毕业论文:无线充电器的设计

目录

引言： ............................................................. 2

1 无线充电器在国内外的发展现状 ..................................... 3

1.1 国外发展及现状 ................................................. 4

1.2 国内发展及现状 ................................................. 4

1.3 建立国际统一标准 ............................................... 4

2 系统硬件电路设计 ................................................. 5

2.1 系统整体框图 ................................................... 5

2.2 供电电源模块 ................................................... 6

2.3 发射电路 ....................................................... 6

2.4 接收转换电路 ................................................... 7

2.5 充电电路 ....................................................... 8

3 主要元器件选择 ................................................... 8

4 调试要点 ......................................................... 9

4.1 调工作频率 ..................................................... 9

4.2 调基准电压 ..................................................... 9

4.3 调充电控制 ..................................................... 9

结束语 ............................................................ 10

参考文献 .......................................................... 10

无线充电器的设计

电子系本科0902班 学生 XX

指导老师 XXXXXX

摘要：无线充电器运用了一种新型的能量传输技术——无线供电技术。该技术使充电器摆脱了线路的限制，实现电器和电源完全分离。在安全性，灵活性等方面显示出比传统充电器更好的优势。在如今科学技术飞速发展的今天，无线充电器显示出了广阔的发展前景。本文设计了一种利用电磁感应原理实现的无线充电装置,重点论述了实现此装置系统的结构和磁耦合方案，及对无线电能传输系统的关键部件—耦合变压器的结构进行了详细分析。

关键词：无线充电技术；磁耦合；电磁感应；充电器

引言：

现今几乎所有的电子设备，如手机，MP3和笔记本电脑等进行充电的方式主要是一端连接交流电源,另一端连接便携式电子设备充电电池的有线电能传输。这种方式有很多不利的地方,首先频繁的插拔很容易损坏主板接口,另外不小心也可能带来触电的危险。因此,非接触式感应充电器在上个世纪末期诞生,凭借其携带方便、成本低、无需布线等优势迅速受到各界关注。目前无线充电的技术已经开始在手机中运用。由于无线传输的距离越远，设备的耗能就越高。要实现远距离大功率的无线电磁转换，设备的耗能较高。所以, 实现无线充电的高效率能量传输,是无线充电器普及的首要问题。另一方面要解决的问题是建立统一的标准，使不同型号的无线充电器与不同的电子产品之间能匹配,从而实现无线充电。

我们的生活几乎每天都会有这样一幕幕的场景：拉出一根数据线，连接手机和插座为手机、数码相机、MP3 播放器等充电，完美音质的音响、超清晰超大屏幕的液晶屏电视背后依靠一根长长的电源线„„面对如此多的“电源线”，有没有想过，有一天这些线全部消失，被一种看不见的传输工具所替代？那样我们就不用再为各种缠绕

在一起的电线影响美好的生活。其实这样的生活离我们并不遥远。无线充电技术在 2007 年就已获得了 20 项专利，多种设备可以使用一台充电器[1]。手机、电脑、音乐播放器、电动工具和其他的用电设备的“剪不断理还乱”的有线充电器将会离我们远去。通过使用线圈之间产生的磁场，神奇的传输电能，电磁耦合技术将会成为连接充电基站和设备的桥梁。在当前的大部分充电器，都通过金属电线直接接触的方式，给设备内置电池充电的情况下，无线充电器显示了它自己先天的优越性。无线充电技术的优势在于便捷性和通用性[2]。目前缺点就是效率低。现今对便携式电子产品进行充电用的数据线连接器不仅仅可以进行电能的传输，同时还能把音频和视频文件通过USB 接口同步传送到设备上。无线充电技术还是会给 WiFi 和电池技术带来进步的。另外，通过采用无线充电技术，移动设备公共充电站将会有可能成为现实。 近年来，随着新方法新材料的应用，无线充电已经实现。依靠线圈之间的电磁感应的无线充电方式，工作距离短，被充电终端需要放置在充电座上。需要充电时，发射器和接收芯片会同时自动开始工作，充满电时，同时就会自动关闭。

