#征文#DIY一款无线充电电路-向伟大的麦克斯韦方程致敬(一)

最近DIY了一款用于汽车上的无线充电电路,里面涉及到的知识点很多,很多理论知识可以在这儿得到充分展示。

用到的理论知识包括:

1.变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场;

2.直流电源,电感电路中,在电感未饱和的情况下,流过电感两端的电流和电压波形是什么样的?

3.怎么选型合适MOS管;

4.由于电感的电流是一会儿上升,一会儿下降,产生的磁通也是增大,减小,因而产生的电场也是交变的,需要AC转DC电路;

5.怎么保证磁场尽可能超一个方向传递;

6.感应出的电压该如何给电池充电以及如何进行滤波处理;

7.怎么根据频率和占空比进行调整充电距离的问题。

一.首先考虑制作无线充电电路,需要考虑到怎么制作变化率不恒定的电场,因为我们需要变化的电场产生变化的磁场,进而再感应出电场出来,我们知道当用直流电源给电感充电时,在电感未饱和之前,电感的电流会直线上升,电感两端的电压近似不变,如下图1所示:

                                                 电感充电电流和两端电压波形

因而我们可以通过给电感供直流电,产生变化的电流,但是持续供电的话,会导致电流持续上升,导致电感损坏,我们想到可以给电感增加开关,如下图2所示:

                                          图2 PWM控制的电感充放电电路

通过PWM信号控制NMOS管的开通,从而实现给电感持续的充放电,到这里,我们需要产生的变化磁场就产生了(由变化的电流产生),只有变化的磁场才能再感应出电场。

二。我们同步测量了电感线圈两端的电流和电压曲线图3:

                                            图3 电感两端电流和电压关系

蓝色对应电感充放电电流,黄色对应电感两端电压,在电感电流上升,下降时,电感出现两端近似恒定的电压(暂时忽略中间凸起的图形),该曲线近似等于理论计算公式V=Ldi/dt,由于电感电流是持续近似直线上升,因而电感两端出现了近似恒定的电压。

三。选型合适的MOS管

根据前文的《MOS管热耗计算-开关损耗》,考虑1MHZ开关频率,导通电流100mA,选型以下MOS管:

计算开关损耗,由于是电感负载,

开关损耗:P1=1/4*V*I*(tr+tf)*F=1/4*5*0.1*41ns*1MHz=0.005W,

导通损耗:P2=I*I*Rds=0.1*0.1*0.85=0.0085w。

P=P1+P2=0.01W

T=85°C+0.01*150=86.5°C<150°C

选择的MOS管可以满足结温要求,同时我们也需要关注MOS管的输入电容,需要尽可能的小,不然会导致MOS管开通太慢,电感储存电流太小,因而电感的能量=L*I,跟I是直接相关的。至此,我们根据理论知识1,2,3设计了无线充电的发送端电路。

四。AC-DC整流电路

从图3可以看出,电感两端的电压是方向时刻在变化的,而我们给电池充电是一个方向的,即是直流的,设计整流电路如下图4所示:

                                             图4 AC-DC整流电路

五。因为我们的线圈的面对面贴着设计的,所以希望尽可能多的磁场单向传递,铁氧体很好的帮助了我们解决这个问题,黑色部分即为铁氧体材料,铁氧体是高磁导率材料,可以给恒定不变的磁场提供低阻抗回路,但是当该磁场是变化的,又会感应出反向磁场抑制原有磁场的变化,因而给交变的磁场反而提供了高阻抗回路,这也是为什么电感可以滤波的原因。

到了这儿,我们已经基本实现了无线充电电路,但是实测电池两端的波形,却是纹波很大,而且对于当充电距离变远时,该怎么设计充电时间和频率呢,这部分内容我们放在下一篇分析。

也欢迎大家就以上内容交流指正,谢谢。

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  • craftdon 2023-05-29 17:38
    对于第五点的解释,我有不同意见:首先铁氧体的高频磁导率也是相当好的,所以线圈原本向下面辐射的那部分磁场被铁氧体短路了,且使得铁氧体的磁畴排列一致,反过来增加了正面的磁感应强度,也就是线圈感量增大的原因;所以它是吸收并增强了磁场,不是挡住了; 而电感滤波的原理,可以理解为电感的电流不能突变,干涉信号都是突变的高频电流,会受到电感的抑制,转化为磁能而不能流往后级;当然也可以理解为是电感对高频信号呈现现高阻抗,也就是感抗;本质原因也是反向磁场所产生的阻力,这点我跟作者的理解是相同的
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  • zjk103 2023-05-27 15:19
    学习一下
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  • TH2010 2023-05-24 07:53
    很好!期待下一篇!
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  • dy-PZCvUC1L 2023-05-21 17:09
    写的不错
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  • dy-lyd1vZ59 2023-05-20 12:47
    学习了
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