1 引言

無線電技術(shù)用于通信，已經(jīng)在全世界流行了近一百年。從當(dāng)初的無線電廣播和無線電報，發(fā)展到現(xiàn)在的衛(wèi)星和微波通信，以及普及到全球幾乎每一個個人的移動通信、無線網(wǎng)絡(luò)、GPS等。無線通信極大地改變了人們的生產(chǎn)和生活方式，沒有無線通信，信息化社會的目標(biāo)是不可議的。然而，無線通信傳送的都是微弱的信息,而不是功率較大的/能量。因此許多使用極為方便的便攜式的移動產(chǎn)品，都要不定期地連接電網(wǎng)進(jìn)行充電，也因此不得不留下各種插口和連接電纜。這就很難實(shí)現(xiàn)具有防水性能的密封工藝，而且這種個性化的線纜使得不同產(chǎn)品的充電器很難通用。如果徹底去掉這些尾巴,移動終端設(shè)備就可以獲得真正的自由。也易于實(shí)現(xiàn)密封和防水。這個目標(biāo)必須要求能量也像信息一樣實(shí)現(xiàn)無線傳輸。

能量的傳送和信號的傳輸要求顯然不同，后者要求其內(nèi)容的完整和真實(shí)，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。雖然能量的無線傳送的想法早已有之，但因?yàn)橐恢睙o法突破效率這個瓶頸，使它一直不能進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域。

目前，這個瓶頸仍然沒有實(shí)質(zhì)性的突破。但是如果對傳輸距離沒有嚴(yán)格要求(不跟無線通信比)，比如在數(shù)cm(本文稱微距)的范圍內(nèi)，其傳輸效率就很容易提高到滿意的程度。如果能用比較簡單的設(shè)備實(shí)現(xiàn)微距條件下的無線傳能，并形成商業(yè)化的推廣應(yīng)用，當(dāng)今社會隨處可見的移動電子設(shè)備將有可能面臨一次新的變革。

2 工作原理

將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，然后通過沒有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)電能的無線饋送?；痉桨溉鐖D1所示。

本無線充電器由電能發(fā)送電路和電能接收與充電控制電路兩部分構(gòu)成。

2.1 電能發(fā)送部分

如圖2,無線電能發(fā)送單元的供電電源有兩種：220V交流和24V直流(如汽車電源)，由繼電器J選擇。按照交流優(yōu)先的原則，圖中繼電器J的常閉觸點(diǎn)與直流(電池BT1)連接。正常情況下S3處于接通狀態(tài)。

圖2無線電能發(fā)送單元電路圖

當(dāng)電池充滿(略大于4.15V)時，IC3的反相輸入端2略高于4.15V。運(yùn)放便輸出低電位，此時Q4截止，恒流管Q5因完全得不到偏流而截止，因而停止充電。同時運(yùn)放輸出的低電位經(jīng)R8使Q3導(dǎo)通，點(diǎn)亮LED3作為充滿狀態(tài)指示。

兩種充電模式由R6、R7決定。這個非序列值可以在E24序列電阻的標(biāo)稱值為918的電阻中找到，就用918的也行。

如果作為產(chǎn)品設(shè)計，這部分電路應(yīng)當(dāng)盡可能微型化(電流表電壓表只是在實(shí)驗(yàn)品中調(diào)試時用，產(chǎn)品中不需要)，最好成為電池的附屬電路。

3 主要元器件選擇

電源變壓器T1：5VA18V,這里利用現(xiàn)有的雙18V的，經(jīng)整流濾波后得到約24V的直流

繼電器J：DC24V,經(jīng)測量其可靠吸合電流為13mA

保險管FUSE：快速反應(yīng)的1A

可調(diào)電阻RP1和RP2：用精密可調(diào)的

諧振電容C8：瓷介電容耐壓不小于63V

整流橋D5-D8：用高頻開關(guān)管1N4148

精密電壓源：TL431

運(yùn)放IC3：OPA335,TI公司的軌對軌精密單運(yùn)放

晶體管Q3、Q4和Q5：要求漏電流小于0.1uA,放大倍數(shù)大于200,圖中已標(biāo)型號

發(fā)光管LED2：普亮(紅)，正向VA特性盡可能陡直(動態(tài)電阻小，穩(wěn)壓特性好)