无线充电设备的效能接收在70%左右，和有线充电设备相当，但是它应具备充满自动关闭的功能，避免不必要的能耗。

1 无线充电器在国内外的发展现状 无线充电已从梦想成为现实，从概念变成商用产品。早期就有人发现将绕线式变压器的“E”型铁心绕线后接上市电就可以感应传电，但距离略为增加后感应效果就会减弱甚至消失[3]。这是因为在市电50Hz下，电磁波的传递会随着距离增加而出现能量的快速衰退。随着电子设备产业蓬勃发展，各厂家竞争激烈，纷纷在软硬件上下功夫。然而不同于产品硬件软件升级，无线充电技术在产品的功能层面求异，让人耳目一新，很具有卖点，对消费者也很有吸引力。但是为了充分发挥无线充电的便利性，在较远距离实现充电则更具有卖点。目前的无线充电技术在2.54厘米范围之内的近磁场对电子设备进行无线充电。因为无线电能传输的距离越远，功率的耗损也就会越大，能量传输效率就会越低，且会导致设备的耗能较高。对于“大功率的无线充电设备的电磁辐射会对生物造成很多不利的因素。”的说法，相关专家已给出解释：大功率无线充电的距离限制在5米以内，不会太远，且功率不会达到对人体辐射造成危害的范

围。

1.1 国外发展及现状

最初的无线充电器由多个密集的小型线圈阵列组成，通电后产生的电磁场，将能量传送给装有接收线圈的电子设备，进行充电，但这种充电器传输效率较低、成本较高且需购买套件，又不能对手机使用的大容量锂离子电池进行有效充电。2007年6月麻省理工学院以Marin Soljacic为首的研究团队首次演示了利用电磁感应原理的灯泡无线供电技术，他们可以在一米距离内无线给60瓦的灯泡提供电力,电能传输效率高达75%[4]。研究者由此设想电源可以在这范围内为电池进行无线充电，进而推想只需要安装一个电源，即可为整个屋里的用电器供电。传输线圈的工作频率在兆赫兹范围，接收线圈在非辐射磁场内部发生谐振，以相同的频率振荡，然后有效的通过磁感应点亮灯泡。

Palm是最早将无线充电技术应用在手机充电器上[5]。它推出的充电设备“点金石”，就是利用电磁感应原理无线对手机进行充电。日本TDK公司新推出了一款无线充电音箱，用户可以在享受音乐的同时对手机充电。该无线充电音箱的顶部装有一块无线充电板，手机仅需放在音箱顶部即可充电。三星推出新款手机就配备了无线充电器，诺基亚也为其旗舰机型搭上了无线充电器充电器。

1.2 国内发展及现状

国内无线供电器设计起步相对较晚，近年来也得到了蓬勃发展且显出了欣欣向荣的趋势，市面上也出现了众多无线充电产品。从之前在电动牙刷、剃须刀等小功率产品上的应用，发展到现在在手机充电器等方面更大功率的传输的巨大突破性的进展。作为Qi标准组织的一员，海尔在2011年CES上推出了概念性“无尾电视”，不需要电源线、信号线和网线。海尔称该产品采用了与麻省理工学院合作的无线电力传输技术。中国香港的美创公司出品的无线充电器也小有名气（美创科技有限公司是著名的电子元器件独立分销商）。深圳的畅客在无线充电器的发展也崭露头角。

1.3 建立国际统一标准

目前主流的无线充电器的标准有三种：Power Matters Alliance（PMA）标准、Qi标准、Alliance for Wireless Power（A4WP）标准[6]。其中采用了电磁感应技术的Qi标准又最为主流。Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电

联盟（Wireless Power Consortium，简称WPC）推出的“无线充电”标准，具备便捷性和通用性两大特点。不同品牌的产品，只要有Qi的标识，就可以用Qi无线充电器进行充电。它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈[7]。我们有理由相信在不久的将来，日常生活中常用的电子产品都可以用Qi无线充电器充电，为无线充电技术的大规模应用和普及提供可能。Qi标准的典型代表性产品有：诺基亚Lumia 920、诺基亚Lumia 820、谷歌Nexus 4等。对这些手机进行无线充电时，直接将待充电手机放在任何一款支持 Qi 标准的无线充电器上就能进行充电。Qi标准的充电效率更高，在测试中，Qi的充电效率与有线充电方式比较接近，达到了70%以上。Qi的充电器的待机耗电量已经降低到微瓦水平。

2 系统硬件电路设计

本设计是一种较为简单实用的无线充电器，通过线圈的电磁感应将电能以电磁转换的无线传输方式对电池进行充电。只需把电池和接收设备放在充电平台上即可对其进行充电。实验证明，虽然该系统还不能充电于无形之中，达到充电器与用电设备较长距离的能量传输，但已能做到将多个待充用电器放置于同一充电平台上同时充电，且免去接线的烦恼。

