無線鼠標(biāo)的無接觸供電設(shè)計方案

　　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(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(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(shè)計中G容量的選擇至關(guān)重要。次級電容補償電感產(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）可繪制出負載電流IR和電容C的關(guān)系曲線