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：TM 743 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）08-0054-02

0 引 言

近年来，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。

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50 kHz的高频升压变压器A1升压，连接到供电电极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49.05 kHz的方波。本系统工作在46 kHz～50 kHz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（NPN：VCBO=180 V，VCEO=120 V，IC=1.5 A，Pw=1 W）和649（PNP：VCBO=180 V，VCEO=-120 V，IC=-1.5 A，Pw=1 W）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14.1 V的有效电压，再运用Texas Instruments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，100 V），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R2阻值决定，由输出电压计算公式VOUT=1.25×R1/R2，此处取R1=10 kΩ，R2=3.24 kΩ，得到VOUT=5 V。BOOT电容选择10 nF，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5 cm×5 cm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49.05 kHz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。

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以选择管耗更小的对管、整流电路中选择效率更高的整流二极管等以减少能量传输中不必要的损耗。

本电路的效率为50%左右，若稍作改良，效率的提高还会更加显著。

4 结 语

本文介绍了一种与市面上电磁感应式原理不同的无线充电器，其电场耦合相当于电容充电的原理。在电路设计以及研究过程中发现，极板间的传输距离是此充电方式的一大诟病，由于间隙的存在，在极板间的功率损耗较大。本电路只是简单地实现了基于电场耦合的无线充电器的功能，验证了电场耦合来进行无线充电的可行性。对于电能传输的效率以及充电最佳频率的选择有待于更近一步的研究。

参 考 文 献

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