2.1 系统整体框图

无线充电系统主要运用电磁感应原理，通过线圈实现能量的传递。如图2.1所示，系统工作时输入端将交流电经桥式整流电路变换成直流电，或直接用24V直流电源为系统供电。通过电源管理模块后输出的直流电再经过2M有源晶振转换成高频交流电经发射电路供给初级线圈。通过2个电感线圈耦合能量，次级线圈接收初级线圈传送的电流后，次级线圈输出的电流通过接收转换电路转化为成直流电对电池充电。

图2.1 无线充电器设计系统框图

2.2 供电电源模块

系统的供电可以采用220V交流电，也可以采用24V直流电。当采用220V交流电提供电能时，如图2.2交流电经变压器变压降低电压后，再通过桥式整流电路将交流电转换成直流电，经C1，C2滤波滤除电路中的少量交流成分，再通过7812，7805稳压后得到5V电流传输给发射电路。实际生活应用中采用220V的交流电提供电能。

图2.2 供电电源电路

2.3 发射电路

如图2.3本实验中的主振电路采用2 MHz有源晶振作为振荡器。有源晶振输出的方波，通过二阶低通滤波器滤除高次谐波后，得到稳定的正弦波输出。经三极管Q1及其外围电路组成的丙类功率放大电路后输出至T2的发射电感线圈L1（T2左侧为发射电感线圈L1，右侧为接收电感线圈L2）与电容C7组成的并联谐振回路辐射出去，为接收端部分提供能量。

测得与T2中的电容组成的并联谐振回路的空芯耦合电感线圈L1的电感为47μH。因为载波频率为2 MHz，根据并联谐振公式[8]f=12πL1C7得匹配电容C7约

为140 pF。所以，发射部分选择采用2MHz有源晶振产生与谐振频率接近的能源载波频率。

图2.3 发射电路

2.4 接收转换电路

正常情况下, 接收端电感线圈L2与发射端电感线圈L1之间的距离非常近，仅仅几厘米且又接近同轴,此时传输效率较高。电能接收装置与充电控制电路单元的原理如图2.4所示。图2.4中左边的端口连接图2.3发射电路中的L2。L2感应得到的2MHz的振荡电压，经D1、D2、D3、D4组成的桥式整流和滤波器C8滤波后得到直流电后，作为充电控制部分的电源。由R11、Rp和TL431构成精密参考电压4.15V(锂离子电池的充电终止电压) 经R12接到运算放大器构成的电压比较器OPA335的同相输入端。当OPA353的反相输入端电压U5低于4.15V时，运放输出的高电平[10]，一方面使Q1 饱和从而在LED D13两端得到约2V 的稳定电压点亮充电指示灯。另一方面R5 使Q2截止, LED D12不亮。

当电池充满(略大于4. 15V )时,反相输入端电压U5略高于4. 15V。运放便输出低电位,此时Q1 截止, 恒流管Q3因完全得不到偏流而截止,因而停止充电。同时运放输出的低电位经R9 使Q2 导通,点亮LED D12作为充满状态指示。 [9]

图2.4 接收转换电路

2.5 充电电路

如图2.5从接收电路的端口引出电源。利用拨码开关S0改变负载电阻（R=R或R=R14）的大小调节充电的快慢。同时在充电电池前并联两个串联的贴片发光二极管D15、D16(一个发光二极管的导通电压是1.5V,串联后,导通电压为3V)，实现充满指示功能。

图2.5 充电电路

3 主要元器件选择

电源变压器T1——5VA18V, 这里选用220／18V 的降压变压器, 经整流滤波后得到约24V 的直流电。

保险管FUSE1——快速反应的1A。

可调电阻Rp——用精密可调的。

谐振电容C7——瓷介电容耐压不小于63V。

滤波电容C3——0.1μF/60V

滤波电容C4——100μF/25V

整流桥D8、D9、D10、D11——用高频开关管1N4148。

精密电压源——TL431。

运算放大器——OPA 335, TI公司的轨对轨精密单运放。

晶体管Q2、Q3 和Q4——要求漏电流小于0.1μA, 放大倍数大于200。

发光管LED D13——普亮(红) , 正向VA 特性尽可能陡直(动态电阻小, 稳压特性好)。

发光管LED D12——普亮（绿），正向VA 特性尽可能陡直(动态电阻小, 稳压特性好)。

4 调试要点

4.1 调工作频率

调Rp使F1- F2 产生的方波频率与C7、L1的谐振频率一致。此时电流表的读数最小, 接收线圈L2所得的感应电压最大, 暂不接被充电池BT2。

4.2 调基准电压

保持L1与L2相距2cm 并且同轴, 调Rp使其两端电压为4. 15V, 这就是锂离子电池的充电终止电压。改变L1与L2的间距, 在0- 3cm之间基准电压应当恒定为

