無(wú)線(xiàn)電技術(shù)用于通信，已經(jīng)在全世界流行了近一百年。但是，無(wú)線(xiàn)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(dòng)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)現具有防水性能的密封工藝，而且這種個(gè)性化的線(xiàn)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(dòng)終端設備就可以獲得真正的自由，也易于實(shí)現密封和防水。這個(gè)目標必須要求能量也像信息一樣實(shí)現無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳送的想法早已有之，但因為一直無(wú)法突破效率這個(gè)瓶頸，使它一直不能進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域。

如果對傳輸距離沒(méi)有嚴格要求(不跟無(wú)線(xiàn)通信比)，比如在數厘米(本文稱(chēng)微距)的范圍內，其傳輸效率就很容易提高到滿(mǎn)意的程度。如果能用比較簡(jiǎn)單的設備實(shí)現微距條件下的無(wú)線(xiàn)傳能，并形成商業(yè)化的推廣應用，當今社會(huì )隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電子設備將有可能面臨一次新的變革。

作為樣機，本設計僅針對100mAh左右的小容量鋰離子電池和鋰聚合物電池，適用于MP3、MP4和藍牙耳機等袖珍式數碼產(chǎn)品。將它推廣到大容量電池，并不存在原則性的障礙。當然，從實(shí)驗室的樣機到市場(chǎng)中的產(chǎn)品，可能還有比較漫長(cháng)和艱難的工作，如電磁輻射的泄漏問(wèn)題，成本控制與產(chǎn)品工藝，以及市場(chǎng)切入與消費啟動(dòng)等。

近距離無(wú)線(xiàn)充電工作原理

將直流電轉換成高頻交流電，然后通過(guò)沒(méi)有任何有有線(xiàn)連接的原、副線(xiàn)圈之間的互感耦合實(shí)現電能的無(wú)線(xiàn)饋送?；痉桨溉鐖D1所示。


本無(wú)線(xiàn)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成。

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1 無(wú)線(xiàn)充電器電能發(fā)送部分


如圖2，無(wú)線(xiàn)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(chē)電源)，由繼電器選擇。按照交流優(yōu)先的原則，圖中繼電器的常閉觸點(diǎn)與直流(電池BT1)連接。正常情況下S3處于接通狀態(tài)。

當有交流供電時(shí)，整流濾波后的約26V直流使繼電器吸合，發(fā)送電路單元便工作于交流供電方式，此時(shí)直流電源BT1與電能發(fā)送電路斷開(kāi)，同時(shí)LED1(綠色)發(fā)光顯示這一狀態(tài)。

經(jīng)繼電器選擇的+24V直流電主要為發(fā)射線(xiàn)圈L1供電，此外，經(jīng)IC1(78L12)降壓后為集成電路IC2供電，為保證的動(dòng)作不影響發(fā)送電路的穩定工作，電容C3的容量不得小于2200uF。

電能的無(wú)線(xiàn)傳送實(shí)際上是通過(guò)發(fā)射線(xiàn)圈L1和接收線(xiàn)圈L2的互感作用實(shí)現的，這里L(fēng)1與L2構成一個(gè)無(wú)磁芯的變壓器的原、副線(xiàn)圈。為保證足夠的功率和盡可能高的效率，應選擇較高的調制頻率，同時(shí)要考慮到器件的高頻特性，經(jīng)實(shí)驗選擇1.6MHz較為合適。

IC1為CMOS六非門(mén)CD4069，這里只用了三個(gè)非門(mén)，由F1，F2構成方波振蕩器，產(chǎn)生約1.6MHz的方波，經(jīng)F3緩沖并整形，得到幅度約11V的方波來(lái)激勵VMOS功放管IRF640.足以使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)(丁類(lèi))，以保證盡可能高的轉換效率。為保證它與L1C8回路的諧振頻率一致?？蓪4定為100pF，R1待調。為此將R1暫定為3K，并串入可調電阻RP1.在諧振狀態(tài)，盡管激勵是方波，但L1中的電壓是同頻正弦波。

由此可見(jiàn)，這一部分實(shí)際上是個(gè)變頻器，它將50Hz的正弦轉變成1.6MHz的正弦。

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2 無(wú)線(xiàn)充電器電能接收與充電控制部分

正常情況下，接收線(xiàn)圈L2與發(fā)射線(xiàn)圈L1相距不過(guò)幾cm，且接近同軸，此時(shí)可獲得較高的傳輸效率。電能接收與充電控制電路單元的原理如圖3所示。


