無線充電器的設計說明

1、目錄引言：21 無線充電器在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀 41.1 國外發(fā)展及現(xiàn)狀 41.2 國內發(fā)展及現(xiàn)狀 51.3 建立國際統(tǒng)一標準 52 系統(tǒng)硬件電路設計 62.1 系統(tǒng)整體框圖 62.2 供電電源模塊 72.3 發(fā)射電路 82.4 接收轉換電路 92.5 充電電路 103 主要元器件選擇 114 調試要點 114.1 調工作頻率 114.2 調基準電壓 124.3 調充電控制 12結束語 124.4獻 12無線充電器的設計電子系本科 0902 班學生 XX指導老師 XXXXXX摘要：無線充電器運用了一種新型的能量傳輸技術一一無線供電技術。該技術使充電器擺脫了線路的限制，實現(xiàn)電器和電源完全分離。在安

2、全性，靈活性等方面顯示出比傳統(tǒng)充電器更好的優(yōu)勢。在如今科學技術飛速發(fā)展的今天，無線充電器顯示出了廣闊的發(fā)展前景。本文設計了一種利用電磁感應原理實現(xiàn)的無線充電裝置，重點論述了實現(xiàn)此裝置系統(tǒng)的結構和磁耦合方案，及對無線電能傳輸系統(tǒng)的關鍵部件一耦合變壓器的結構進行了詳細分析。關鍵詞：無線充電技術；磁耦合；電磁感應；充電器引言：現(xiàn)今幾乎所有的電子設備，如手機，MP3 和筆記本電腦等進行充電的方式主要是一端連接交流電源，另一端連接便攜式電子設備充電電池的有線電能傳輸。這種方式有很多不利的地方，首先頻繁的插拔很容易損壞主板接口，另外不小心也可能帶來觸電的危險。因此，非接觸式感應充電器在上個世紀末期誕生，憑

3、借其攜帶方便、成本低、無需布線等優(yōu)勢迅速受到各界關注。目前無線充電的技術已經開始在手機中運用。由于無線傳輸?shù)木嚯x越遠，設備的耗能就越高。要實現(xiàn)遠距離大功率的無線電磁轉換，設備的耗能較高。所以，實現(xiàn)無線充電的高效率能量傳輸，是無線充電器普及的首要問題。另一方面要解決的問題是建立統(tǒng)一的標準，使不同型號的無線充電器與不同的電子產品之間能匹配，從而實現(xiàn)無線充電。我們的生活幾乎每天都會有這樣一幕幕的場景：拉出一根數(shù)據(jù)線，連接手機和插座為手機、數(shù)碼相機、MP3 播放器等充電，完美音質的音響、超清晰超大屏幕的液晶屏電視背后依靠一根長長的電源線面對如此多的“電源線”，有沒有想過，有一天這些線全部消失，被一種看

4、不見的傳輸工具所替代？那樣我們就不用再為各種纏繞在一起的電線影響美好的生活。其實這樣的生活離我們并不遙遠。無線充電技術在 2007 年就已獲得了 20 項專利，多種設備可以使用一臺充電器1。手機、電腦、音樂播放器、電動工具和其他的用電設備的“剪不斷理還亂”的有線充電器將會離我們遠去。 通過使用線圈之間產生的磁場，神奇的傳輸電能，電磁耦合技術將會成為連接充電基站和設備的橋梁。在當前的大部分充電器，都通過金屬電線直接接觸的方式，給設備內置電池充電的情況下，無線充電器顯示了它自己先天的優(yōu)越性。無線充電技術的優(yōu)勢在于便捷性和通用性。目前缺點就是效率低?，F(xiàn)今對便攜式電子產品進行充電用的數(shù)據(jù)線連接器不僅僅

