可傳輸音頻信號的簡易無線充電器設計

摘要：無線充電技術是近年新出現的一種充電方式，其極大的方便性在很多方面有重要的應用，所以擴展無線充電器的應用功能必不可少，基於電磁耦合共振原理設計一種充電過程中可同時進行音頻信號傳輸的無線充電裝置，實現信號、能量同時傳遞的多功能化，針對無線充電器的電磁場分布和發射電路的設計，從工作原理到電路逐步分析，並通過實驗驗證此裝置的可行性，為無線充電器的發展提供一種可行的方案。

關鍵詞：無線充電;電磁共振;多功能;信號傳輸

早在1836年美國科學家尼古拉·特斯拉發明了基於電磁耦合共振原理的特斯拉線圈，並利用這種裝置發射高能電磁波，進行能量傳輸實驗。自此無線輸電的概念一直在不時被提起，諸多科學家嘗試了多種不同的方法，但一直未能解決能量傳輸過程中的效率過低問題，直到2007年，由MIT的科學家在電能無線傳輸原理上有了突破性進展，他們利用電磁諧振原理實現了中距離的電能無線傳輸，在2m多距離內將一個60W的燈泡點亮，且傳輸效率達到40%左右。隨後的幾年裡，科學界開始在基於這個原理的基礎上不斷改良設計方案，並成功的提高了傳輸電磁轉換效率。

隨著轉換效率的提高，這項技術逐漸走進電子產品中，手機、電視、電腦等諸多電子電子產品都開始設計並使用同一標準的無線充電技術，這項技術的普及逐漸與無線信號wifi有了同等重要的地位。然而這項技術仍存在一些技術難題尚未解決，例如目前充電距離短、功率小、充電數量有限等，不過其使用前景非常明朗。在對現有的無線wifi和無線充電技術進行比較分析後，認為可以融合兩者優點，可同時實現短距離的信號覆蓋及能量傳輸，本文基於這種思路，設計了一種基於電磁耦合共振原理，實現同時傳輸音頻信號和電磁能量的實驗方設計，提供這種方案的可行性。

1 發射線圈的模型分析

1.1 基於亥姆霍茲模型分析線圈軸線磁場分布

此諧振無線輸電裝置包含兩個線圈，每一個線圈都是一個自振系統，線圈由多匝漆包線繞成，在電路中充當電感。其中一個是發射裝置，與能量源相連，利用RLC 簡諧振蕩電路產生振蕩電流，通過發射線圈向外發射電磁波，由於大部分能量由磁場攜帶，可近似看成在周圍形成一定範圍非輻射磁場。接收線圈在磁場變化作用下將磁場的能量轉換成電場;當接收裝置的固有頻率與收至I的電磁波頻率相同時，此時兩線圈處在諧振狀態，接收電路中產生的電流最強，從而實現電能的高效傳輸。由此看出發射線圈產生磁場的分布關係可以反映在一定距離內能量輸送的效率關係，所以由電流環與磁偶極子的等效性可到線圈產生磁場的空間分布：

由(1)式可知磁場強度隨距離的增加而減弱，並由(2)和(3)所顯示磁場密度和磁場能量與磁場強度之間的正比關係，知磁場的能量和密度同樣隨距離增大而減弱。由於發射線圈產生的磁場使接收線圈振動產生電動勢，從而接收線圈也產生一個同頻率的交變磁場，在兩個磁場的共同作用下，發射線圈與接收線圈之間形成了一種非輻射磁場，將電能轉換成磁場。處在諧振工作狀態下的接收端在磁場中接收能量，從而完成磁場到電能的轉換，運用赫姆霍茲線圈原理，設在理想條件下，兩線圈在間距d範圍內工作在共振狀態下，此時的輸電效率為100%，所以兩線圈之間電流均為I，線圈半徑為R，間距為a(a≤R)，見圖1不同距離磁場分布。

(4)式中

表示一線圈圓心場點到某一場點P的距離平方，R表示線圈半徑。令p坐標為(x，0)，則o2p距離為x-a/2，o1p的距離為x+a/2，由(4)式可計算出兩線圈之間和磁場的分布曲線，當x=0時，有

