一种高频无线充电电路的研究和分析

1、一种高频无线充电电路的研究和分析赵安曲立国过劲劲安徽师范大学物理与电子信息学院摘要：无线充电技术早期起源于电磁感应原理，由供电线圈将电能通过电磁感应传输 给接收线圈，接收线圈利用接收到的能量对蓄电池进行充电，两者之间以磁场 进行能量的传输，因此充电器和用电设备z间可以做到无导线外露。介绍了一种 采用xkt-801高频无线充电智能芯片作为发射充电器，通过电磁感应在接收端 一定距离内接收稳定直流电压的系统，可实现对2 500m ah锂电池的充电，体积 小，效率高，可以设计用于便携移动用电设备的无线充电。关键词：无线充电;电磁感应；xkt-801;高频交流信号;作者简介：赵安（1995-），男，本科

2、，主要研究方向：智能控制。作者简介：曲立国（1970-），通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向： 智能信息处理和智能控制。e-mail :qlg77163. com。作者简介：过劲劲（1995-），男，本科，主要研究方向：智能控制。收稿日期：2017-04-27基金：安徽师范大学大学生创新创业训练计划项目资助（201610370167）research and analysis of high frequency wireless charging circuitzhao an qu liguo guo jinjinschool of physics and electronic info

3、rmstion,anhui normal university;abstract：wireless charging technology originated from the principle of electromagnetic induction in the early days. the electric energy is transmi tied to the receiving coil by electromagnetic induction from the power supply coil. the receiving coil uses the received

4、energy to cheirge the battery. the energy transfers between the two magnetic fields. therefore, there is no wire exposure between the charger and the electrical equipment. this paper introduces a xkt-801 high frequency wireless charging smart chip as the launch charger. through the electromagnetic i

5、nduction, the system receives stable dc voltage at a certain distancc within the receiving end, which can realize the charging of the 2 500 m ah lithium battery, with small volume and high efficiency, and can be designed for portable mobile power equipment wireless charging.keyword：wireless charging

6、; clcctromagnctic induction; xkt-801; high frequcncy ac signal;received： 2017-04-27o引言随着科技的发展，传统的有线充电器在携带和充电上显得越來越不方便，无线 充电器的优势得到展现。无线充电技术一旦普及，将使电子产品摆脱插座和线缆 的束缚，有助于解决电气接口不同或充电器不兼容的问题，从而增强便携性、美 观性以及使用的安全性。现今无线充电技术有电磁感应式、磁共振式、无线电波 式，本文介绍了一种基于xkt-801芯片的无线充电系统。该系统分为发射端和接 收端组成，发射端采用大功率智能无线充电芯片xkt-801设计，接

7、收端采用 xkt-3169智能充电芯片，通过电磁感应原理在发射端产生交变磁场，接收端感 应电磁信号，整流后在输出端产牛稳定的直流电压。1无线充电原理1.1电磁感应式电磁感应式无线充电传输系统的基本原理如图1所示。系统由发射线圈l1和接 收线圈l2组成，2个线圈组在一起构成电磁耦合感应器。发射线圈所携带的交 流电产生磁场，并通过线圈耦合使接收线圈产生电压1。lil2图1电磁感应示意图下载原图 1.2磁共振式磁共振式也被称为近场谐振式，由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个 装置的频率一致时，或者说在一个特定的频率上产生共振时，交换彼此的能量。 其原理与声音的共振原理相同，排列在磁场中的相同振动

8、频率的线圈可从一个 向另一个发送能量及1，如图2所示。1.3无线电波式无线电波式主要由电波发送和接收装置组成，工作原理与矿石收咅机相同，发 送端将能量以无线电波的形式发送出去，接收端将电波信号接收供设备使用， 如图3所示。但是由于电波的发散使得效率十分低，无法将所有发送出去的电波 都接收到3。lil2图2磁共振式示意图下载原图发送端接收端图3无线电波式示意图下载原图2电磁感应式无线充电电路设计根据毕奥-萨伐尔定律，稳恒电流通过导线时在导线外一点p处产牛的磁感应强 度b为：mo4ttdb二血4ttidl x r2厂单个载流元线圈（半径为r）轴线上任一电流元idl在p点（p点与线圈的距离 为r）产

9、牛的电磁感应强度为：显然线圈上电流元在p点所产生的磁感应强度方向各不相同，由于对称关系, 垂直于轴线的分量相互抵消，平行于轴线的分量相互叠加匕1,所以二 dbsinmo idl 石x 7 x当接收线圈放置在p点，假设接收线圈面积为s,共有n匝，此时p点磁通量为：.ncidlrccb =bxs=x x xs4tt广 r根据法拉第电磁感应定律可得，p点线圈产生感应电动势为：e = n x = tvx 件 x-x*xsm4tt dt r由以上公式可以得到，当发送和接收线圈距离、面积和匝数等都是常数时，接收 端电压与电流的变化率成正比，即与线圈所通交流电的频率有关，频率越大， 接收端电压越高。2. 1

