摘要：无线充电技能是近年新呈现的一种充电办法，其极大的方便性在许多方面有重要的运用，所以扩展无线充电器的运用功用必不行少，依据电磁耦合共振原理规划一种充电进程中可一起进行音频信号传输的无线充电设备，完结信号、能量一起传递的多功用化，针对无线充电器的电磁场散布和发射电路的规划，从作业原理到电路逐步剖析，并经过试验验证此设备的可行性，为无线充电器的开展供给一种可行的计划。
关键词：无线充电;电磁共振;多功用;信号传输
早在1836年美国科学家尼古拉·特斯拉发明晰依据电磁耦合共振原理的特斯拉线圈，并运用这种设备发射高能电磁波，进行能量传输试验。自此无线输电的概念一向在不时被提起，许多科学家尝试了多种不同的办法，但一向未能处理能量传输进程中的功率过低问题，直到2007年，由MIT的科学家在电能无线传输原理上有了突破性发展，他们运用电磁谐振原理完结了中间隔的电能无线传输，在2m多间隔内将一个60W的灯泡点亮，且传输功率到达40%左右。随后的几年里，科学界开端在依据这个原理的基础上不断改善规划计划，并成功的进步了传输电磁转化功率。
跟着转化功率的进步，这项技能逐步走进电子产品中，手机、电视、电脑等许多电子电子产品都开端规划并运用同一规范的无线充电技能，这项技能的遍及逐步与无线信号wifi有了平等重要的方位。但是这项技能仍存在一些技能难题没有处理，例如现在充电间隔短、功率小、充电数量有限等，不过其运用远景十分明亮。在对现有的无线wifi和无线充电技能进行比较剖析后，以为能够交融两者长处，可一起完结短间隔的信号掩盖及能量传输，本文依据这种思路，规划了一种依据电磁耦合共振原理，完结一起传输音频信号和电磁能量的试验方规划，供给这种计划的可行性。
1 发射线圈的模型剖析
1.1 依据亥姆霍兹模型剖析线圈轴线磁场散布
此谐振无线输电设备包括两个线圈，每一个线圈都是一个自振体系，线圈由多匝漆包线绕成，在电路中充任电感。其间一个是发射设备，与能量源相连，运用RLC 简谐振荡电路发生振荡电流，经过发射线圈向外发射电磁波，因为大部分能量由磁场带着，可近似当作在周围构成必定规模非辐射磁场。接纳线圈在磁场改动效果下将磁场的能量转化成电场;当接纳设备的固有频率与收至I的电磁波频率相一起，此刻两线圈处在谐振状况，接纳电路中发生的电流最强，然后完结电能的高效传输。由此看出发射线圈发生磁场的散布联系能够反映在必定间隔内能量运送的功率联系，所以由电流环与磁偶极子的等效性可到线圈发生磁场的空间散布：
由(1)式可知磁场强度随间隔的添加而削弱，并由(2)和(3)所显现磁场密度和磁场能量与磁场强度之间的正比联系，知磁场的能量和密度相同随间隔增大而削弱。因为发射线圈发生的磁场使接纳线圈振荡发生电动势，然后接纳线圈也发生一个同频率的交变磁场，在两个磁场的一起效果下，发射线圈与接纳线圈之间构成了一种非辐射磁场，将电能转化成磁场。处在谐振作业状况下的接纳端在磁场中接纳能量，然后完结磁场到电能的转化，运用赫姆霍兹线圈原理，设在抱负条件下，两线圈在间隔d规模内作业在共振状况下，此刻的输电功率为100%，所以两线圈之间电流均为I，线圈半径为R，间隔为a(a≤R)，见图1不同间隔磁场散布。
(4)式中
表明一线圈圆心场点到某一场点P的间隔平方，R表明线圈半径。令p坐标为(x，0)，则o2p间隔为x-a/2，o1p的间隔为x+a/2，由(4)式可核算出两线圈之间和磁场的散布曲线，当x=0时，有
，阐明在o处有极值，当o1、o2之间间隔增大时，在中点发生的磁场削弱，在o1、o2之间隔离减小时，中点o处的磁场增强，可见只需间隔a在适宜规模内，o点邻近的磁场是均匀的，所以x=0是中点o处磁场均匀的条件，所以两线圈中轴上发生的磁感应强度的巨细为B=B1+B2
