實實務務專專題題報報告告書書 無無 線線 電電 力力 傳傳 輸輸

指 導 老 師：呂奇璜

專題製作學生：四技電四甲 葉景隆 BD99033

四技電四甲 劉偉諄 BD99037

中華民國 一０二 年 十二 月 十一 日

修 平 科 技 大 學 電 機 工 程 系

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING HSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

修平科技大學

電

機

工

程

系

102 實務專題報告書—

無線電力傳輸

指導老師：呂奇璜

學生：葉景隆、劉偉諄

一、摘要

隨著可攜式媒體播放器、智慧手機和平板電腦等電池供電的消費性

電子設備的不斷普及，導致家中到處充斥著大量不同的充電器和成捆的

纜線，然而攜帶式電子產品須利用其特定之充電器對其內建之蓄電池進

行充電，由於每個電子產品皆使用其特定規格之插頭，不同之充電器無

法通用而造成了成本提高及環境之汙染。本目標在於設計一個無線電力

傳輸系統，其架構上為共振式 磁能傳輸，電路中我們使用了 TIP41C，

這是一顆高效率的 NPN電晶體，藉由這顆電晶體去推動整個電路放大，

產生磁感應電勢，最後兩線圈去感應，將發射端(TX)線圈 40T與接受端

(RX)線圈 20T以不接觸方式去感應，然後接受端(RX)所接的 LED燈條將

會閃爍，也證明了是有電流通過且供給 LED燈條動作發亮。

I

二、目錄

第一章 緒論

1.1 研究背景---------------------------- 1

1.2 研究動機與回顧---------------------- 3

第二章 傳輸基本原理與電路設計

2.1 無線電力傳輸之基本概念-------------- 9

2.2 共振式感應線圈之動作原理------------ 10

2.3 共振電路 RLC 特性分辨---------------- 12

2.4 非裡想之能量耗損-------------------- 14

2.5 傳輸效率---------------------------- 15

第三章 結論

3.1 作品原理電路圖----------------------16

3.2 系統架構圖--------------------------18

3.3 系統簡單示意圖----------------------18

3.4 實驗結果----------------------------19

3.5 未來展望----------------------------22

3.6 參考文獻----------------------------22

II

第一章 緒論

1.1研究背景

近年來消費性電子產品以蓬勃發展，使用族群也逐漸擴大，大多數

消費性點子產品皆要直流電源作為其驅動電力，

無論是行動電話、數位相機、數位播放器、個人行動助理(PDA)，輕薄短

