一种基于电磁感应的无线充电方法_刘刚

DOI:10.16508/j.cnki.11-5866/n.2013.02.019

第28卷第2期2013年4月

北京信息科技大学学报

Journal of Beijing Information Science and Technology University

Vol．28No．2Apr．2013

文章编号：1674－6864（2013）02－0051－04

一种基于电磁感应的无线充电方法

刘

摘

刚，郑青玉，王德钊

仪器科学与光电工程学院，北京100192）

（北京信息科技大学

要：针对无线充电系统中，最重要的传能部件发射线圈和接收线圈的制作问题，提

出了一种用印制板制作高品质因数的无芯圆形螺旋电感线圈的方法；并搭建了无线充电系统实验平台，实验结果表明电磁感应式无线充电方案是可行的。

关键词：电磁感应；无线充电；印制板螺旋线圈

中图分类号：TM 724

文献标志码：A

An electromagnetic induction based wireless charging method

LIU Gang ，ZHENG Qing-yu ，WANG De-zhao

（School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering ，Beijing Information Science and

Technology University ，Beijing 100192，China ）

Abstract ：Inductor coils are the most important energy transmission components in wireless charging systems and typically exist in pair ：a transmitting coil and a receiving coil．A method for manufacturing coreless circular spiral inductor coils on printed circuit board （PCB ）is presented ，which A wireless charging platform is built to test the performance thereof．Experimental results indicate that the method is of fine feasibility．

Key words ：electromagnetic induction ；wireless charging ；PCB spiral coil

1所示。系统由发射线圈L 1和接收线圈L 2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。由线圈耦合而产生的能量可实现5W 以下手持设备的无线充电

［3］

0引言

从2007年无线充电技术正式诞生（由麻省理工

至目前尚无统一标准。电磁感应学院发表）以来，

式（利用电流通过线圈产生磁场实现近场无线供

电）、磁场共振式（利用磁耦合共振效应近场无线供电）、电波辐射式（电能转换为电波通过辐射传输供电）是目前应用最广泛的三种无线充电技术

［1］

。

。

电磁感应式无线充电技术重点的应用方向是手

［2］

机、平板电脑和笔记本电脑。其关键技术是发射、接收线圈的形状、安装位置和参数的设计，保证接收线圈能够与发射线圈磁路耦合系数最大化，使电能传递更多，传输效率更高。本文作者用自制的无芯PCB 圆形螺旋电感线圈作为无线充电的发射、接收线圈，并搭建了电磁感应式无线充电系统实验平台，进行了可行性实验验证。

图1

初次级线圈电磁传输示意图

1电磁感应式无线充电原理

电磁感应式无线充电传输系统的基本原理如图

无线充电的效率取决于感应线圈之间的耦合系

数（K ）和它们的品质因数（Q ）。耦合与初次级感应线圈之间的距离Z 和初次级线圈的直径比值D 1/D 2有关，以及线圈的形状和线圈之间的角度有关。

03-05收稿日期：2013-作者简介：刘

刚（1963—），男，江苏泰州人，高级工程师，主要从事计算机测控技术的研究。

52

北京信息科技大学学报第28卷

根据毕奥一萨伐尔定律，稳恒电流通过导线时在导线外一点P 处产生的磁感应强度B 为

B =

μ0I d l ˑ r 4πr 3

印制板无芯螺旋线圈的电路形式见图3

。

∫

（1）

首先计算单个载流元线圈轴线上的磁场。设圆

线圈的中心为O ，半径为R ，载有电流I ，如图2所示

。

图3

图2

载流元线圈磁场示意图

圆形螺旋电感线圈示意图

其电感值为：

lg

L =μN 2d avg

2．46

+0．2p 2p 2e －2

（μH ）

（4）

在圆线圈上任取一电流元I d l ，设电流元到P 点的矢径为r ，由于r 恒与I d l 垂直，由毕奥一萨伐尔定律知，电流元I d l 在P 点产生的磁感应强度为