即：
令x=0，有
，所以间隔a=R的状况为o点磁场均匀条件，当a≥R时，o点磁感应强度削弱，传输功率开端减低。反之，o点磁感应强度增强，传输功率添加。因为磁场会集散布于两个平面线圈构成的柱形空间体内部，一方面能量会集散布，即完结近场能量耦合，漏磁小，依据能量守恒定律，磁能转化为电能，丢失小，然后进步电磁转化功率;另一方面下降电磁噪声，减少了电磁辐射。
1.2 低频电磁场散布
因为发射天线及接接纳天线选用线圈发射，所以选用磁偶极子模型进行剖析当沟通电流散布给守时，可经过推迟势(7)核算辐射场。
因而借用磁偶极子模型能够很好地展示出电磁场的散布特征，以及经过比照磁偶极和电偶极辐射功率的数量级，得知磁偶极辐射比电偶极小(a/λ)2数量级，因而线圈的辐射才能比天线的辐射才能低。
归纳剖析上述两种模型，线圈天线辐射场安稳，发散性小，两线圈在局域空间中能量传达均匀，合适近间隔规模进行能量传输。因为线圈天线的辐射才能低，导致传输间隔有限，但比较起依据电偶极模型的天线，能够防止能量过多散发在空间中，所以选用线圈天线是一种短间隔传输能量的可行计划。
2 电路的首要规划
发射电路具有两种功用，其一是发生交变电流由天线激起电磁场向外传达能量，其二是经过外部接入的音频信号经过改动方波操控信号的占空比完结信号传输。
2.1 有外接信号时振荡电路
信号电路输入端可输入方波音频信号，凭借运算扩大器进步电压增益，并经过三极管开关电路输入至由NE555构成的单稳态触发器，外来信号触发单稳态触发器由安稳状况进入暂稳状况，完结信号的整形及输出脉冲信号。
LM741是运用广泛的通用型运算扩大器，两级扩大便能够到达较高的电压增益和很宽的共模和差模输入电压规模。其电路含内部补偿，所以不简单自激，作业点安稳，电路作业环境合适，所以适用于此电路中。
单稳态触发器具有一个安稳状况和一个暂稳状况。在外来脉冲的效果下，能够由安稳状况翻转到暂稳状况。在暂稳状况保持一段时间后，将主动返回到安稳状况，其间暂稳态的持续时间就是输出脉宽。
关于输出信号的脉冲宽度tw，当初始值Vc(0+)≈0V，终值Vc(∞)=Vcc，转化值Vc(tw)=2/3Vcc，带入RC过渡进程核算公式进行核算可得：
脉冲宽度仅取决于元件R、C的值、调理R、C即可调理脉冲宽度。恢复时间tre，一般以为3～5倍即τ2放电结束，其间电路触发器的最高作业频率为
。为了防止电路的不正常运转，在输入端添加一RC微分电路。
2. 2 无外接信号接入时的振荡电路
振荡电路运用555守时器构成简略的多谐振荡电路，此振荡电路是一种自激振荡电路，电路在接通电源后，无需外加相关触发信号，便能输出必定频率和脉宽的矩形信号，其振荡器只要两个暂稳态，电路的组成参见图3多谐振荡电路。
2.3 驱动电路
信号电路输出的脉冲信号还达不到使全桥MOS管正常发动的要求，需求一个驱动电路。此驱动电路与PWM操控电机驱动电路办法相同。电路选用TL494%&&&&&%，其是一款固定频率的脉冲调制电路，包括了开关电源操控所需的悉数功用。电路傍边20k的可调电阻用来调理频率，10k电阻来调理电压幅值，在不接音频信号时能够做一款一般的驱动器R1，R9是9、10脚的下拉电阻。
2.4 功率电路