小與便利性將是今日電子產品設計之主要目標。然而在電源供應部分，

常常會遇到不同規格的連接頭與錯綜複雜的電線，倘若以無線電力的方

式來做電力供應，對於使用者來說無疑是省去許多麻煩，帶來生活上的

便利，因此設計一套無線電力傳輸系統將會是值得深討的課題。

在傳統供電是透過金屬接點接觸連接，雖然此方式容易

實現，並可滿足大部分用途，然而當人們對於用電品質性、可靠性等要

求不斷提高的目標之下，這種接觸式電力傳輸將產生無法適用於許多應

用場合的缺陷。例如，在油井礦場等開採場合，可能會因金屬接觸點造

成火花而引起爆炸。在醫科技上，於人體內之人工輔助裝置進行充電若

使用傳統接觸式電力傳輸方式則需要定開刀進行電池更換，不但增加病

人的痛苦也存在著許多的風險及不便。於日常活中，傳統接觸式電能傳

輸方式將會造成插頭與插座匹配的困擾與操作上的便利性問題。無線感

應電能傳輸方式的出現，將可以安全方便的傳送電力至許多特殊環，並

且大幅度的提高人類生

1

活的便利性，在今日求新求進步的科技生活中將會是一個不

可忽視的技術。無線電力傳輸技術可廣泛應用在各個相關領

域上，從最初的電動牙刷、至今無線滑鼠與手機充電器等可

攜式或家用電子的應用，發展方向從過去只對單一子產品的

供電演進為建立所有可攜式或家用電子供電平台的概念，如

此在實用將更具彈性。而在大眾運輸工具、醫療上、無線射

頻辨識系統(RFID)，甚至在許多特殊場所如油井鑽探、水下

設備都是無線電力傳輸的相關應用。

目前無線感應電能傳輸基本原理為利用電磁感應在兩線

圈之間進行電能與磁能之轉換，先由初級側線圈加入一交變

電流使其產生一交變磁場，再由次級側線圈接受磁場後轉換

使之電能以完成無限感應電能傳輸，圖 1.1所示為無線感應

電能傳輸之基本原理

圖 1.1兩非接觸線圈之電磁感應示意圖

2

1.2 研究動機與回顧

在今日講求便利與創新進步的科技進步，藉由發

展相關無線電力傳輸的技術已經是目前值得深討的

問題。

從無線電力傳輸距離的遠近來分類，近距離的無

線供電技術目前只要有互感式與共振互感式，有效感

應距離為 1~2公分。而較遠距離傳輸技術有輻射微波、

光能、電子性導通、特斯拉線圈…等等。

互感式主要利用簡單的電子變壓器的原理來實

現，當一次側(供電端)與二次側(負載端)有所隔離時

，電能發生互感(Mutual induction)的機制，將會透

過磁能的轉換把能量傳遞到分隔的另一側，通常在設

計上一、二側的間隔距離都是較為相近，一般多用於

非接觸的電力傳遞方式，像是電動牙刷電源充電，感

應供電式廚具，電子卡片讀取器…等等。

共振式互感式最有名的例子為於 2007年六月 MIT所

提出的共振無線電能傳輸系統雛型之實現，成功的點

亮一盞於 2公尺外的 60瓦燈泡，其電能傳輸效率約

為 40%

3

圖 1.2 為實際點亮之圖片，兩者之間並沒有物理性連接

頻 率

(MHz)

效

率

Erms

(A/m)

Hrms

(A/m)

Srms

(W/cm2)

能量發射

(w)