4.15V。任何一项调试必须在保证其他条件不变的情况下进行。

4.3 调充电控制

增大L1与L2的间距(约50mm ), 在运放输出高电平的情况下, 将R10换成5MΩ 的电位器, 由大往小调, 在能保证Q1 完全饱和的情况下, 对其电阻的最大值取3 /4, 成为调定的R10。这是为了既保证控制可靠, 又要尽可能省电。

结束语

无线传能充电器的主要设计目标是提高充电设备的功率和效率, 以及较完善的充电控制功能,设计传输距离为1-5厘米,即微距离传送。在信息的无线传送的移动通信盛行了百年之后, 在一定条件下和范围内的电能无线传送将会开始流行。本装置将在电能无线传送方面提供一个实验应用方案。作为可行性探索实验的样机,本设计仅用于100mAh左右的小容量锂离子电池和锂聚合物电池的无线充电,适用于MP3、MP4和蓝牙耳机等袖珍式数码产品。将它推广到大容量电池的无线充电,并不存在原则性的障碍。当然,从实验室的样机到市场中的产品,还有比较漫长和艰难的工作要做,如电磁辐射的泄漏问题,成本控制与产品工艺, 以及市场切入与消费启动等。

参考文献

[ 1 ] 姜立中.无线充电实验[ J ].2008,23～26.[ 10] 沈尚贤.西安交通大学电子学教研室编.电子技术导论.北京：高等教育出版社，1985年.

[ 3 ] K· J·宾斯, P·J· 劳伦松. 电场及磁场问题的分析与计算[ M ] . 北京: 人民教育出版社,1980.

[ 4 ] 杨肃行. 模拟电子技术基础简明教程[ M ] . 第3 版. 北京: 高等教育出版社, 2005.

[ 5 ]罗中华. 模拟应用期刊[J].2012(4): 4～6.

[ 6 ]肖志坚,韩震宇,李绍卓，关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究[ J ].自动化技术与应用,2007( 12):46～48.

[ 7] 高弋坤.通信世界.2011(14):12～14.

[ 8 ] 童诗白，华成英，模拟电子技术第4版 [ M ] .北京: 高等教育出版社，2006.

[ 9 ] 梁灿彬等.电磁学[ M ]. 北京：高等教育出版社，1980.

[ 10] 康华光.华中理工大学电子学教研室编.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社,1999.

忻州师范学院物电系本科毕业论文（设计）

The design of the wireless charger

Department of electronics 0902 Student XXXX

Tutor XXXXX

Abstract:Wireless charger using a new kind of energy transmission technology, wireless technology. The limitation of the technology makes the charger out of line, electrical appliances and power supply complete separation. In security, flexibility, etc, shows a better advantage than traditional charger. In today's rapid development of science and technology today, wireless charger shows the broad prospects for development. This paper designs a wireless charging device using the electromagnetic induction principle implementation, mainly discusses the structure of this device system and magnetic coupling scheme, and the key components of radio transmission system, the structure of the coupling transformer are analyzed in detail.

Key words: wireless charging technology;magnetic coupling; Electromagnetic induction; The charger

致谢

本研究及学位论文是在我的导师XX副教授的悉心指导下完成的。他对科学的严肃态度，对治学的严谨精神，对工作精益求精的作风，给我留下了深刻的印象，深深地感染着也激励着我。从最初的课题选择，开题到论文的最终完成，整个过程赵老师给予细心的指导和鼓励。赵教授在学业上给我的精心指导，和精神上的鼓励，在此谨向赵老师致以最真诚的谢意和深深的敬意。在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的各位同门，正是由于你们的帮助和鼓励，我才能克服一个一个的困难和疑惑，解决遇到的问题，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情久久不能平静，诚挚感谢可敬的老师们和亲爱的同学们的无私帮组和大力支持！衷心感谢你们！

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