1 引言

　　無線電技術用于通信，已經在全世界流行了近一百年。從當初的無線電廣播和無線電報，發展到現在的衛星和微波通信，以及普及到全球幾乎每一個個人的移動通信、無線網絡、GPS等。無線通信極大地改變了人們的生產和生活方式，沒有無線通信，信息化社會的目標是不可議的。然而，無線通信傳送的都是微弱的信息0，而不是功率較大的/能量0。因此許多使用極為方便的便攜式的移動產品，都要不定期地連接電網進行充電，也因此不得不留下各種插口和連接電纜。這就很難實現具有防水性能的密封工藝，而且這種個性化0的線纜使得不同產品的充電器很難通用。如果徹底去掉這些尾巴0，移動終端設備就可以獲得真正的自由0。也易于實現密封和防水。這個目標必須要求能量也像信息0一樣實現無線傳輸。

　　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，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。雖然能量的無線傳送的想法早已有之，但因為一直無法突破效率這個瓶頸，使它一直不能進入實用領域。

　　目前，這個瓶頸仍然沒有實質性的突破。但是如果對傳輸距離沒有嚴格要求（不跟無線通信比），比如在數cm（本文稱微距0）的范圍內，其傳輸效率就很容易提高到滿意的程度。如果能用比較簡單的設備實現微距條件下的無線傳能，并形成商業化的推廣應用，當今社會隨處可見的移動電子設備將有可能面臨一次新的變革。

　　2 工作原理

　　將直流電轉換成高頻交流電，然后通過沒有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實現電能的無線饋送。基本方案如圖1所示。

　　本無線充電器0由電能發送電路和電能接收與充電控制電路兩部分構成。

　　2.1 電能發送部分

　　如圖2，無線電能發送單元的供電電源有兩種：

　　220V交流和24V直流（如汽車電源），由繼電器J選擇。按照交流優先的原則，圖中繼電器J的常閉觸點與直流（電池BT1）連接。正常情況下S3處于接通狀態。

　　圖2無線電能發送單元電路圖

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

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

　　電能的無線傳送實際上是通過發射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實現的，這里L1與L2構成一個無磁芯的變壓器的原、副線圈。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，同時要考慮到器件的高頻特性，經實驗選擇1.6MHz較為合適。

　　IC1為CMOS六非門CD4069，這里只用了三個非門，由F1，F2構成方波振蕩器，產生約1.6MHz的方波，經F3緩沖并整形，得到幅度約11V的方波來激勵VMOS功放管IRF640.足以使其工作在開關狀態（丁類），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。可將C4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，盡管激勵是方波，但L1中的電壓是同頻正弦波。

　　由此可見，這一部分實際上是個變頻器，它將50Hz的正弦轉變成1.6MHz的正弦。

　　2.2 電能接收與充電控制部分

　　正常情況下，接收線圈L2與發射線圈L1相距不過幾cm，且接近同軸，此時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）。經橋式整流（由4只1N4148高頻開關二極管構成）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（充電過程中），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。

　　圖3無線電能接收器電路圖

　　當電池充滿（略大于4.15V）時，IC3的反相輸入端2略高于4.15V。運放便輸出低電位，此時Q4截止，恒流管Q5因完全得不到偏流而截止，因而停止充電。同時運放輸出的低電位經R8使Q3導通，點亮LED3作為充滿狀態指示。

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

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

　　3 主要元器件選擇

　　電源變壓器T1）））5VA18V，這里利用現有的雙18V的，經整流濾波后得到約24V的直流。

　　繼電器J）））DC24V，經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）））用高頻開關管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。

　　發光管LED2）））普亮（紅），正向VA特性盡可能陡直（動態電阻小，穩壓特性好）。

　　發送線圈L1）））用U1mm的漆包線在U66mm的圓柱體（易拉罐正好）上密繞20匝，用502膠適當粘接，脫胎成桶形線圈。

　　接收線圈L2）））用U0.4mm的漆包線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。

　　4 調試要點

　　在發送單元的FUSE1回路上串入電流表，以保持監測。按以下順序調試。

　　4.1 調工作頻率

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

　　4.2 調基準電壓

　　保持L1與L2相距2cm并同軸，此時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行。

　　4.3 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。或者關掉發送單元，在C5兩端接上8V的實驗電源。

　　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。

　　4.4 調充滿顯示

　　在運放輸出高電位時，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，在LED3中串入電流表，調R8使電流表讀數為0.5mA，此時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不會同時導通），IC2耗電更小（小于0.01mA）。

　　5 性能測試

　　應保證L1與L2附近沒有其他金屬或磁介質。

　　5.1 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。

　　5.2 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，LED3熄且LED2亮，同時電流表讀數為零，表明電池BT2已被充滿并自動停止充電，并且顯示這一狀態。

　　測試時，被充電池可用一只20000uF電容代替，以縮短充電時間便于測試。

　　5.3 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。

　　5.4 電源切換

　　斷開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BT1被斷開。

　　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。

　　6 結語

　　作為可行性探索實驗的樣機，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，從實驗室的樣機到市場中的產品，可能還有比較漫長和艱難的工作，如電磁輻射的泄漏問題，成本控制與產品工藝，以及市場切入與消費啟動等。