10 83% 185 21 0.08 3.3

1 60% 40 14 0.04 0.005

表 1.1 無線電力傳輸效率比較表

2007年International展中，Access Business Group International

也展示了其設計之非接觸共振

式無線電能傳輸之應用於較大電力之電源供電，名稱

為 e-Coupled，成功點亮了燈管與其他電子產品

4

圖 1.3 Access Business Group於 2007年 ICES

展示 e-Coupled

於2008年八月Intel亦發表其仿造MIT模式所設計之磁能

共振無線電力傳輸設計，如圖1.4為其展示之照片，其設計中

宣稱可於30公分的距離點亮一盞60瓦之燈泡且其傳輸效率高

達75%。

圖 1.4 2008年 Intel發表其無線電路傳輸設計

5

幅射波最早於西元 1888年 Heinrich RudolfHertz

首度實現用電波方式來做能量傳遞，而後 Guglielmo Marconi

與 Nikola Tesla都相繼的利用微波來做能量的傳遞與接受用

途。圖 1.5為西元 1978年 NASA利用太陽人造衛星，以一公

里直徑的發射天線，與十公里直徑接受天線，將太陽能量轉

換為 2.45GHz之微波訊號並將能量傳回地球，這也是利用微

波無線傳送能量的一種大事件。

於 2007的消費性電子展中(CES2007)，Powercast提出

一個利用射頻 RF方式來做為能量無線傳輸的系統，這個系統

可以驅動數個低功率消耗的裝備，包含像是 LED、電腦周邊、

無線感應器、醫療植入設備，也贏得了 CES2007最佳創新科技。

圖 1.5 NASA太陽能衛星

6

電子性能量也是一種存在於大自然界中的無線能量傳

遞方式，在自然界介質中施加高於崩潰電壓時，將會發生氣

體離子化而發生導通，例如於氖氣燈管中，高壓可以使兩電

極之間的氣體游離而產生電流。

圖 1.6特斯拉線圈

然而目前轉換式電源供應器以其高效率的特性，已廣泛

的運用在各種點子產品上，但其用金屬接點傳輸能量的點，

往往會造成接觸不良或是在特殊的使用者遇到電擊的危險，

無線能量與訊號的傳輸即成為一種要的解決途徑。

無線能量與訊號傳遞系統目前遇到最大的缺點就是效率

問題，雖然此系統帶來方便與安全，但因氣隙的關係，導致

傳輸效率遠不及傳統式來的好，故若要求完美感應感電系統，

7

必須先將效率的問題改善。此外，增加訊號傳遞速度速度或

是更精準的定位功能也是未來改善重點。對於多個充電裝置

之間的耦合與供電控制機制也是個議題。

科技之進步，已將全球帶入行動消費之電子時代。可攜

帶式電子產品之需求越來越多，諸如筆記型電腦、PDA、手機、

數位相機和 MP3播放器等。然而攜帶式電子產品皆使用其特

定規格之插頭，不同之充電器無法通用而造成了成本提高及

環境汙染。此外，對於使用者而言，每個電子產品皆須要特

定之充電器更造成了許多辨識上及攜帶上之不便。無線感應

電能傳遞方式由於不須要插座及插座，若使用此方式進行充

電則充電器之供應將不再是針對特定之電子產品，可實現一

電能傳輸介面完全相容之電燈台概念。

圖 1.7無線感應電能傳輸之型態

8

由於只要在感應耦合之範圍內將內建次級側感應線圈支電

子產品靠近感應充電器之初級側線圈即可 進行充電，且每個

內建初級側感應線圈之充電器皆可適用於任何搭載次級側線

圈之電子產品，如此增加了電力傳輸之相容性，不但提升了

使用上之便利性，對於充電器浪費所付出之成本及環保問題

也得到相當大的改善。

2.1無線電力傳輸之基本概念

依據 Maxwell之電磁場原理，初級側線圈及次級側線圈

之間可利用磁場之耦合來傳遞能量。1820年，Oersted發現

了電流磁效應，一電流流過任意長導線可在其周圍建立感應

磁場，證實了電流和磁場之間能量關係的連結。如圖 2.1其

磁場方向可利用安培右手定則決定即右手握住導線，則拇指

為電流方向，其餘四指則為磁場方向。

圖 2.1安培右手定則

9

1831年，法拉第發現了電磁感應，更清楚解釋了磁

場之間能量轉換的關係，圖 2.3 所示為法拉第電磁感應示意圖，封閉線

圈若通過隨時間變化之磁通量，將產生感應電勢。

冷次定律則可得知感應電流所產生的磁場方向將會與原磁通

量方向相反。兩定律結合可得法拉第-冷次定律

圖 2.3法拉第電磁感應