d B =

μ0I d l

ˑ 24πr

（2）

其中d avg =（2r 1+N （W +S ）

N （W +S ）

p =

2r 1+N （W +S ）

－7

式中，μ为磁导率，其值为4πe H /m；N 为线圈圈数；W 为线圈宽度；S 为线圈间距；r 1为线圈内半径。

W 和S 都选定为0. 254mm ，r 1这里若N 取19，

d B 在r 与轴线所在的平面内，其中，并垂直于r 。显

然，线圈上各电流元在P 点所产生的磁感应强度方向是各不相同的，因此，必须把d B 分成垂直于轴线的分矢量d B ⊥和平行于轴线的分矢量d B //。由于d B ⊥互相抵消，而d B //互相加强，所以对称关系，

d B //

μ0I d l R

=d B sin θ=ˑ 2ˑ

4πr r

（3）

设定为20mm ，代入式（4），计算的电感值L =

277. 59μH 。

作为另一重要参数，印制板无芯螺旋电感线圈品质因数Q 值为：

Q =2πf

L R

（5）

由式（3）可知，线圈在P 点产生的磁场，与线圈的半径R 成正比，与P 点到线圈的距离r 的三次方成反比。由此可见，要提高无线传能的效率，必须增

或者减小线圈之间的距离。大耦合线圈的半径，

f 为工作频率；l 为导体长度；R 为导体的电式中，

l

阻；R =KR s ，其中W 为导体宽度；R s 为导电材料

W 的表面电阻；K 为修正因子。这里的K 为

－1．7S K =1+0．3331+W

2

2. 1

无芯PCB 线圈的设计与制作

参数计算

在无线充电系统中，最重要的环节就是进行能

()

（6）

2. 2线圈的制作

——无芯PCB 圆形螺旋线圈［4］。它量传递的部件—

的设计成功与否，直接关系到能量能否通过无线方

式进行传递。

印制板无芯螺旋线圈的绕线形状目前最为常见

六边形和圆形，矩形比圆形易于制作，但的有矩形、

圆形具有较高的品质因数。当前国际上新出现的无

芯PCB 变压器就采用PCB 线路板结构，上下两层分别为变压器的初、次级绕组，每层都布上圆形螺旋线，实现电磁耦合。

选择最常用的PCB 设计软件Protel DXP 来绘制无芯PCB 螺旋线圈，Protel DXP 有一个强大的宏可以创建在任何服务器上工作的宏脚语言服务器，

本文件。Protel DXP 中使用的脚本语言为Client Basic ，而Client Basic 属于解释语言，所以，宏文件不需要编译就可以运行。本设计利用其自带的Client Basic 语言，编写了一个画圆形螺旋线的macro script y ）下的公程序文件。圆形螺旋线在笛卡儿坐标（x ，式为

第2期刘刚等：一种基于电磁感应的无线充电方法53

r =a +bt x =r cos t y =r sin t

r 为螺旋线半径；t 为步距角；a 为螺旋线初始式中，半径，即螺旋线内半径；b 为匀速度。该圆形螺旋线软件程序的流程如图4所示

。

3. 2

相对位置变化对耦合性能的影响

本组实验中，初级线圈和次级线圈具有相同的

几何参数，测试了初、次级无芯PCB 圆形螺旋线圈的空间位置变化对耦合性能的影响，结果见表2。从表中可以分析得出：水平方向上耦合线圈平行且两个线圈轴心位置为O 时，互感最强，耦合程度较高。

表2

线圈空间位置变化对耦合性能的影响

耦合传能效率

发射线圈和接收线圈之间的空隙越大，漏磁越大，耦合程度越小，所以发射线圈和

在垂直方向上

接收线圈的距离越小越好，应控制在5mm 以内。当空隙小于2mm 时，属于近场能量耦合，可提高传输效率，减少电磁辐射。

当发射线圈的中心轴和接收线圈中心轴的位置一致时，发射端对于接收端的电能供给效率最高。当两个中心轴的位置发生错位时，传能效率就会明显降低。应尽量保持平行，两个线圈的位置关系，

当两线圈的空间位置出现倾斜时，耦合效率就会降低。

两线圈相对位置

在水平方向上

图4绘制圆形螺旋线软件流程

在三维空间上

首先在Protel DXP 新建的TEXT 文档中将程序

并输入线宽、线间距、线圈数、线内半径等关键键入，

参数值，然后新建一个PCB 文档，最后运行macro script 程序文件，即可生成所需的印制板无芯平面螺旋电感的PCB 版图，根据版图，用雕刻机制作出无芯PCB 圆形螺旋线圈。

