无线供电电路制作与探讨
近来，看人家搞旋转LED看得眼热，自己也打算搞一个玩耍玩耍。电路初步确定后在供电方式上却犯了难。目前，常用的供电方式有三种：⑴电池供电；⑵电刷送电；⑶无线供电。电池供电只适用于摇摇棒等短时间使用的装置，长时间运行的装置就不合适。比如能显示时间的旋转LED，每次电池用完，重换电池就够烦心了，换了电池还得重新调整日期、时间，那简直可以用“痛苦”二字来形容。第二种方式——电刷，可以工作任意长的时间（如果不停电的话）。不过，电刷总是有磨损的，业余条件下很难找到合适的高质量的电刷，可能还等不到供电局下达停电通知，电刷就先行罢工了；所以我再三考虑，决定用无线供电的方式，尽管无线供电方式要求的技术高一点，能量转换效率低一点，电磁波干扰大一点，那也只好将就一点了。
一个旋转LED究竟需要消耗多大的电能呢？我们来做一个简单的计算。假设我们采用16个高亮度LED，工作时每个LED耗电10mA，单片机的自身耗电较少，暂且忽略不计，则电路所耗电流的最大值为160mA。电压取3.3V。所以总的功耗约0.5W。再考虑稳压电路的损耗，总功率取1W大概够了。下面我们就按这个要求设计电路。
首先找到有关资料，借鉴别人现成的经验，少走点弯路总是不错的。下面图1图2便是比较典型的线路：图1用普通三极管，图2用场效应管。我把这两个电路都试装了一遍。基本上能工作，但不怎么理想。


先说图1。图中X、C4、R3等元件原来的参数标在括号中。按原来参数装好后通电，几乎没有任何反应，只有断开接收部分的负载R5才看到LED发出预示着还有一线希望的微光。后来经过反复调整，改成括号外的数据，电路基本上能正常工作了。次级接收电路中的谐振电容C7很重要，原电路没有它，接收距离很短；加上谐振电容后传输距离大大增加。
实测发射方供电电压18V，电流I1=80mA；接收方接上负载R5后，输出电压为4V。电能传输效率为

这个效率显然是不够满意的。试验中还发现：不论接收线圈L2是否靠近发射线圈L1，VT2损耗的集电极电流都是80mA不变，这无疑是一个很严重的缺点！
我们再来看图2，看看场效应管能否胜任无线供电这份差事。

按图2搭好电路后接通电源，此时VT1的漏极电流I1仅20mA，将接收线圈L2靠近L1几乎没有什么反应，和图1一样，只有切断SW，断开负载电阻R5后，LED才刚刚发光。
用示波器观察VT1的输入、输出端的波形如图3。

从电压波形来看，失真是相当的大，而且波形的幅度很小。
首先设法增大栅极的波幅，这比较容易，把Vcc1从5V加大到7V！这时漏极电流也随之增到200mA。接收端加上负载R5后U1的电压仅有2V左右，相应的VT1的波形如图4。有没有负载同样不影响VT1漏极电流的大小。看来用场效应管还不如普通三极管！

加上负载后漏极电压波形有了较大改善，栅极电压波形却依然如故。
是不是本人手艺太差才导致这样的结果呢？我们不妨看原资料的实验数据。
据原资料称：按上述电路制作，当发射方的电流电压分别为15V和48mA时，可以给接收方的手机锂电池提供60mA的充电电流，考虑到锂电池的限流电阻还产生了部分压降，设接收端的总电压为5V。按此计算，该电路的输出功率和电能转换效率分别为0.3W和40%。效率勉强说得过去，功率似乎太小了，远远不能满足给旋转LED灯提供电源的要求。
功率和效率上不去的原因究竟何在呢？从图3和图4的波形上看，主要是因为功率管没有工作在开关状态。而导致这种情况的根本原因在于VMOS场效应管的栅极-源极间和漏极-源极间有着很大的极间电容。一般，CGS一般约几百至上千pF，CDS一般约几百pF。难怪我们看到的栅极电压波形的幅度减小，失真变大。
针对上述情况，我对电路作了相应的改动，见图5。

与图2相比，在VMOS场效应管的栅极前面增加了一对互补的射极跟随器，C3从1000p减小到180p，此外Vcc1也略作了调整，从5V增加到6V，其他元件变化不大。
通电后用示波器观察VT3的栅极电压和漏极电压波形，发现波形大为改善，见图6。


随着波形的改善，电路的工作效率也获得极大的提高。当不加任何负载时（L2远离L1），I1仅24mA；L2与L1紧耦合时，I1一下增加到300mA。同时负载电阻R5上获得了12V的电压，折合功率为2.8W！电能转换效率为：