，說明在o處有極值，當o1、o2之間距離增大時，在中點產生的磁場減弱，在o1、o2之間間距減小時，中點o處的磁場增強，可見只要距離a在合適範圍內，o點附近的磁場是均勻的，所以x=0是中點o處磁場均勻的條件，所以兩線圈中軸上產生的磁感應強度的大小為B=B1+B2

即：

令x=0，有

，所以間距a=R的情況為o點磁場均勻條件，當a≥R時，o點磁感應強度減弱，傳輸效率開始減低。反之，o點磁感應強度增強，傳輸效率增加。由於磁場集中分布於兩個平麵線圈形成的柱形空間體內部，一方面能量集中分布，即實現近場能量耦合，漏磁小，根據能量守恆定律，磁能轉化為電能，損失小，從而提高電磁轉換效率;另一方面降低電磁雜訊，減少了電磁輻射。

1.2 低頻電磁場分布

由於發射天線及接接收天線採用線圈發射，所以採用磁偶極子模型進行分析當交流電流分布給定時，可通過推遲勢(7)計算輻射場。

因此借用磁偶極子模型可以很好地展示出電磁場的分布特徵，以及通過對比磁偶極和電偶極輻射功率的數量級，得知磁偶極輻射比電偶極小(a/λ)2數量級，因此線圈的輻射能力比天線的輻射能力低。

綜合分析上述兩種模型，線圈天線輻射場穩定，發散性小，兩線圈在局域空間中能量傳播均勻，適合近距離範圍進行能量傳輸。由於線圈天線的輻射能力低，導致傳輸距離有限，但比較起基於電偶極模型的天線，可以避免能量過多散發在空間中，所以採用線圈天線是一種短距離傳輸能量的可行方案。

2 電路的主要設計

發射電路具有兩種功能，其一是產生交變電流由天線激發電磁場向外傳播能量，其二是通過外部接入的音頻信號通過改變方波控制信號的占空比實現信號傳輸。

2.1 有外接信號時振蕩電路

信號電路輸入端可輸入方波音頻信號，藉助運算放大器提升電壓增益，並通過三極體開關電路輸入至由NE555構成的單穩態觸發器，外來信號觸發單穩態觸發器由穩定狀態進入暫穩狀態，實現信號的整形及輸出脈衝信號。

LM741是應用廣泛的通用型運算放大器，兩級放大便可以達到較高的電壓增益和很寬的共模和差模輸入電壓範圍。其電路含內部補償，所以不容易自激，工作點穩定，電路工作環境適合，所以適用於此電路中。

單穩態觸發器具有一個穩定狀態和一個暫穩狀態。在外來脈衝的作用下，能夠由穩定狀態翻轉到暫穩狀態。在暫穩狀態維持一段時間後，將自動返回到穩定狀態，其中暫穩態的持續時間便是輸出脈寬。

對於輸出信號的脈衝寬度tw，當初始值Vc(0+)≈0V，終值Vc(∞)=Vcc，轉換值Vc(tw)=2/3Vcc，帶入RC過渡過程計算公式進行計算可得：

脈衝寬度僅取決於元件R、C的值、調節R、C即可調節脈衝寬度。恢復時間tre，一般認為3～5倍即τ2放電完畢，其中電路觸發器的最高工作頻率為

。為了避免電路的不正常運行，在輸入端添加一RC微分電路。

2. 2 無外接信號接入時的振蕩電路

振蕩電路利用555定時器構成簡單的多諧振蕩電路，此振蕩電路是一種自激振蕩電路，電路在接通電源後，無需外加相關觸發信號，便能輸出一定頻率和脈寬的矩形信號，其振蕩器只有兩個暫穩態，電路的組成參見圖3多諧振蕩電路。

2.3 驅動電路

信號電路輸出的脈衝信號還達不到使全橋MOS管正常啟動的要求，需要一個驅動電路。此驅動電路與PWM控制電機驅動電路方法相同。電路採用TL494集成電路，其是一款固定頻率的脈衝調製電路，包含了開關電源控制所需的全部功能。電路當中20k的可調電阻用來調節頻率，10k電阻來調節電壓幅值，在不接音頻信號時可以做一款普通的驅動器R1，R9是9、10腳的下拉電阻。