L2感應得到的1.6MHz的正弦電壓有效值約有16V(空載)。經(jīng)橋式整流(由4只1N4148高頻開(kāi)關(guān)二極管構成)和C5濾波，得到約20V的直流。作為充電控制部分的唯一電源。

由R4、RP2和TL431構成精密參考電壓4.15V(鋰離子電池的充電終止電壓)經(jīng)R12接到運放IC的同相輸入端3；當IC2的反相輸入端2低于4.15V時(shí)(充電過(guò)程中)，IC3輸出的高電位一方面使Q4飽和從而在 LED2兩端得到約2V的穩定電壓(LED的正向導通具有穩壓特性)，Q5與R6、R7便據此構成恒流電路I0=2-0.7R6+R7，另一方面R5使 Q3截止，LED3不亮。

當電池充滿(mǎn)(略大于4.15V)時(shí)，IC3的反相輸入端2略高于4.15V，運放便輸出低電位，此時(shí)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(shí)運放輸出的低電位經(jīng)R8使Q3導通，點(diǎn)亮LED3作為充滿(mǎn)狀態(tài)指示。

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

如果作為產(chǎn)品設計，這部分電路應當盡可能微型化(電流表電壓表只是在實(shí)驗品中調試時(shí)用，產(chǎn)品中不需要)，最好成為電池的附屬電路。

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近距離無(wú)線(xiàn)充電主要元器件選擇

• 電源變壓器T1：5VA18V，這里利用現有的雙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：快速反應的1A
• 可調電阻RP1和RP2：用精密可調的
• 諧振電容C8：瓷介電容耐壓不小于63V
• 整流橋D5-D8：用高頻開(kāi)關(guān)管1N4148
• 精密電壓源：TL431
• 運放IC3：OPA335，TI公司的軌對軌精密單運放
• 晶體管Q3、Q4和Q5：要求漏電流小于0.1uA，放大倍數大于200，圖中已標型號
• 發(fā)光管LED2：普亮(紅)，正向VA特性盡可能陡直(動(dòng)態(tài)電阻小，穩壓特性好)
• 發(fā)送線(xiàn)圈L1：用U1mm的漆包線(xiàn)在U66mm的圓柱體(易拉罐正好)上密繞20匝，用502膠適當粘接，脫胎成桶形線(xiàn)圈
• 接收線(xiàn)圈L2：用U0.4mm的漆包線(xiàn)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

近距離無(wú)線(xiàn)充電器調試要點(diǎn)

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

1 調工作頻率

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

2 調基準電壓

保持L1與L2相距2cm并同軸，此時(shí)C5兩端的直流電壓應當有18-20V。調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之間基準電壓應當恒定為4.15V。任何一項調試必須在保證其他條件不變的情況下進(jìn)行。

3 調充電控制

增大L1與L2的間距(約55mm)，使C5兩端的直流電壓降為8V.或者關(guān)掉發(fā)送單元，在C5兩端接上8V的實(shí)驗電源。

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

4 調充滿(mǎn)顯示

• 在運放輸出高電位時(shí)，保證Q3截止(LED3不亮)的前提下，R5取最大。
• 在運放輸出低電位時(shí)，在LED3中串入電流表，調R8使電流表讀數為0.5mA，此時(shí)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(huì )同時(shí)導通)，IC2耗電更小(小于0.01mA)。

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近距離無(wú)線(xiàn)充電器性能測試

應保證L1與L2附近沒(méi)有其他金屬或磁介質(zhì)。

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，充電控制電路能保證準確可靠的工作，6cm仍可充電。

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(kāi)SW，電流表讀數為10mA，此為慢充電工作方式；接通SW，電流表讀數為30mA，此為快充電工作方式。
• 當充電使電壓表讀數達到4.15V時(shí)，LED3熄且LED2亮，同時(shí)電流表讀數為零，表明電池BT2已被充滿(mǎn)并自動(dòng)停止充電，并且顯示這一狀態(tài)。
• 測試時(shí)，被充電池可用一只20000uF電容代替，以縮短充電時(shí)間便于測試。

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。

4 電源切換

• 斷開(kāi)S1，繼電器復位，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(shí)BT1被斷開(kāi)。
• 兩種供電方式對以上測試結果完全相同。S3用于兩種供電方式的人工切換或強行用直流，一般處于接通狀態(tài)。