功率电路是整个无线充电设备发射端的功率输出部分，它的性能将直接影响到设备的输出功率，因为信号输入及驱动电路都是依据数字方波信号操控，所以选用移相 PWM全桥电路(参看图5)作为功率输出电路，移相PWM全桥电路作业时，功率MoS管的变压器的漏电感L，*和输出结电容C(i=4，5，6，7)作为谐振元件，在一个完好的开关周期中经过谐振使全桥变换器中的四个开关管顺次在零电压下导通，并在电容C效果下零电压关断，每个桥臂的两个开关管180度互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相位。经过调理此移相角的巨细，来调理输出电压脉冲宽度，终究输出占空比q可调的正负半周对称的沟通方波电压，然后到达调理相应的输出电压的意图。
3 试验剖析
搭建好试验渠道，由数字信号发生器供给脉冲信号，直流安稳电源为电路板供给电压，示波器丈量相关波形及电压信号。试验电路的发射线圈、接纳线圈选用1mm直径漆包线绕制，无缝隙单层绕制5圈，与谐振电容构成LC振荡电路，其间线圈、电容参数：
发射线圈电感L1：0.08mH，发射电路电容C1：0.57uf
接纳线圈电容L2：0.012mH，接纳电路%&&&&&%C2：0.57uf
3.1 信号改动对接纳功率的影响
试验接纳电路是谐振频率为88KHz的L、C组成的谐振电路，将信号频率操控在88KHz输入电路，改动输入矩形波信号的占空比，模拟信号改动状况，记载接纳波形及电压幅值，剖析占空比对承受功率的影响。
表1不同占空比接纳感应电压幅值
发射线圈电压：0.151V 1V
因为LC构成的发射、接纳线圈固有频率为89KHz，在间隔不变条件下，细小改动发射频率，经过示波器显现接纳线圈感应电压最大在发射频率为90KHz 时，阐明两线圈核算出的固有频率存在必定差错，当发射90KHz的脉冲矩形波时，调整占空比发生改动，相应的感应电压发生改动。从接纳电压幅值改动规则能够得出接纳到的信号频率发生改动，信号频率与两线圈固有频率存在差异，导致两线圈没有构成共振。
3.2 间隔与功率的联系
因为相关触及变量过多，选用操控变量法进行测定。设定发射功率、发射频率、发射线圈方位、发射线圈两头电压条件不变，改动接纳线圈与发射线圈之间的间隔。其间，试验经过20V、10A的电源及功率电路为试验电路供给20V稳压的作业环境，发射频率固定在90KHz，占空比q=50%。固定发射端方位，使接纳电路距接纳线圈由近至远进行逐点丈量，试验中经过丈量发射电路输入电压V1、电流A1以及接纳线圈发生的接纳电压V2、电流A2，剖析其在必定间隔的传递功率ζ，并经过对不同方位的测定，了解间隔D与功率ζ的联系。
从数据能够看出功率与传输间隔之间的联系全体成份额下降联系，其间在两线圈间隔8cm左右呈现波峰是因为间隔2～8cm时，两线圈内部电流较大，能够看做挨得很近的电感，两电感之间的相互效果，导致感应电压小于理论值，当两线圈间隔大于7.2cm时，电感效果开端削弱，在8cm左右减小为0，此刻感应电压趋近理论值。全体契合理论功率与间隔之间的改动联系。
4 总结
跟着无线充电技能的老练，无线充电技能开端渐渐走近咱们的日子，将使咱们的日子变得愈加快捷。本文所规划著作意图将信号传输与能量传输两种概念进行兼并，规划一款多功用的无线充电设备，其即可发射能量，也可发射信号。此规划凭借低频信号周期长，脉冲宽度大的特色进行试验规划，完结了无中继线圈条件下 15cm规模的能量及信号运送。但因为选用PWM操控办法，占空比的改动导致传输功率的改动，所以进行此种信号传递办法时，占空比的跨度不行过大，不然简单导致功率过低。此技能可运用在电力交通方向的无线充电范畴，完结发射、接纳两方之间的信号沟通，一起依据信号之间沟通的成果，到达对能量传递的操控。跟着对设备的改善，进一步进步传输功率，进步输电功率，添加传输间隔将是日后在此著作首要的研讨方向。
