无线鼠标的无接触供电设计方案

　　引言
   　　目前广泛使用的无线鼠标采用电池供电。更换电池给用户带来不便。在此给出一种适用于无线鼠标的无接触供电（Contact-less Power Transfer，CPT）电路，它包括无接触供电初级电路和次级电路2部分。供电装置采用USB供电，电压为5 V，通过自激振荡电路产生138 kHz左右的高频振荡电压，经鼠标垫内置的无接触耦合初级载流线圈L31输出。无线鼠标内置次级载流线圈L32，它采用无接触感应耦合方式获取电能，再由MC34063集成稳压芯片构成BUCK稳压电路，负载电压为3.1V。
   　　1 无接触供电电路原理
   　　图1为无接触供电电路原理图。分裂电感L21，L22和功率开关管Q1，Q2构成自激推挽式变换器电路，每一个开关管的控制电压分别取自另外一个开关管的两端电压。
   
   　　
   
   　　1.1 无接触供电电路工作原理
   　　理想状态下，2个开关管的参数相同。初始时刻，开关管Q1，Q2都处在关断状态。当电路接通时，电源电压同时作用于开关管的控制端，使它们同时导通。由于实际电路元件参数并不完全相同，2个开关管两端的电压不相等，如Q1的端电压较低，则Q2的控制电压较低，使Q2的端电压更高，从而使Q1的控制电压更高，使Q1的端电压更低，这样就形成了正反馈，最后Q2完全关断，而Q1完全导通。随着谐振电容C3两端电压的改变，2个开关管在电压过零时交替导通和断开，系统自动运行在ZVS模式下。
   　　L31，L32组成无接触耦合变压器，其中C3，C4为初、次级补偿电容，初级变换器和初级载流线圈L31属于固定不动部分；次级感应线圈、次级变换器和负载为可移动部分。初、次级之间不存在电气连接。
   　　D1，D2和C5，C6构成升压整流电路，经L4，C7滤波后由稳压芯片MC34063构成BUCK稳压电路。
   　　通过数学分析建立系统模型，并用PSpiee，Proteus软件进行相关仿真分析，得到无接触电能传输设计方案。
   　　1.2 无接触耦合变压器工作原理
   　　如图2所示，次级线圈的负载近似为纯阻性负载RL。初级线圈的电流为 ，两端电压为 ，次级电流为 为初级电流 在次级的感应电压值， 为次级电流在初级线圈的感应电压值。根据图2中给出的电路的方向，可得初级、次级回路的方程为。
   
   　　
   
   　　根据式（3），式（4），次级线圈L32等效为一个电流源。其中ω2M2／Z32称为次级反映阻抗，它是次级的回路阻抗通过互感反映到初级的等效阻抗。反映阻抗表示次级电路负载对初级电流的影响，直接反映了系统的功率传输能力。
   
   　　
   
   　　引言
   
   　　目前广泛使用的无线鼠标采用电池供电。更换电池给用户带来不便。在此给出一种适用于无线鼠标的无接触供电（Contact-less Power Transfer，CPT）电路，它包括无接触供电初级电路和次级电路2部分。供电装置采用USB供电，电压为5 V，通过自激振荡电路产生138 kHz左右的高频振荡电压，经鼠标垫内置的无接触耦合初级载流线圈L31输出。无线鼠标内置次级载流线圈L32，它采用无接触感应耦合方式获取电能，再由MC34063集成稳压芯片构成BUCK稳压电路，负载电压为3.1V。
   
   　　1 无接触供电电路原理
   
   　　图1为无接触供电电路原理图。分裂电感L21，L22和功率开关管Q1，Q2构成自激推挽式变换器电路，每一个开关管的控制电压分别取自另外一个开关管的两端电压。
   
   　　
   
   　　1.1 无接触供电电路工作原理
   　　理想状态下，2个开关管的参数相同。初始时刻，开关管Q1，Q2都处在关断状态。当电路接通时，电源电压同时作用于开关管的控制端，使它们同时导通。由于实际电路元件参数并不完全相同，2个开关管两端的电压不相等，如Q1的端电压较低，则Q2的控制电压较低，使Q2的端电压更高，从而使Q1的控制电压更高，使Q1的端电压更低，这样就形成了正反馈，最后Q2完全关断，而Q1完全导通。随着谐振电容C3两端电压的改变，2个开关管在电压过零时交替导通和断开，系统自动运行在ZVS模式下。
   　　L31，L32组成无接触耦合变压器，其中C3，C4为初、次级补偿电容，初级变换器和初级载流线圈L31属于固定不动部分；次级感应线圈、次级变换器和负载为可移动部分。初、次级之间不存在电气连接。
   　　D1，D2和C5，C6构成升压整流电路，经L4，C7滤波后由稳压芯片MC34063构成BUCK稳压电路。
   　　通过数学分析建立系统模型，并用PSpiee，Proteus软件进行相关仿真分析，得到无接触电能传输设计方案。
   　　1.2 无接触耦合变压器工作原理
   　　如图2所示，次级线圈的负载近似为纯阻性负载RL。初级线圈的电流为 ，两端电压为 ，次级电流为 为初级电流 在次级的感应电压值， 为次级电流在初级线圈的感应电压值。根据图2中给出的电路的方向，可得初级、次级回路的方程为。
   
   　　
   
   　　根据式（3），式（4），次级线圈L32等效为一个电流源。其中ω2M2／Z32称为次级反映阻抗，它是次级的回路阻抗通过互感反映到初级的等效阻抗。反映阻抗表示次级电路负载对初级电流的影响，直接反映了系统的功率传输能力。
   
   　　
   
   　　1.3 次级电路分析
   　　D1，D2和C5，C6构成升压整流电路。次级线圈L32等效为电流源电路，次级电流近似为正弦波。通过PSpice仿真分析，采用升压整流电路与全波整流电路相比，在额定负载条件下，无接触耦合变压器初级载流线圈L31电压峰值提高32％，带负载能力增加3倍多。
   　　在整个电路设计中G容量的选择至关重要。次级电容补偿电感产生的功率因数降低问题，其容量过大则次级带负载能力降低。
   　　为了简化分析，将G及后边的电路等效为一个电阻R、一个电容C和一个电感L并联等效，将次级载流线圈L32用一个电流源IS等效替代，则得到简化的次级等效电路如图3（a）所示。
   
   　　
   
   　　根据这个等效电路，得到KCL方程：
   
   　　
   
   　　则负载电流IR和电容C的关系可用下式表示：
   
   　　
   
   　　式中：ω表示振荡频率；Voc表示电流源IS的开路电压。根据式（6）可绘制出负载电流IR和电容C的关系曲线如图3（b）所示。
   　　可以看出当电容接近谐振点，负载电流最大，也即输出功率最大。
   
   　　2 实验结果
   
   　　设计输入电压Uin=5 V，Uo=3.1 V的无接触供电电路如图4所示，负载为无线鼠标电路，测试负载范围为60～273 mW。满输出负载为91 mA，273 mW，电路效率为52％，工作频率f=138 kHz。实验证明电路可行。
   
   　　
   
   　　3 结语
   
   　　通过理论分析建立了无接触耦合变压器模型。采用了升压整流电路，克服了低电压条件下无接触耦合次级线圈电压低的缺陷，电路具有ZVS软开关特性。经理论分析，该电路带负载能力最大可达到350 mW。由于无接触次级载流线圈L32近似为电流源，当负载增加时输出电压也随之减少，电路具备过电流自动保护功能，不需额外提供过流保护电路。