5、可以進行電能的傳輸，同時還能把音頻和視頻文件通過USB 接口同步傳送到設備上。無線充電技術還是會給 WiFi 和電池技術帶來進步的。另外，通過采用無線充電技術，移動設備公共充電站將會有可能成為現(xiàn)實。近年來，隨著新方法新材料的應用，無線充電已經實現(xiàn)。依靠線圈之間的電磁感應的無線充電方式，工作距離短，被充電終端需要放置在充電座上。需要充電時，發(fā)射器和接收芯片會同時自動開始工作，充滿電時，同時就會自動關閉。無線充電設備的效能接收在 70%左右，和有線充電設備相當，但是它應具備充滿自動關閉的功能，避免不必要的能耗。1 無線充電器在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀無線充電已從夢想成為現(xiàn)實，從概念變成商用產品。早期就有人

6、發(fā)現(xiàn)將繞線式變壓器的“E”型鐵心繞線后接上市電就可以感應傳電，但距離略為增加后感應效果就會減弱甚至消失3。這是因為在市電 50Hz 下，電磁波的傳遞會隨著距離增加而出現(xiàn)能量的快速衰退。隨著電子設備產業(yè)蓬勃發(fā)展，各廠家競爭激烈，紛紛在軟硬件上下功夫。然而不同于產品硬件軟件升級，無線充電技術在產品的功能層面求異，讓人耳目一新，很具有賣點，對消費者也很有吸引力。但是為了充分發(fā)揮無線充電的便利性，在較遠距離實現(xiàn)充電則更具有賣點。目前的無線充電技術在 2.54 厘米范圍之內的近磁場對電子設備進行無線充電。因為無線電能傳輸?shù)木嚯x越遠，功率的耗損也就會越大，能量傳輸效率就會越低，且會導致設備的耗能較高。對于

7、“大功率的無線充電設備的電磁輻射會對生物造成很多不利的因素?！钡恼f法，相關專家已給出解釋：大功率無線充電的距離限制在 5 米以內，不會太遠，且功率不會達到對人體輻射造成危害的范圍。1.1 國外發(fā)展及現(xiàn)狀最初的無線充電器由多個密集的小型線圈陣列組成，通電后產生的電磁場，將能量傳送給裝有接收線圈的電子設備，進行充電，但這種充電器傳輸效率較低、成本較高且需購買套件，又不能對手機使用的大容量鋰離子電池進行有效充電。2007 年 6月麻省理工學院以MarinSoljacic為首的研究團隊首次演示了利用電磁感應原理的燈泡無線供電技術， 他們可以在一米距離內無線給 60 瓦的燈泡提供電力， 電能傳輸效率高達

8、 75%4。研究者由此設想電源可以在這范圍內為電池進行無線充電，進而推想只需要安裝一個電源，即可為整個屋里的用電器供電。傳輸線圈的工作頻率在兆赫茲范圍，接收線圈在非輻射磁場內部發(fā)生諧振，以相同的頻率振蕩，然后有效的通過磁感應點亮燈泡。Palm 是最早將無線充電技術應用在手機充電器上。它推出的充電設備“點金石”，就是利用電磁感應原理無線對手機進行充電。日本 TDK 公司新推出了一款無線充電音箱，用戶可以在享受音樂的同時對手機充電。該無線充電音箱的頂部裝有一塊無線充電板，手機僅需放在音箱頂部即可充電。三星推出新款手機就配備了無線充電器，諾基亞也為其旗艦機型搭上了無線充電器充電器。1.2 國內發(fā)展及

9、現(xiàn)狀國內無線供電器設計起步相對較晚，近年來也得到了蓬勃發(fā)展且顯出了欣欣向榮的趨勢，市面上也出現(xiàn)了眾多無線充電產品。從之前在電動牙刷、剃須刀等小功率產品上的應用，發(fā)展到現(xiàn)在在手機充電器等方面更大功率的傳輸?shù)木薮笸黄菩缘倪M展。作為 Qi 標準組織的一員，海爾在 2011 年 CES 上推出了概念性“無尾電視”，不需要電源線、信號線和網線。海爾稱該產品采用了與麻省理工學院合作的無線電力傳輸技術。中國香港的美創(chuàng)公司出品的無線充電器也小有名氣(美創(chuàng)科技有限公司是著名的電子元器件獨立分銷商)。深圳的暢客在無線充電器的發(fā)展也嶄露頭角。1.3 建立國際統(tǒng)一標準目前主流的無線充電器的標準有三種：PowerMat

