《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無線鼠標(biāo)的無接觸供電設(shè)計方案
摘要: 目前廣泛使用的無線鼠標(biāo)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(biāo)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(chǎn)生138 kHz左右的高頻振蕩電壓,經(jīng)鼠標(biāo)墊內(nèi)置的無接觸耦合初級載流線圈L31輸出。無線鼠標(biāo)內(nèi)置次級載流線圈L32,它采用無接觸感應(yīng)耦合方式獲取電能,再由MC34063集成穩(wěn)壓芯片構(gòu)成BUCK穩(wěn)壓電路,負(fù)載電壓為3.1V。
Abstract:
Key words :

  引言

  目前廣泛使用的無線鼠標(biāo)" title="無線鼠標(biāo)">無線鼠標(biāo)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(biāo)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(chǎn)生138 kHz左右的高頻振蕩電壓,經(jīng)鼠標(biāo)墊內(nèi)置的無接觸耦合初級載流線圈L31輸出。無線鼠標(biāo)內(nèi)置次級載流線圈L32,它采用無接觸感應(yīng)耦合方式獲取電能,再由MC34063集成穩(wěn)壓芯片構(gòu)成BUCK穩(wěn)壓電路,負(fù)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(guān)管Q1,Q2構(gòu)成自激推挽式變換器電路,每一個開關(guān)管的控制電壓分別取自另外一個開關(guān)管的兩端電壓。

 

  

 

  1.1 無接觸供電電路工作原理

  理想狀態(tài)下,2個開關(guān)管的參數(shù)相同。初始時刻,開關(guān)管Q1,Q2都處在關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)電路接通時,電源電壓同時作用于開關(guān)管的控制端,使它們同時導(dǎo)通。由于實際電路元件參數(shù)并不完全相同,2個開關(guān)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(guān)斷,而Q1完全導(dǎo)通。隨著諧振電容C3兩端電壓的改變,2個開關(guān)管在電壓過零時交替導(dǎo)通和斷開,系統(tǒng)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(bǔ)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(yīng)線圈、次級變換器和負(fù)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(gòu)成升壓整流電路,經(jīng)L4,C7濾波后由穩(wěn)壓芯片MC34063構(gòu)成BUCK穩(wěn)壓電路。

  通過數(shù)學(xué)分析建立系統(tǒng)模型,并用PSpiee,Proteus軟件進(jìn)行相關(guān)仿真分析,得到無接觸電能傳輸設(shè)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(fù)載近似為純阻性負(fù)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(yīng)電壓值,為次級電流在初級線圈的感應(yīng)電壓值。根據(jù)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(jù)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(fù)載對初級電流的影響,直接反映了系統(tǒng)的功率傳輸能力。

 

  

 

  引言

 

  目前廣泛使用的無線鼠標(biāo)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(biāo)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(chǎn)生138 kHz左右的高頻振蕩電壓,經(jīng)鼠標(biāo)墊內(nèi)置的無接觸耦合初級載流線圈L31輸出。無線鼠標(biāo)內(nèi)置次級載流線圈L32,它采用無接觸感應(yīng)耦合方式獲取電能,再由MC34063集成穩(wěn)壓芯片構(gòu)成BUCK穩(wěn)壓電路,負(fù)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(guān)管Q1,Q2構(gòu)成自激推挽式變換器電路,每一個開關(guān)管的控制電壓分別取自另外一個開關(guān)管的兩端電壓。

 

  

 

  1.1 無接觸供電電路工作原理

  理想狀態(tài)下,2個開關(guān)管的參數(shù)相同。初始時刻,開關(guān)管Q1,Q2都處在關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)電路接通時,電源電壓同時作用于開關(guān)管的控制端,使它們同時導(dǎo)通。由于實際電路元件參數(shù)并不完全相同,2個開關(guān)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(guān)斷,而Q1完全導(dǎo)通。隨著諧振電容C3兩端電壓的改變,2個開關(guān)管在電壓過零時交替導(dǎo)通和斷開,系統(tǒng)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(bǔ)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(yīng)線圈、次級變換器和負(fù)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(gòu)成升壓整流電路,經(jīng)L4,C7濾波后由穩(wěn)壓芯片MC34063構(gòu)成BUCK穩(wěn)壓電路。

  通過數(shù)學(xué)分析建立系統(tǒng)模型,并用PSpiee,Proteus軟件進(jìn)行相關(guān)仿真分析,得到無接觸電能傳輸設(shè)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(fù)載近似為純阻性負(fù)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(yīng)電壓值,為次級電流在初級線圈的感應(yīng)電壓值。根據(jù)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(jù)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(fù)載對初級電流的影響,直接反映了系統(tǒng)的功率傳輸能力。

 

  

 

  1.3 次級電路分析

  D1,D2和C5,C6構(gòu)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(fù)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(fù)載能力增加3倍多。

  在整個電路設(shè)計中G容量的選擇至關(guān)重要。次級電容補(bǔ)償電感產(chǎn)生的功率因數(shù)降低問題,其容量過大則次級帶負(fù)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(lián)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(jù)這個等效電路,得到KCL方程:

 

  

 

  則負(fù)載電流IR和電容C的關(guān)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(jù)式(6)可繪制出負(fù)載電流IR和電容C的關(guān)系曲線如圖3(b)所示。

  可以看出當(dāng)電容接近諧振點,負(fù)載電流最大,也即輸出功率最大。

 

  2 實驗結(jié)果

 

  設(shè)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(fù)載為無線鼠標(biāo)電路,測試負(fù)載范圍為60~273 mW。滿輸出負(fù)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(jié)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(guān)特性。經(jīng)理論分析,該電路帶負(fù)載能力最大可達(dá)到350 mW。由于無接觸次級載流線圈L32近似為電流源,當(dāng)負(fù)載增加時輸出電壓也隨之減少,電路具備過電流自動保護(hù)功能,不需額外提供過流保護(hù)電路。

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