这个结果，应该说是很满意了。2.8W的功率供给旋转LED灯使用已是绰绰有余，效率达到62.7%还有什么可抱怨的呢？（L1和L2之间的距离拉开后功率和效率都会有些变化），只是还有点美中不足的是：L2和L1之间的距离对U2的影响极大，有时两者间的距离只稍须变动了一点点（不到1毫米），U2就从12V左右一下子跌到6~7V，也就是说U2的稳定性还有待提高。我估计是因为整个电路是装在面包板上的试验电路，元件引脚和连接导线都比较长，因此产生了寄生振荡而引起的，这要待重新设计印刷电路板才能见分晓。不过，稳定地输出11V左右的电压是不成问题的。
为了更适合于旋转LED灯的供电，缩小安装空间，我把线圈的外形从圆筒状改成了圆盘状，见图7。

圆盘线圈的内径为7.2mm，外径为8.2mm，用Φ0.5左右的漆包线绕8匝。图5电路中的C4、C9的容量也分别改为5600pF和9100pF。
同时接收方的整流电路也用4只1N4148接成桥式整流。见图8。

线圈经改动后，无负载时VMOS管的静态电流小于30mA；最大输出功率增加到3.84W，相应的漏极电流为0.4A，效率下降到56%（最大功率时）。如果断开接收方的51欧负载，两线圈相隔150mm还能点亮LED灯。
接下来，我又试了不同工作频率对电路的影响。
换用1MHz的晶体，经调试后，同时将C4和C9分别换成1200pF和2400pF。无负载时，I1静态电流仅6mA。当L1与L2距离最近时，U2可达12V左右。适当拉开距离使U2为10V，这时对应的I1为0.2A，电能转换效率为66%。断开负载，两线圈相距200mm还能点燃LED。关于其他频率……嗯，我有点累了，以后有机会再继续实验吧。
最后，根据我的制作体会，给对此有兴趣的爱好者几点忠告：
1． L1、L2一定要配上大小合适的谐振电容，谐振的好坏直接影响传输距离、输出功率和转换效率。这项工作最好有示波器监视，避免谐振在高次谐波的频率上（参见图8）。谐振电容一定要用质量好的，要求电容器量稳定，耐压大于Vcc2的3倍以上。比如可以用绦纶电容，聚乙烯电容等。建议不要用瓷介电容。
2． 虽说传输能量时，波形不是很重要。但是失真太大就会使功率管工作在线性区，而非工作在开关状态，这样将使电能的转换效率大幅度下降。例如：图3、图4的波形就很差，工作在这种波形下，电路的效率一定是低下的。图9所示的波形就比较理想，这种波形表示功率管大部分时间工作在饱和区和截止区，过渡状态占用的时间很少，所以效率肯定不会差到哪里去。
3． IC1（CD4069）的一个反相器用作晶振，剩余的5个反相器都并联起来，以增加带负载能力。
4． CD4069的供电电源Vcc1最好能够调整，所以我采用LM317作为稳压。它的输入就用Vcc2（15~18V），输出根据需要调到5~7V。如果减小Vcc1时I1立马下降，那就说明Vcc1偏小；反之，如果增加Vcc1，I1不再增加，则说明Vcc1已经足够了。
5． 输出功率显然与Vcc2的大小有关，Vcc2的值越大，电流I1就越大，负载电阻R5所得到的功率也越大，但这些都受VMOS场效应管的功率和耐压的制约。
6． 无线供电电路的工作频率不可太高，频率越高对VMOS管的要求也就越高，目前高频特性满足这种要求的VMOS管还不容易找到。所以我们通常选择电路的工作频率为200kHz~1MHz为宜。
7． 频率越低，Vcc2的电压越高，就要求L1的电感量越大。所以当我们大幅度改变工作频率或工作电压时就得考虑改变L1的电感量来适应。
8． 场效应管和谐振电容的耐压至少要大于电源电压（Vcc2）的3倍以上，尤其是当Vcc2选得很高时，更得注意。
9． 输出功率最大时一般并不是效率最高，往往当两线圈相距3~5mm时效率可达到最大，这和实际使用的情况倒是比较吻合。
10． 如果和找到性能更好的器件，我倒很想提高工作频率。一来频率越高，辐射能力肯定越强。还有一个好处就是线圈匝数也会相应减小，如果少到5匝以下，甚至只需2~3匝，那就可以把发射和接收线圈都做在PCB上，至少可以在接收端如此。如果能这样就太妙了。
暂且就想到这几点，余下的条条款款等各位来补充了。