4充电系统设计

如图5所示，无线充电系统是由发送端和接收

［5］

端两部分组成。发送部分包括电源、信号源、调理电路、功率放大电路以及一个印制板螺旋电感线圈（发射线圈）；接收部分包括一个同样的印制板螺旋电感线圈（接收线圈）和整流、滤波、电压检测、调节、控制电路。分离的两部分通过电磁感应耦合，从而实现无线能量传递

。

3

3. 1

影响充电性能的关键因素

几何参数对能量传输效率的影响

可能影响无芯PCB 圆形螺旋线圈电磁感应的

几何参数有：1）螺旋线圈的外半径；2）螺旋线圈的匝数；3）螺旋导线的宽度；4）螺旋线圈的旋转方向。根据上述条件分别改变了相应的几何参数，雕刻了对应的无芯PCB 螺旋线圈并分组进行了实验测试，结果见表1。从表1中分析得出：影响无芯PCB 圆形螺旋线圈能量传输效率的几何参数是线圈外半径。

表1

线圈几何参数变化对传能的影响

次级线圈两端输出电压增加明显无明显变化无明显变化无明显变化无变化

无芯PCB 螺旋线圈几何参数匝数相同、外半径增加外半径相同、匝数增加匝数增加、导线的宽度相同导线宽度增加、其它参数不变左旋导线与右旋导线

图5感应式无线充电系统

4. 1主要电路设计

信号发生电路采用美信公司生产的MAX038芯

54

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片，如图6所示，该芯片是一种高频精密函数信号发生器，只需连接少量的外围器件即可实现0. 1Hz 20MHz 范围内的频率输出。输出频率由注入芯片引脚10（I_IN）的电流和引脚5（COSC ）连接电容的2MHz 、3. 4MHz 容值决定。本系统工作在1MHz 、

及8MHz 频点上波形输出均稳定

。

4. 2

实验测试与分析

表3为N =19圈时印制板无芯螺旋电感线圈

获得的测试数据，负载电路中的发光二极管被点亮。说明距离在10mm 以内的无线能量传输方案是可行的。由表3中的数据可以看出，随着初次级线圈之间的距离不断增大，流过发光二极管的电流逐渐减小，说明传输效率逐渐降低，最大传输功率约为3. 6W 。实验表明电磁感应式的无线充电系统在小于5mm 范围内是可以应用的。

表3

测量次数

1234

测量数据（初次级线圈平行）

整流后电压/V

5. 974. 222. 132. 08

整流后电流/mA

603. 92128. 2416. 0312. 51

距离/mm

12510

5

图6

信号发生电路

结束语

本文介绍了一种印制板无芯圆形螺旋电感线圈

验证了其可用于电磁感应式无线充电的制作方法，

系统中。在研究过程中也发现，印制板电感线圈的

等效串电阻较大，无线传输中存在因功率损耗而产生发热以及能量传输效率低的问题，同时对于发送与接收线圈之间的更复杂的角度失配，以及发送与接收最佳频率的选择等问题还有待于进一步的研究。

由上述振荡电路工作的各频点可知，信号调理电路设计需要满足高频段。这里选用AD 公司生产的AD8009芯片，该芯片是一款频带宽、超高速、高驱动、低失真电流反馈运算放大器，非常适合用于脉冲放大器。

为了得到所需的输出功率，功放电路须选漏极功耗足够大的场效应管，功放管的工作电流和漏极电压都较高，电路设计使用中既要保证能提供足够的振幅而又不损坏MOS 管，本设计选用比较常见的V DSS =200V ），场效应管IRF640（I D =18A 、组成功放电路。其负载就是发射线圈，接在源极和漏极之间。

接收线圈耦合高频电磁波，将高频交变电流经桥式整流、滤波、稳压后，可对手机等功率小于5W 的数码产品实现无线充电。由于影响高频整流效率

特的主要因素是二极管的反向恢复时间和结电容，别是反向恢复时间影响最大，因此整流二极管采用

0603贴片封装的硅高速开关二极管IN4148，其反向恢复时间为4ns ，正向电流为150mA ，导通电压为0. 4V 。

参考文献：

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