成比例的电压。改变两个线圈之中某一方流过的电流时，另一方线圈产生电压，这个现象就叫做线圈的互感。在一个铁芯上缠上一个线圈，对所流的电流突然关闭开关，产生向维持即将消失的磁力的方向流放电流的电压。
43、把电流时而打开时而关闭，增加或减小线圈的磁力线时，诱发产生向妨碍其变化方向流放电流的电压。这个现象叫做做线圈的自感。电磁感应产生的电流和电压分别成为感应电流和感应电动势，其方向由楞次定律判定，闭合回路中感应电流的方向，总是使它所产生的磁场阻碍引起感应电流的原磁通的变化。具体地说，如果回路由于磁通增加而引起电磁感应，则感应电流的磁场和原来的磁场反向；如果回路由于磁通减少而引起电磁感应，则感应电流的磁场与原来的磁场同向。简要的说，感应电流总是阻碍原磁通的减少。电磁感应原理，即变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。变压器就是基于这一原理工作的，它通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载。实现了电磁之
44、间的能量转化，也就可实现电能的传输。为了更好的理解无线充电技术并最终完成无线充电系统的设计，下面从理论上分析平面线圈的电磁场分布情况。对平面线圈电磁场的分析，为无线充电系统的设计提供理论依据。基于电磁场基本原理和磁场的叠加性，分析平面线圈电磁场的分布情况。根据毕奥-萨伐尔定律，稳恒电流通过导线时在导线外一点P处产生的磁感应强度为： 式子 3-1首先计算单个载流圆线圈轴线上的磁场。设圆线圈的中心为O，半径为R，载有电流I，如图3-1单个载流圆所示。 图3-1 单个载流圆圈 在圆线圈上任取一电流元，设电流元到P点的矢径为，由于与垂直，由毕奥-萨伐尔定律知，电流元在P点产生的磁感应强度为 式子 3-
45、2在与轴线所在的平面内，并垂直于。显然，线圈上各电流元在P点所产生的磁感应强度方向是各不相同的，因此，必须把分成垂直于轴线的分矢量和平行于轴线的分矢量。由于对称关系，互相抵消，而互相加强，所以 式子 3-3 式子 3-4令，那么 式子 3-5 函数有两个拐点， 它们位于处，即线圈轴线上的磁感应强度在线圈平面内两边距线圈中心的处。将另一个结构完全相同的线圈平行共轴放置，通以相同的同方向电流，那么两个线圈产生的磁场在轴线上将叠加。随着两线圈的距离不同，合成磁场在轴线上的分布将不同。然而，无论线圈距离为何，对于两线圈中心点0来说，磁场呈对称分布，故有，将围绕x=O作泰勒级数展开： 式子 3-6由于，
46、即B是关于x的偶函数，故奇次项，都为零。若选择线圈的距离为R，及时中心点0处恰为两个线圈磁场在轴线上的拐点重合处，则有=0,那么，。代表x的四次方以及更高次幂的小量，所以，将沿中心轴线在相当大的范围内均匀。当两个线圈的间距等于它们的半径时，中心点O附近沿轴向分布的磁场最为均匀，这样放置的两线圈就称为亥姆霍兹线圈。平面线圈按周长近似相等原则可简化为同心圆结构，简化后的线圈由n个单匝空心圆柱线圈组成，平面线圈的磁场可看成是n个单匝空心圆柱线圈产生磁场的叠加，周围空间磁场只具有径向和轴向分量，整个磁场具有对称性。平面线圈的磁场对称分布这一特性，对于电磁能量耦合产生了两种有效现象。由于磁场集中分布于两
47、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；另一方面也降低电磁噪声，减少了电磁辐射。3.2.2 近场能量耦合原理的应用无线充电系统主要有发送端和接收端两部分构成，系统的基本概念图，如图3-2所示，系统工作时，首先将发送端电源提供的交-直流电通过谐振变换器或高频调制模块转换为高频交流信号，然后驱动发射线圈，使发射线圈在周围一定距离的空间范围内产生磁场都很小、但高频变化的电磁场。接收线圈位于这个电磁场中，发射线圈磁通量的高频变化在接收线圈中产生一定幅值的高频感应电动势。通过加在接收线圈端的桥式整流及电容滤波电路，就可以为可充电电池提供直流供电输出，从而实现了电能的无线传输。特别说明一下，本系统中发送线圈和接收线圈均采用平面空芯线圈，上面对于平面线圈的电磁场特性进行了理论分析。在实际的无线充电系统中，要求发送端线圈和接收端线圈的间距尽可能的小(2-30mm)，其间距越小，近场能量耦合的效率越高，传输效率越高，从而提高整个充电