10、 eg80100全桥逆变电路eg8010是一款数字化的、功能完善的纯正弦波发生芯片，通过芯片产生的spw'm 用来驱动全桥逆变，产生正弦波交流电压通过线圈转变为变化的电磁场，在接 收端通过线圈可以接收到发送端逆变产牛的交流信号，完成能量的传输，但是 全桥逆变电路发热严重，能量利用率低，易损坏mos管，电路如图4所示。2.2 tl494脉宽调制逆变电路tl494脉宽调制逆变电路激式变换部分采用tl494芯片和2个三极管组成灌电流 驱动电路，驱动2路mos开关管，完成对输入电压的逆变，如图5所示。该电路 的弊端是电路复杂，并且逆变电压太高，不利于用于实践和安全。图4 eg8010全桥逆变电

11、路 下载原图tl4941图5 tl494脉宽调制电路下载原图2. 3 xkt-801无线充电发送电路xkt-801无线充电电路简单，高频大功率集成电路具有精度高、稳定性好的特 点。该电路由发送端和接收端组成，发送端电路如图6所示。pl图6 xkt-801发送电路下载原图发送端电路由xkt-801和xkt-1511组成，将输入电压输入xkt-81芯片后，电压 检测，微调频率，使得芯片输出端输出交变的低频方波信号，当信号输送入 xkt-1511芯片时进行倍频，将输入信号倍频输出高频电压信号，以提高接收端 感生电动势。接收端电路由xkt-3169芯片组成，通过电磁感应原理，在接收端的线圈处把接 收到

12、的磁场转变为交流电压，经过滤波后输入到芯片，进行整流稳压，在输岀 端将输岀电压采样，反馈给芯片的电压检测端口，达到控制电压稳定输岀的效 果，如图7所示。3 xkt-801无线充电电路的验证和试验3.1无线充电电路可行性实验当在发送端接入直流电压时，在xkt-801芯片输出端通过示波器观察，得到稳 定的方波电压信号，如图8所示。10 nfss51014凋39 nfe10 w塞ss34xkt-31696.图7 xkt-3169接收电路 下载原图图8 xkt-801输出电压波形 下载原图xkt-801芯片输岀的方波信号经过xkt-1511芯片后，进行倍频放大，在输出端 得到频率为145 khz的低压

13、半波正弦信号，达到高频输出的效果，如图9所示。图9发送端线圈电压波形下载原图通过电磁感应，在接收端产生一个相应的高频电压波形，如图10所示。通过滤 波，在xkt-3169输岀端产生稳定的直流电压。3.2充电系统的效率实验3. 2. 1空载实验在输出端不接入负载时进行无线充电电路的空载实验，实验数据如表1所示。通过实验数据可以看岀来，当电路空载时，输入端输入功率变化不大，输岀电 压保持稳定，如图11、12所示。图1 0接收端电磁感应电压波形下载原图距离/ cm输入/v输入/a功辞2240.081.2.2240.08193240.081.3.5240.081.4240.081.4.5240.071

14、.5240.071.5.5240.071.6240.071.6.5240.071.7240.071.图13. 2.2负载实验在无线充电电路的直流电压输出端接入2 500 m ah锂电池进行带负载充电实验。 实验数据如表2所示。由数据可以得到，在一定范围内电路的输出电压和输入输出功率保持稳定，当 超出范围后平滑变化，如图13所示，带负载输入输出功率曲线如图14所示，充 电效率在一定范围内保持相应稳定，如图15所示。表2无线充电电路带负载下载原表距离/ cm输入/v输入/a功率/w输出/v输出2240.24.85. 190.52.5240.24.85. 190.53240.24.85. 190.5

15、3.5240.24.85. 190.54240.184.325. 190.44.5240.163.844.680.3<5240.143.364.60.25.5240. 12.44.42o. r6240.081.924.320.036.5240.071.684. 19o.oof7240.071.683.8304>$2°0246l/cm图1 3无线充电电路输出电压曲线下载原图246l/cm图1 5无线充电电路效率曲线下载原图4结论本文主要介绍了无线充电技术的原理，并对电磁感应原理进行分析得出无线充 电发送端交流信号频率与接收端感应电压成正比，进而得出新型智能高频无线 充电芯片xkt-801电路在无线充电上的优势。通过实验得出的数据和图表可以看 到，当发送端和接收端距离为3. 5 cm吋，该充电电路的效率和输出都能得到稳 定，可以用于一些智能设备的无线充电，能够实现安全、方便和高效。参考文献1 姚晓平电能无线传输应用方案j制造业自动化，2011, 33 (12) :62-65