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無線鼠標的無接觸供電設計方案
摘要: 目前廣泛使用的無線鼠標采用電池供電。更換電池給用戶帶來不便。在此給出一種適用于無線鼠標的無接觸供電(Contact-less Power Transfer,CPT)電路,它包括無接觸供電初級電路和次級電路2部分。供電裝置采用USB供電,電壓為5 V,通過自激振蕩電路產生138 kHz左右的高頻振蕩電壓,經鼠標墊內置的無接觸耦合初級載流線圈L31輸出。無線鼠標內置次級載流線圈L32,它采用無接觸感應耦合方式獲取電能,再由MC34063集成穩壓芯片構成BUCK穩壓電路,負載電壓為3.1V。
Abstract:
Key words :

  引言

  目前廣泛使用的無線鼠標" title="無線鼠標">無線鼠標采用電池供電。更換電池給用戶帶來不便。在此給出一種適用于無線鼠標的無接觸供電" title="無接觸供電">無接觸供電(Contact-less Power Transfer,CPT)電路,它包括無接觸供電初級電路和次級電路2部分。供電裝置采用USB供電,電壓為5 V,通過自激振蕩電路產生138 kHz左右的高頻振蕩電壓,經鼠標墊內置的無接觸耦合初級載流線圈L31輸出。無線鼠標內置次級載流線圈L32,它采用無接觸感應耦合方式獲取電能,再由MC34063集成穩壓芯片構成BUCK穩壓電路,負載電壓為3.1V。

  1 無接觸供電電路原理

  圖1為無接觸供電電路原理圖。分裂電感L21,L22和功率開關管Q1,Q2構成自激推挽式變換器電路,每一個開關管的控制電壓分別取自另外一個開關管的兩端電壓。

 

  

 

  1.1 無接觸供電電路工作原理

  理想狀態下,2個開關管的參數相同。初始時刻,開關管Q1,Q2都處在關斷狀態。當電路接通時,電源電壓同時作用于開關管的控制端,使它們同時導通。由于實際電路元件參數并不完全相同,2個開關管兩端的電壓不相等,如Q1的端電壓較低,則Q2的控制電壓較低,使Q2的端電壓更高,從而使Q1的控制電壓更高,使Q1的端電壓更低,這樣就形成了正反饋,最后Q2完全關斷,而Q1完全導通。隨著諧振電容C3兩端電壓的改變,2個開關管在電壓過零時交替導通和斷開,系統自動運行在ZVS模式下。

  L31,L32組成無接觸耦合變壓器" title="耦合變壓器">耦合變壓器,其中C3,C4為初、次級補償電容,初級變換器和初級載流線圈L31屬于固定不動部分;次級感應線圈、次級變換器和負載為可移動部分。初、次級之間不存在電氣連接。

  D1,D2和C5,C6構成升壓整流電路,經L4,C7濾波后由穩壓芯片MC34063構成BUCK穩壓電路。

  通過數學分析建立系統模型,并用PSpiee,Proteus軟件進行相關仿真分析,得到無接觸電能傳輸設計方案。

  1.2 無接觸耦合變壓器工作原理

  如圖2所示,次級線圈的負載近似為純阻性負載RL。初級線圈的電流為,兩端電壓為,次級電流為為初級電流在次級的感應電壓值,為次級電流在初級線圈的感應電壓值。根據圖2中給出的電路的方向,可得初級、次級回路的方程為。

 

  

 

  根據式(3),式(4),次級線圈L32等效為一個電流源。其中ω2M2/Z32稱為次級反映阻抗,它是次級的回路阻抗通過互感反映到初級的等效阻抗。反映阻抗表示次級電路負載對初級電流的影響,直接反映了系統的功率傳輸能力。

 

  

 

  引言

 

  目前廣泛使用的無線鼠標采用電池供電。更換電池給用戶帶來不便。在此給出一種適用于無線鼠標的無接觸供電(Contact-less Power Transfer,CPT)電路,它包括無接觸供電初級電路和次級電路2部分。供電裝置采用USB供電,電壓為5 V,通過自激振蕩電路產生138 kHz左右的高頻振蕩電壓,經鼠標墊內置的無接觸耦合初級載流線圈L31輸出。無線鼠標內置次級載流線圈L32,它采用無接觸感應耦合方式獲取電能,再由MC34063集成穩壓芯片構成BUCK穩壓電路,負載電壓為3.1V。

