无线供电电路的制作与探讨.doc

无线供电电路制作与探讨 近来，看人家搞旋转LED看得眼热，自己也打算搞一个玩耍玩耍。电路初步确定后在供电方式上却犯了难。目前，常用的供电方式有三种：⑴电池供电；⑵电刷送电；⑶无线供电。电池供电只适用于摇摇棒等短时间使用的装置，长时间运行的装置就不合适。比如能显示时间的旋转LED，每次电池用完，重换电池就够烦心了，换了电池还得重新调整日期、时间，那简直可以用“痛苦”二字来形容。第二种方式——电刷，可以工作任意长的时间（如果不停电的话）。不过，电刷总是有磨损的，业余条件下很难找到合适的高质量的电刷，可能还等不到供电局下达停电通知，电刷就先行罢工了；所以我再三考虑，决定用无线供电的方式，尽管无线供电方式要求的技术高一点，能量转换效率低一点，电磁波干扰大一点，那也只好将就一点了。 一个旋转LED究竟需要消耗多大的电能呢？我们来做一个简单的计算。假设我们采用16个高亮度LED，工作时每个LED耗电10mA，单片机的自身耗电较少，暂且忽略不计，则电路所耗电流的最大值为160mA。电压取3.3V。所以总的功耗约0.5W。再考虑稳压电路的损耗，总功率取1W大概够了。下面我们就按这个要求设计电路。 首先找到有关资料，借鉴别人现成的经验，少走点弯路总是不错的。下面图1图2便是比较典型的线路：图1用普通三极管，图2用场效应管。我把这两个电路都试装了一遍。基本上能工作，但不怎么理想。 先说图1。图中X、C4、R3等元件原来的参数标在括号中。按原来参数装好后通电，几乎没有任何反应，只有断开接收部分的负载R5才看到LED发出预示着还有一线希望的微光。后来经过反复调整，改成括号外的数据，电路基本上能正常工作了。次级接收电路中的谐振电容C7很重要，原电路没有它，接收距离很短；加上谐振电容后传输距离大大增加。 实测发射方供电电压18V，电流I1=80mA；接收方接上负载R5后，输出电压为4V。电能传输效率为 这个效率显然是不够满意的。试验中还发现：不论接收线圈L2是否靠近发射线圈L1，VT2损耗的集电极电流都是80mA不变，这无疑是一个很严重的缺点！ 我们再来看图2，看看场效应管能否胜任无线供电这份差事。 按图2搭好电路后接通电源，此时VT1的漏极电流I1仅20mA，将接收线圈L2靠近L1几乎没有什么反应，和图1一样，只有切断SW，断开负载电阻R5后，LED才刚刚发光。 用示波器观察VT1的输入、输出端的波形如图3。 从电压波形来看，失真是相当的大，而且波形的幅度很小。 首先设法增大栅极的波幅，这比较容易，把Vcc1从5V加大到7V！这时漏极电流也随之增到200mA。接收端加上负载R5后U1的电压仅有2V左右，相应的VT1的波形如图4。有没有负载同样不影响VT1漏极电流的大小。看来用场效应管还不如普通三极管！ 加上负载后漏极电压波形有了较大改善，栅极电压波形却依然如故。 是不是本人手艺太差才导致这样的结果呢？我们不妨看原资料的实验数据。 据原资料称：按上述电路制作，当发射方的电流电压分别为15V和48mA时，可以给接收方的手机锂电池提供60mA的充电电流，考虑到锂电池的限流电阻还产生了部分压降，设接收端的总电压为5V。按此计算，该电路的输出功率和电能转换效率分别为0.3W和40%。效率勉强说得过去，功率似乎太小了，远远不能满足给旋转LED灯提供电源的要求。 功率和效率上不去的原因究竟何在呢？从图3和图4的波形上看，主要是因为功率管没有工作在开关状态。而导致这种情况的根本原因在于VMOS场效应管的栅极-源极间和漏极-源极间有着很大的极间电容。一般，CGS一般约几百至上千微法，CDS一般约几百微法。难怪我们看到的栅极电压波形的幅度减小，失真变大。 针对上述情况，我对电路作了相应的改动，见图5。 与图2相比，在VMOS场效应管的栅极前面增加了一对互补的射极跟随器，C3从1000p减小到180p，此外Vcc1也略作了调整，从5V增加到6V，其他元件变化不大。 通电后用示波器观察VT3的栅极电压和漏极电压波形，发现波形大为改善，见图6。 随着波形的改善，电路的工作效率也获得极大的提高。当不加任何负载时（L2远离L1），I1仅24mA；L2与L1紧耦合时，I1一下增加到300mA。同时负载电阻R5上获得了12V的电压，折合功率为2.8W！电能转换效率为： 这个结果，应该说是很满意了。2.8W的功率供给旋转LED灯使用已是绰绰有余，效率达到62.7%还有什么可抱怨的呢？（L1和L2之间的距离拉开后功率和效率都会有些变化），只是还有点美中不足的是：L2和L1之间的距离对U2的影响极大，有时两者间的距离只稍须变动了一点点（不到1毫米），U2就从12V左右一下子跌到6~7V，也就是说U2的稳定性还有待提高。我估计是因为整个电路是装在面包板上的试验电路