2.2共振式感應線圈之動作原理

非接觸式感應結構之能量傳輸效率為其一級側與二次

側之間鎖傳輸及接收能量之比值，所以如果能夠增加初級側

磁通量，次級側所能夠接收之磁通量亦增加而提高了能量之

傳輸效率。由於磁通密度與磁路路徑之導磁係數成正比，因

此能夠利用高導磁率之磁性材料來增加初級側所產生之磁通量。感應線

圈操作於高頻交流環境時，依據電磁學理論導線

內之電流將由於時變磁場之影響而分佈不均勻，造成非理想

10

效應，並且越高之頻率其所受之影響越大。此非理想效應主要導致交流

電阻之增加，交流電阻增加之結果將造成輸入線圈之電流限制、降低電

感品質因數、增加線圈損耗及線圈發熱等問題。利用感應線圈操作於變

化的電源訊號之下，其會產生一交變之磁場，圖 2.4 為 MIT 所設計之結

構，其中磁能於 A 線圈中之驅動電路產生，Ks 表示 A 線圈與 S 線圈耦合

變數，能量將從 A 線圈傳遞至 S 線圈，以共振磁能的方式傳送至二次側

之 D 線圈再耦合至 B 線圈以供應負載電力，以完成無線電力傳輸之共振

能量傳送行為。

圖 2.4共振式感應線圈能量傳輸模型

11

2.3共振電路 RLC特性分析

電路中若共同存在電容性及電感性之元件，則由於電容之容抗與電

感之感抗於複數面上相位差呈現 180 度，因此於某特定之條件及頻率下

將發生容抗與感抗互相抵消之結果，此情況即稱為諧振。

RLC串聯諧振(Serial Resonance Circuit;SRC)，考慮

一存在電阻、電感、電容及一電源之 RLC諧振電路圖 2.6(a)

所示，其中 Rs為電源之內阻;RL為電感之內阻。依據電路學

原理，可將串聯之 RI、RS及 RL等效為一電阻 R如圖 2.6(b)所示。

圖 2.6 SRC電路

12

諧振電路之品質因數 Q即電容電感所產生之虛功與電阻

上之功率比值。由公式(7)可知，Q值為表示諧振電路性能之

物理量，Q值越高則發生諧振時電容及電感上之電壓越高。

且如圖 2.8所示為固定 R值而改變 L與 C之比值以改變 Q值

對頻寬之影響，Q值越高則頻寬越窄，亦即偏離諧振點線路

虛阻抗提高，電流下降。RLC並聯諧振，考慮一存在電阻、

電感、電容及一電源之 RLC並聯諧振電路，其特性與操作與

串聯諧振相似。

圖 2.8 SRC Q與頻寬關係

13

2.4非理想之能量損耗

當感應線圈操作於高頻之交流環境時，依據電磁學理論導線內之電

流將由於時變磁場之影響而分佈不均勻，造成非理想效應，並且越高之

頻率其所受之影響越大。此非理想效應主要導致交流電阻增加，交流電

阻增加之結果將造成輸入線圈之電流限制、降低電感之品質因數、增加

線圈損耗及線圈發熱等問題。

當線圈操作於高頻時，除集膚效應對於電路的穩定與效率影響之

外，傳輸線效應亦不可忽略。在低頻時，由於訊號的波長皆遠大於電路

中的線路長度，此時傳輸線的影響稍弱，亦可忽略，而隨著頻率逐漸增

加，電路中的訊號波長將變短而與傳輸線較為接近，因此將會發生訊號

反射與透射的現象，電路中的傳輸線亦會有等效之感抗，容抗產生，如

圖 2.9所示，一般而言，當傳輸線長度小於 1/10之訊號波長時，傳輸線

效應之現象就會發生，此時系統之阻抗必須重新量測，必要時亦須對系

統做阻抗匹配。因此在設計上要避免傳輸線效應對電路系統產生不方便

之影響，在操作頻率上亦可往較低頻率來做選擇，然後操作頻率的降低

意味著系統的品質因素下降也會影響到系統之效率

14

圖 2.9 傳輸線效應示意圖

2.5 傳輸效率

無線電力傳輸系統中，傳輸效率將是其重要的參考指標，在後續的

研究與實驗中，將對一次二次側做效率的量測，在量測中以一次側之電

源提供總功率為分母，分子以線性電阻負載來做測量得到二次側能量，

由於不同的負載會有不同的功率呈現，因此在設計上可以視二次側為一

完美電源加上一個特定的內阻，此內阻可能包含阻抗、感抗、容抗，並

在後續的實驗中驗證可得其感抗容抗對於最大功率的影響並不大。

因此只要求出二次側電源內阻即可獲取系統二次側之最大功率點，

然後由於一個好電源的內阻要越小越好，搭配不同負載的時候，對於電

源的要求亦不盡相同，就算最大的功率輸出能夠達到驅動之標準，但由

於內組過大，常導致端電壓差不符合負載工作需求，因此有效提高無線

傳輸效率將是無線電力傳輸系統中所面臨的重大問題。

15

3.1 作品原理電路圖

發射端(TX)

接受端(RX)

