基于pcb電路板繞組的無線充電系統(tǒng)

1無線充電系統(tǒng)的原理目前，傳統(tǒng)的充電工具主要用于手機、p3、計算機等便攜式設(shè)備的充電，一端連接工頻交流電源，另一端連接便攜式電子充電池。這種充電方式有很多不利的地方,首先頻繁的插拔很容易損壞接頭,另外也可能帶來觸電的危險。因此,非接觸式感應(yīng)充電器在上個世紀末期誕生,它利用了普通線圈繞組的可分離式變壓器作為能量轉(zhuǎn)換裝置,不需物理上的連接,就能將電能以電磁感應(yīng)方式傳送給電子設(shè)備,然而這種用鐵素體作為磁芯的可分離式變壓器體積大,不方便攜帶。因此,實現(xiàn)無線充電,能量傳輸效率高,便于攜帶成為充電系統(tǒng)的研究方向之一。本文設(shè)計了一種便攜式電子設(shè)備新型無線充電系統(tǒng),通過新型無核PCB線圈,將電能以無線方式傳輸給電池。只需把手機、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備放在充電平臺上,便可充電。2固定電機的串聯(lián)振幅電路無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理,實現(xiàn)電源與電池之間不需要物理連接進行的能量耦合。如圖1所示,系統(tǒng)工作時,在輸入端將工頻交流電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電、然后逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電流供給初級繞組。通過一對形狀和結(jié)構(gòu)各不相同的PCB線路板繞組進行耦合,次級端口輸出的電流為高頻電流,再經(jīng)過全橋整流電路變換成直流電,為電池充電。由于采用PCB繞組線圈變壓器,容易產(chǎn)生很大的漏磁電感,致使能量損失巨大,效率很低。為了降低損耗,提高無線充電系統(tǒng)的效率,電容C1與PCB繞組線圈的漏磁電感Llk構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。根據(jù)諧振時:因此,只要逆變電路工作在諧振頻率,就能保證PCB初、次級繞組在耦合時能量損失最小,效率最高。3初、次級繞組耦合方案在無線充電系統(tǒng)中,最重要的環(huán)節(jié)就是進行能量傳遞的部件—PCB變壓器。它的設(shè)計成功與否,直接關(guān)系到能量能否通過無線方式進行傳遞。現(xiàn)在國際上出現(xiàn)了一種無核PCB變壓器,它采用PCB線路板結(jié)構(gòu),上下兩層分別為變壓器的初、次級繞組,每層都布上圓形螺旋線,實現(xiàn)耦合。而初、次級都為相同形狀和結(jié)構(gòu)的螺旋繞組,產(chǎn)生的磁動勢在圓心最高,周圍很低,電路板表面的磁動勢不均勻,所以并不是最佳耦合方案。因此,如圖2所示,我們采用了一種新型的PCB變壓器,它具有不同形狀和結(jié)構(gòu)的初、次級繞組。把初、次級繞組分別布在兩塊PCB線路板上,這樣使初、次級繞組分離,就可以實現(xiàn)電能通過繞組無線傳遞。初級采用四層電路板形式,上面三層采用六邊行螺旋繞組,最下面一層作為各層連線。當高頻交流電流流過六形行螺旋繞組時,其中心磁動勢最高,六個角最低,三層六邊行螺旋繞組結(jié)構(gòu)都一樣,只是采用交錯布局,上面一層的螺旋中心正好布局在下面一層六邊形繞組的其中一個角上。這樣的三層交錯布局,剛好在每一個六邊形繞組的其中一個角都跟另外一層的螺旋繞組的一個中心重疊。相當于在每一個磁動勢的最低點都跟一個磁動勢的最高點重疊。因此,電路板表面產(chǎn)生的磁動勢很均勻,能夠為次級繞組提供能量,以至于無論次級PCB繞組在任何方向,放在初級繞組上面的任何位置,都能進行耦合,且能量傳遞效率也最高。而次級采用雙面電路板形式,上層采用圓形螺旋繞組,下層作為各層連線,這種結(jié)構(gòu)簡單,非常適合作為次級繞組,能夠安裝在便攜式電子設(shè)備內(nèi)部,為充電電池提供能量。新型的無核PCB變壓器利用了多層和雙層PCB繞組變壓器各自的優(yōu)勢,為便攜式電子設(shè)備新型無線充電系統(tǒng)的能量傳輸提供了保證。4proelxp的二次開發(fā)我們采用最常用的PCB設(shè)計軟件-ProtelDXP來設(shè)計PCB繞組,由于PCB初、次級繞組分別是四層和雙層螺旋結(jié)構(gòu)PCB線路板,而ProtelDXP并未提供畫平面六邊形螺旋線和平面圓形螺旋線的工具模塊,如果用手工逐筆來畫,得到的精度不高,而且要浪費很多時間,因此,決定對ProtelDXP進行二次開發(fā),來實現(xiàn)畫平面六邊形螺旋線和平面圓形螺旋線的功能。ProtelDXP有一個強大的宏語言服務(wù)器,可以創(chuàng)建在任何服務(wù)器上工作的宏腳本文件。ProtelDXP中使用的腳本語言為ClientBasic,這種語言是建立在VB基礎(chǔ)上的。而ClientBasic屬于解釋語言,所以,宏文件不需要編譯就可以運行。宏語言提供了實現(xiàn)參數(shù)在EDA環(huán)境和宏文件中的傳遞的函數(shù)。通過ProtelDXP?的宏語言服務(wù)器功能,我們實現(xiàn)了二次開發(fā)。畫平面六邊形螺旋線的程序如下:5逆變電路振幅頻率范圍a根據(jù)上述無線充電系統(tǒng)的原理,制作了簡易實驗系統(tǒng)進行實驗,實驗環(huán)境為:220V交流工頻市電;逆變電路諧振頻率范圍控制在100Hz—9MHz;可充電電池為鋰電池,額定功率3.6W,額定電壓為4.2V。6無線充電系統(tǒng)的應(yīng)用本文分析了實現(xiàn)無線充電系統(tǒng)的意義,并對無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理進行了詳細的分析。對PCB變壓器的原理和設(shè)計方法進行了分析和實驗,并獲得滿意的實驗結(jié)果。利用PCB變壓器,使得無物理連接的電能傳輸?shù)靡赃M行。由于其安全、方便等特點,適用范圍非常廣泛,無線充電系統(tǒng)有著非常廣泛的應(yīng)用前景。得到諧振頻率:圖3表明了無線充電系統(tǒng)的效率與頻率的關(guān)系。從圖中的實驗曲線可以看出,逆變電路諧振頻率小于1MHz時,效率逐漸上升,其斜率很大;當頻率在1