發(fā)送線圈L1：用U1mm的漆包線在U66mm的圓柱體(易拉罐正好)上密繞20匝，用502膠適當(dāng)粘接，脫胎成桶形線圈

接收線圈L2：用U0.4mm的漆包線在同樣的圓柱體上密繞20匝，脫胎后整理成密圈形然后粘接固定。這是為了使接收單元盡可能薄型化

4 調(diào)試要點(diǎn)

在發(fā)送單元的FUSE1回路上串入電流表，以保持監(jiān)測。按以下順序調(diào)試。

4.1 調(diào)工作頻率

調(diào)PR1使F1-F2產(chǎn)生的方波頻率與C8L1的諧振頻率一致。此時電流表的讀數(shù)最小，接收線圈L2所得的感應(yīng)電壓最大，暫不接被充電池BT2.。

4.2 調(diào)基準(zhǔn)電壓

保持L1與L2相距2cm并同軸，此時C5兩端的直流電壓應(yīng)當(dāng)有18-20V。

調(diào)RP2使其兩端電壓為4.15V,這就是鋰離子電池的充電終止電壓。改變L1與L2的間距，在0-6cm之間基準(zhǔn)電壓應(yīng)當(dāng)恒定為4.15V。

任何一項(xiàng)調(diào)試必須在保證其他條件不變的情況下進(jìn)行。

4.3 調(diào)充電控制

增大L1與L2的間距(約55mm)，使C5兩端的直流電壓降為8V?；蛘哧P(guān)掉發(fā)送單元，在C5兩端接上8V的實(shí)驗(yàn)電源。

在運(yùn)放輸出高電位的情況下，將R10換成5M的電位器，由大往小調(diào)，在能保證Q4完全飽和的情況下，對其電阻的最大值取3/4,成為調(diào)定的R10。這是為了即保證控制可靠，又要盡可能省電。[!--empirenews.page--]

4.4 調(diào)充滿顯示

在運(yùn)放輸出高電位時，保證Q3截止(LED3不亮)的前提下，R5取最大。

在運(yùn)放輸出低電位時，在LED3中串入電流表，調(diào)R8使電流表讀數(shù)為0.5mA,此時LED3有足夠的亮度(方法同4-3,目的同4-3)。

這樣，接收單元的充電控制電路總耗電不到2mA。其中R4支路有1mA左右，Q3和Q4有0.5mA(Q3和Q4不會同時導(dǎo)通)，IC2耗電更小(小于0.01mA)。

5 性能測試

應(yīng)保證L1與L2附近沒有其他金屬或磁介質(zhì)。

5.1 耦合性能

在接收單元空載(不接被充電池)情況下，保持L1與L2同軸，改變L1-L2間距，測量接收單元C5兩端電壓DCV。

在5cm內(nèi)，充電控制電路能保證準(zhǔn)確可靠的工作，6cm仍可充電。

5.2 充電控制

保持L1與L2同軸并固定于相距2cm,接上待充電池，并接上電壓表。

斷開SW,電流表讀數(shù)為10mA,此為慢充電工作方式;接通SW,電流表讀數(shù)為30mA,此為快充電工作方式。

當(dāng)充電使電壓表讀數(shù)達(dá)到4.15V時，LED3熄且LED2亮，同時電流表讀數(shù)為零，表明電池BT2已被充滿并自動停止充電，并且顯示這一狀態(tài)。

測試時，被充電池可用一只20000uF電容代替，以縮短充電時間便于測試。

5.3 換能效率

仍保持L1與L2同軸相距2cm,充電器分別工作于快充、慢充和停充，測量。

5.4 電源切換

斷開S1,繼電器復(fù)位，由直流電源BT1供電;接通S1,繼電器吸合，由交流電源供電，此時BT1被斷開。

兩種供電方式對以上測試結(jié)果完全相同。

S3用于兩種供電方式的人工切換或強(qiáng)行用直流，一般處于接通狀態(tài)。

6 結(jié)語

作為可行性探索實(shí)驗(yàn)的樣機(jī)，本設(shè)計僅針對100mAh左右的小容量鋰離子電池和鋰聚合物電池，適用于MP3、MP4和藍(lán)牙耳機(jī)等袖珍式數(shù)碼產(chǎn)品。將它推廣到大容量電池，并不存在原則性的障礙。當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)到市場中的產(chǎn)品，可能還有比較漫長和艱難的工作，如電磁輻射的泄漏問題，成本控制與產(chǎn)品工藝，以及市場切入與消費(fèi)啟動等。[!--empirenews.page--]