10、tersAlliance(PMA)標準、Qi 標準、AllianceforWirelessPower(A4WP)標準6。其中采用了電磁感應技術的 Qi 標準又最為主流。Qi 是全球首個推動無線充電技術的標準化組織一一無線充電聯(lián)盟(WirelessPowerConsortium,簡稱 WPC)推出的“無線充電”標準，具備便捷性和通用性兩大特點。不同品牌的產品，只要有 Qi 的標識，就可以用 Qi 無線充電器進行充電。它攻克了無線充電“通用性”的技術瓶頸7。我們有理由相信在不久的將來，日常生活中常用的電子產品都可以用 Qi 無線充電器充電，為無線充電技術的大規(guī)模應用和普及提供可能。Qi 標準的典型

11、代表性產品有：諾基亞 Lumia920、諾基亞 Lumia820、谷歌 Nexus4 等。對這些手機進行無線充電時，直接將待充電手機放在任何一款支持 Qi 標準的無線充電器上就能進行充電。Qi 標準的充電效率更高，在測試中，Qi 的充電效率與有線充電方式比較接近，達到了 70%以上。Qi的充電器的待機耗電量已經降低到微瓦水平。2 系統(tǒng)硬件電路設計本設計是一種較為簡單實用的無線充電器，通過線圈的電磁感應將電能以電磁轉換的無線傳輸方式對電池進行充電。 只需把電池和接收設備放在充電平臺上即可對其進行充電。實驗證明，雖然該系統(tǒng)還不能充電于無形之中，達到充電器與用電設備較長距離的能量傳輸，但已能做到將多

12、個待充用電器放置于同一充電平臺上同時充電，且免去接線的煩惱。2.1系統(tǒng)整體框匿無線充電系統(tǒng)主要運用電磁感應原理，通過線圈實現(xiàn)能量的傳遞。如圖 2.1 所示,系統(tǒng)工作時輸入端將交流電經橋式整流電路變換成直流電，或直接用 24V 直流電源為系統(tǒng)供電。通過電源管理模塊后輸出的直流電再經過 2M 有源晶振轉換成高頻交流電經發(fā)射電路供給初級線圈。通過 2 個電感線圈耦合能量，次級線圈接收初級線圈傳送的電流后，次級線圈輸出的電流通過接收轉換電路轉化為成直流電對電池充電圖 2.1 無線充電器設計系統(tǒng)框圖2.2供電電源模塊系統(tǒng)的供電可以采用 220V 交流電，也可以采用 24V 直流電。當采用 220V 交流

13、電提供電能時，如圖 2.2 交流電經變壓器變壓降低電壓后，再通過橋式整流電路將交流電轉換成直流電，經 C1,C2 濾波濾除電路中的少量交流成分，再通過 7812,7805 穩(wěn)壓后得到 5V 電流傳輸給發(fā)射電路。實際生活應用中采用 220V 的交流電提交流電電源管理模塊接收轉換電路供電能圖 2.2 供電電源電路2.3發(fā)射電路如圖 2.3 本實驗中的主振電路采用 2MHz 有源晶振作為振蕩器。 有源晶振輸出的方波，通過二階低通濾波器濾除高次諧波后，得到穩(wěn)定的正弦波輸出。經三極管 Q1 及其外圍電路組成的丙類功率放大電路后輸出至 T2 的發(fā)射電感線圈 L1（T2 左側為發(fā)射電感線圈 L1,右側為接收電感線圈 L2）與電容 C7 組成的并聯(lián)諧振回路輻射出去，為接收端部分提供能量。測得與 T2 中的電容組成的并聯(lián)諧振回路的空芯耦合電感線圈 L1 的電感為f147Ho 因為載波頻率為 2MHz,根據(jù)并聯(lián)諧振公式82i*mgarklgK93UMSvr羈 m-PCeKS0fr*3Vgf*rBSVW2F a*1BVtSB|l-l*03bkBMZErlV*WPCWb