16

1: 接地 Ground ，通常為電源的負電。

2: 觸發 Trigger

• 最少要有 1u Second 約 1/3Vcc 正電壓脈衝足以觸發，觸發脈衝

是一個短暫的高至低的脈衝，輸出為一負脈衝。

• 觸發的時間須小於 RC 的時間常數，如果這個腳位持

保持在低電位，其輸出會一直到高電位，直到觸發輸入

回到高電位。

• 觸發脈衝不可在大於其 RC 常數的期間內小於 1/3Vcc，否則在前

一個脈衝終止時會再自我觸發。

• 單穩輸出脈衝寛度最小不得低於 10u Sec.以防止雙重

觸發。

• 通用典型的 DC 電流為 500nA，其觸發的電流必需流

在其他附加的電路，所以 R 不得大於

3: 輸出 Output：

• 提供一個低於供電電壓 V+約 1.7V 的高態輸出。 上

/下降的時間快速，切換時間約 100uSec. 輸出位準與

輸入觸發反向。

• 輸出可經由 RESET 觸發，產生幾乎為接地電壓的低態

輸出。

4: 輸出重置 Output Reset：

17

• 跨越電壓為 0.7V，表面電流 0.1mA , 0.5uS 寛度。

• Reset 為一最高優先權功能。 不管其輸入狀態，將強制輸出成

為低態 可提前終止其輸出脈衝。

Page 3 of 5 o 可終結震盪從＂ON＂到＂OFF＂。

• Reset 到輸出的典型延遲時間為 0.5Us。

• 當不使用 Reset 時，建議把它接地，以避免不預期的 Reset 動

作。

5: 額外控制 Reference：

z 允許以 2/3 V+的電力直接驅動這一點。

• z 此項為一選項。適用於其它多項外部時基設備的驅動，可獨立於

RC 常數之外。於單穩狀態時其控制電壓可為 45 至 90%的 Vcc 電

壓，控制的輸出寛度可獨立於 RC 常收之外。於非穩模式時，其控

制電壓可從 1.7V 至 Vcc 的電壓，可輸出調頻式的輸出

(frequency modulated (FM) output)。 不使用時經由一個 0.01u

的電容接地可排除不正常的觸發。

6:重置鎖定 Reset latch

致使輸出成為低態。為一 DC 電流，從外部電路流向此點需要有

0.1uA 的跨越電流，R 需< 16 Mega-ohm。

18

7: 時期電容 Timing capacitor

當輸出為＂LOW＂時，“On＂(對地低阻抗)，當輸出為＂High＂

時，“Off＂(對地高阻抗)。

8: 電源供應+Vcc

• 供應電壓 voltage +4.5 volts (最小) to +16 volts (最大)

可產生大的輸出電流 (約 150mA)。 建議於靠近此接腳的地方安

裝一個較大容量去耦電容。T

• 555 有能力輸出兩倍的驅動電流。

19

3.2系統架構圖

3.3系統簡單示意圖

20

3.4實驗結果

將兩線圈感應 LED燈發亮，證明有電通過

使用示波器顯示波形

21

3.5未來展望

無線傳輸一直是人類發展的遠大夢想，透過無線方式來供電

為人們帶來便利將是未來目標，唯獨目前無線電力因受

磁能散溢與感應結構設計之難度，比起傳統有線傳送電力之

行為效率並不理想，而高效率即極高品質因素 Q之共振設計

因其電感需求很大，因此在設計結果其線圈本體將耗去系統

極大的體積，在未來的研究目標能有不少的發展空間，而在

電路改進、耦合共振部分，未來亦可詳加探討以增加其傳輸

效率與功能穩定程度，無線電力傳輸系統不僅應用於充電功

能，亦可應用於其他多種不同二次側之父再使用，例如水中

供電、機器控制系統等等，所帶來之便利性乃其真正精神，

也將是值得研究的課題之一。

3.6 參考文獻

”CES Best of 2007”, http://reviews.cnet.com/4520-12760_7-6676861-1.html

http//:yahoo,com.tw

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DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY