一種用于無線鼠標的無接觸供電電路

風舞狂鯊 2014-04-30

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摘要：一種用于無線鼠標的無接觸供電電路，它包括無接觸供電原邊電路和副邊電路兩部分。供電裝置采用USB供電，電壓為5 V，原邊電路通過自激振蕩電路產生138 kHz左右的振蕩電壓，經鼠標墊內置的無接觸耦合原邊線圈輸出能量。無線鼠標內置副邊線圈，用感應耦合方式獲取電能，并由穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓得到3．1 V的直流電壓．通過數(shù)學分析建立系統(tǒng)模型，得到無接觸電能傳輸設計方案。采用了升壓整流電路，克服了低電壓條件下無接觸耦合副邊線圈電壓低的缺陷，實驗證明電路可行。
關鍵詞：無線鼠標；無接觸供電；穩(wěn)壓芯片；PSpice仿真

0 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(wěn)壓芯片構成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(tài)下，2個開關管的參數(shù)相同。初始時刻，開關管Q1，Q2都處在關斷狀態(tài)。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(shù)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(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(wěn)壓芯片MC34063構成BUCK穩(wěn)壓電路。
    通過數(shù)學分析建立系統(tǒng)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(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(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。