图2 分离式疏松耦合变压器

3. 系统构成与分析
3.1 总体结构
    图3所示是一个简易的近距离无线供电系统的结构图。其中原线圈(Primary Coil)、原磁心(Primary Core)及其控制电路构成了发射端。副线圈(Secondary Coil)、副磁心(Secondary Core)及其整流滤波、DC-DC转换器等电路构成了接收端，该部分可集成在移动设备等负载中。当需要供电时，将负载的接收线圈靠近发射线圈，通过电磁感应，发射端的能量即传输到接收端。

图3 简易无线供电系统的结构

3.2 电路分析
    图3中四个Power MOSFET Q1、Q2、Q3和Q4构成桥式逆变电路。当Q1/Q4时导通时，Q2/Q3须关断；相反，当Q2/Q3时导通时，Q1/Q4须关断。Q1/Q4和Q2/Q3的轮流开通，将直流电转变成交流电，为发射端线圈提供交变电流。开关频率f=100kHz。
    由于Power MOSFET存在着较大的输入电容，驱动电路为开关时的充放电提供了足够大的电流，保证了足够的开关速度。为了能使Q1和Q2的正常开启，其控制电压需大于DC值与MOSFET开启门限电压之和。
通过电磁场的耦合，副线圈感应出交变的电压，经过整流滤波后变为直流电压，之后再经过DC--> DC转换器，输出指定的电压值给负载供电。
    由于原线圈和副线圈的电感、耦合系数等因素的互相关联，上述电路的完整分析比较复杂，下面只进行一下简单的分析。
    在忽略线圈的分布式电容、电阻和磁芯损耗电阻等的影响下，图3的简易等效电路图如图4所示。

图4 简易等效电路图

    设原线圈电感L1，副线圈电感为L2，它们之间的互感为M，则耦合系数k为，
 （1）
    原边线圈电感L1被分成两部分，一部分是其漏磁电感L1,leak，另一部分是磁化电感L1,m，它们的值如图4中所示。
    根据阻抗变换规则，副边的电容C2和负载阻抗ZL等效到原边后的阻抗如图4中所示。
    为了降低损耗，增加系统的效率，原边补偿电容C1应与原线圈的漏磁电感L1,leak构成串联谐振电路。原线圈的磁化电感L1,m与副边补偿电容C2的等效电容构成并联谐振。
    根据谐振时，
（2）

    将两组谐振电路的电容值和电感值带入公式（2）中，分别有，

   公式（3）和（4）为估算电容C1和C2提供了依据，还需要与试验的方法相结合，测试出合适的值。

（3）
（4）
4. 磁性材料
    为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，增加原线圈与副线圈之间的耦合系数，同时为了减少漏磁辐射对人体的危害，图2中的原边磁心(Primary Core) 和副边磁心(Secondary Core)选用了Ferrite Pot Core，其形状和基本材料属性如图5所示。
    磁性材料可分为硬磁材料和软磁材料。其中软磁材料磁导率大，矫顽力小,磁滞损耗低，磁滞回线成细长条形状，这种材料容易磁化，也容易退磁，适用于交变磁场。
    同时还要通过磁路计算，选用的磁性材料饱和磁感应强度要大于实际的磁感应强度需求。还要注意磁性材料损耗与频率的关系特性。

图5 Ferrite Pot Core的形状和材料

    对于图5中所示的形状，缺口G处是为了线圈线引线的方便，为防止漏磁，缺口应该足够小。内圈（F）和外圈（A－E）足够大有利于增加原线圈与副线圈中心轴线不吻合时的耦合效率。

5. 结束语
    本文设计了一种简易的无线供电原型，并对电路模型、耦合结构和磁性材料等问题进行了初步的分析和探讨。由于其方便、安全等特点，无线供电技术有着广泛的应用前景。

参考文献：
[1] Sakamoto, H.; Harada, K.; “A novel converter for non-contact charging with electromagnetic coupling” ,Magnetics, IEEE Transactions on , Volume: 29 , Issue: 6 , Nov 1993 Pages:3228 - 3230
[2] “SMD Coil Formers and Cores”, technical note, Philips Magnetic Products
[3] Jie Wu, Victor Quinn, and Gary H. Bernstein, “A simple, wireless powering scheme for
MEMS devices,” Proc. of SPIE Vol. 4559, 2001.