2.4 功率電路

功率電路是整個無線充電裝置發射端的功率輸出部分，它的性能將直接影響到裝置的輸出功率，由於信號輸入及驅動電路都是基於數字方波信號控制，所以採用移相 PWM全橋電路(參看圖5)作為功率輸出電路，移相PWM全橋電路工作時，功率MoS管的變壓器的漏電感L，*和輸出結電容C(i=4，5，6，7)作為諧振元件，在一個完整的開關周期中通過諧振使全橋變換器中的四個開關管依次在零電壓下導通，並在電容C作用下零電壓關斷，每個橋臂的兩個開關管180度互補導通，兩個橋臂的導通之間相差一個相位。通過調節此移相角的大小，來調節輸出電壓脈衝寬度，最終輸出占空比q可調的正負半周對稱的交流方波電壓，從而達到調節相應的輸出電壓的目的。

3 實驗分析

搭建好實驗平台，由數字信號發生器提供脈衝信號，直流穩定電源為電路板提供電壓，示波器測量相關波形及電壓信號。實驗電路的發射線圈、接收線圈採用1mm直徑漆包線繞制，無縫隙單層繞制5圈，與諧振電容構成LC振蕩電路，其中線圈、電容參數：

發射線圈電感L1：0.08mH，發射電路電容C1：0.57uf

接收線圈電容L2：0.012mH，接收電路電容C2：0.57uf

3.1 信號變化對接收效率的影響

實驗接收電路是諧振頻率為88KHz的L、C組成的諧振電路，將信號頻率控制在88KHz輸入電路，改變輸入矩形波信號的占空比，模擬信號變化狀態，記錄接收波形及電壓幅值，分析占空比對接受效率的影響。

表1不同占空比接收感應電壓幅值

發射線圈電壓：0.151V 1V

因為LC構成的發射、接收線圈固有頻率為89KHz，在間距不變條件下，微小改變發射頻率，通過示波器顯示接收線圈感應電壓最大在發射頻率為90KHz 時，說明兩線圈計算出的固有頻率存在一定誤差，當發射90KHz的脈衝矩形波時，調整占空比發生變化，相應的感應電壓發生變化。從接收電壓幅值變化規律可以得出接收到的信號頻率發生變化，信號頻率與兩線圈固有頻率存在差異，導致兩線圈沒有形成共振。

3.2 距離與效率的關係

因為相關涉及變數過多，採用控制變數法進行測定。設定發射功率、發射頻率、發射線圈位置、發射線圈兩端電壓條件不變，改變接收線圈與發射線圈之間的距離。其中，實驗通過20V、10A的電源及功率電路為實驗電路提供20V穩壓的工作環境，發射頻率固定在90KHz，占空比q=50%。固定發射端位置，使接收電路距接收線圈由近至遠進行逐點測量，實驗中通過測量發射電路輸入電壓V1、電流A1以及接收線圈產生的接收電壓V2、電流A2，分析其在一定距離的傳遞效率ζ，並通過對不同位置的測定，了解距離D與功率ζ的關係。

從數據可以看出效率與傳輸距離之間的關係整體成比例下降關係，其中在兩線圈距離8cm左右出現波峰是由於間距2～8cm時，兩線圈內部電流較大，可以看做挨得很近的電感，兩電感之間的相互作用，導致感應電壓小於理論值，當兩線圈距離大於7.2cm時，電感作用開始減弱，在8cm左右減小為0，此時感應電壓趨近理論值。整體符合理論效率與距離之間的變化關係。

4 總結

隨著無線充電技術的成熟，無線充電技術開始慢慢走近我們的生活，將使我們的生活變得更加便捷。本文所設計作品目的將信號傳輸與能量傳輸兩種概念進行合併，設計一款多功能的無線充電裝置，其即可發射能量，也可發射信號。此設計藉助低頻信號周期長，脈衝寬度大的特點進行實驗設計，實現了無中繼線圈條件下 15cm範圍的能量及信號輸送。但由於採用PWM控制方式，占空比的變化導致傳輸效率的變化，所以進行此種信號傳遞方式時，占空比的跨度不可過大，否則容易導致效率過低。此技術可應用在電力交通方向的無線充電領域，實現發射、接收兩方之間的信號交流，同時根據信號之間交流的結果，達到對能量傳遞的控制。隨著對裝置的改進，進一步提高傳輸效率，提高輸電功率，增加傳輸距離將是日後在此作品主要的研究方向。