 

  1 無接觸供電電路原理

 

  圖1為無接觸供電電路原理圖。分裂電感L21,L22和功率開關管Q1,Q2構成自激推挽式變換器電路,每一個開關管的控制電壓分別取自另外一個開關管的兩端電壓。

 

  

 

  1.1 無接觸供電電路工作原理

  理想狀態下,2個開關管的參數相同。初始時刻,開關管Q1,Q2都處在關斷狀態。當電路接通時,電源電壓同時作用于開關管的控制端,使它們同時導通。由于實際電路元件參數并不完全相同,2個開關管兩端的電壓不相等,如Q1的端電壓較低,則Q2的控制電壓較低,使Q2的端電壓更高,從而使Q1的控制電壓更高,使Q1的端電壓更低,這樣就形成了正反饋,最后Q2完全關斷,而Q1完全導通。隨著諧振電容C3兩端電壓的改變,2個開關管在電壓過零時交替導通和斷開,系統自動運行在ZVS模式下。

  L31,L32組成無接觸耦合變壓器,其中C3,C4為初、次級補償電容,初級變換器和初級載流線圈L31屬于固定不動部分;次級感應線圈、次級變換器和負載為可移動部分。初、次級之間不存在電氣連接。

  D1,D2和C5,C6構成升壓整流電路,經L4,C7濾波后由穩壓芯片MC34063構成BUCK穩壓電路。

  通過數學分析建立系統模型,并用PSpiee,Proteus軟件進行相關仿真分析,得到無接觸電能傳輸設計方案。

  1.2 無接觸耦合變壓器工作原理

  如圖2所示,次級線圈的負載近似為純阻性負載RL。初級線圈的電流為,兩端電壓為,次級電流為為初級電流在次級的感應電壓值,為次級電流在初級線圈的感應電壓值。根據圖2中給出的電路的方向,可得初級、次級回路的方程為。

 

  

 

  根據式(3),式(4),次級線圈L32等效為一個電流源。其中ω2M2/Z32稱為次級反映阻抗,它是次級的回路阻抗通過互感反映到初級的等效阻抗。反映阻抗表示次級電路負載對初級電流的影響,直接反映了系統的功率傳輸能力。

 

  

 

  1.3 次級電路分析

  D1,D2和C5,C6構成升壓整流電路。次級線圈L32等效為電流源電路,次級電流近似為正弦波。通過PSpice仿真分析,采用升壓整流電路與全波整流電路相比,在額定負載條件下,無接觸耦合變壓器初級載流線圈L31電壓峰值提高32%,帶負載能力增加3倍多。

  在整個電路設計中G容量的選擇至關重要。次級電容補償電感產生的功率因數降低問題,其容量過大則次級帶負載能力降低。

  為了簡化分析,將G及后邊的電路等效為一個電阻R、一個電容C和一個電感L并聯等效,將次級載流線圈L32用一個電流源IS等效替代,則得到簡化的次級等效電路如圖3(a)所示。

 

  

 

  根據這個等效電路,得到KCL方程:

 

  

 

  則負載電流IR和電容C的關系可用下式表示:

 

  

 

  式中:ω表示振蕩頻率;Voc表示電流源IS的開路電壓。根據式(6)可繪制出負載電流IR和電容C的關系曲線如圖3(b)所示。

  可以看出當電容接近諧振點,負載電流最大,也即輸出功率最大。

 

  2 實驗結果

 

  設計輸入電壓Uin=5 V,Uo=3.1 V的無接觸供電電路如圖4所示,負載為無線鼠標電路,測試負載范圍為60~273 mW。滿輸出負載為91 mA,273 mW,電路效率為52%,工作頻率f=138 kHz。實驗證明電路可行。

 

  

 

  3 結語

 

  通過理論分析建立了無接觸耦合變壓器模型。采用了升壓整流電路,克服了低電壓條件下無接觸耦合次級線圈電壓低的缺陷,電路具有ZVS軟開關特性。經理論分析,該電路帶負載能力最大可達到350 mW。由于無接觸次級載流線圈L32近似為電流源,當負載增加時輸出電壓也隨之減少,電路具備過電流自動保護功能,不需額外提供過流保護電路。

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