无线充电器的设计

1、引言 §1.1 无线充电技术的背景 随着智能手机、数码相机以及平板电脑等移动电子产品在人们生活中的广泛应用，内置锂电池续航短问题日益凸显，在这种情况下，无线充电技术应运而生。有研究指出，全球无线充电技术将于2017年形成一个70亿美元的市场。据了解，无线充电技术来源于日本。日本富士通公司2010年9月宣布其研究出了新的无线充电技术，可实现在距离充电器几米远的地方进行无线充电。而所谓的无线充电技术，即不用通过电源线和电缆等一切外接设备，就可给电子设备充电。其原理是利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振，实现电能高效传输的技术。综观目前的电

2、子市场，锂电池等电子产品用电池在技术上迟迟没有取得新的突破，导致电池根本满足不了用户的用电需求。而目前出现的移动电源充电器在给电子产品充电时也需要数据线。而且移动电源容量有限，并不能从根本上解决用户移动用电的需求。无线充电技术的出现，或可解决移动电子产品的充电难题。据了解，目前在北美，大批通过近距离无线充电技术解决智能手机充电难题的创业公司开始出现。而随着无线充电网点的完善，无线充电技术有望得到更广泛的应用1。§1.2 无线充电技术的先驱 根据报道和网络检索，世界上各个国家已经投入到这个领域的研究当中2。Palm美国Palm公司是美国老牌智能手机厂商，它最早将无线充电应用在手机上。它

3、推出的充电设备“触摸石”，就可以利用电磁感应原理无线为手机充电。海尔中国海尔推出的概念性“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。Powermat美国目前 Powermat 推出的充电板有桌面式和便携式等多种，主要由底座和无线接收器组成，售价在100美元左右。劲量美国劲量（Energizer）是美国知名的电池和手电筒品牌。该公司预计将正式推出一款无线充电器，售价在89美元左右。微软美国由微软亚洲研究院研发的一款无线充电板装置名为uPad，已在2008年底造出样机。富士通日本富士通的系统与美国Witricity公司研发的

4、技术类似，后者同样利用磁共振传输电量，传输距离可达到几米远。这项技术将促使日本政府在2012年之前在公共场所设置无线充电网点。科宏晶美国 “iNPOFi”无线充电器在2013年美国CES消费电子展上展出一款命名为“iNPOFi”的无线充电产品可以支持当下两大主流手机阵营，即苹果iPhone 4/4S和三星Galaxy S III。与手机自带无线充电模块的诺基亚Lumia 920不同的是，用户只需购买与自己手机相对应，并且内置无线充电模块的保护壳即可，有着更好的兼容性。其突出特性是无电磁线圈，无辐射，充电效率高。除了展会现场产出的产品之外，“iN

5、POFi”还将陆续推出系列产品， 比如“移动无线充”，这款产品本身自带高容量电芯，可以让使用者即使是在无人区，也可以连续为手机供电，这是其他任何无线充电产品都不具备的，除此之外我们还将针对更多的品牌和机型推出系列配套产品，满足更多终端客户的需求。§1.3市场前景去年的诺基亚纽约发布会上，诺基亚向我们展示了回家以后随手把手机放上充电垫边充电边听音乐的场景。Lumia920 内置了无线充电接收器，不久的将来，在美国本土的香啡缤店面和伦敦希思罗机场都将有无线充电器可用3。无线充电已从梦想步入现实，从概念变成了商品，未来几年将在手机、PC、电视、电动汽车等领域引领新风尚的趋势。无线

6、充电技术具有非常广阔的市场前景。根据对北美和欧洲市场需求调查报告显示，北美与欧洲市场对无线充电产品表现出极大的兴趣，81%的消费者希望多样的电子产品可以同时充电。这种需求刺激了无线充电产品市场的快速发展。早在几年前，无线充电产品已经进入市场，较为大家所熟知的便是iPhone无线充电器，在日本售卖已经有一年多时间了，其中包括日立麦克赛尔已经推出的符合WPC标准的iPhone系列产品。另外日本NTT DoCoMo公司早在CEATEC2010展会上推出了无线充电手机，并希望在2014年以前该公司推出的所有手机都具备无线充电功能。除了日本厂商以外，目前HTC、摩托罗拉、LG的上市产品中有的也已具备无线

7、充电功能。有分析师预测，20132014年将是无线充电器市场的真正拐点，尽管目前无线充电器市场主要集中在日本和欧美地区，但随着智能设备的增多以及设备功能多样化需求，它的市占率将得到大幅提升。根据市场研究机构Marketsand Markets的一份报告，全球无线充电市场将在未来五年内获得井喷式增长，到2017年将形成超过70亿美元的市场，而在2011年这一数字仅仅只有4.57亿美元，年复合增长率预计为57.6%。无线充电技术备受国际知名手机厂商的重视，未来无线充电器将在手机行业率先进行大力推广，并有可能会与手机一起捆绑进行销售。除了手机行业以外，目前在开发的无线充电应用市场还包括家具行业、电信

8、行业、汽车行业、玩具行业、消费电子领域。根据市场调研公司iSuppli的数据显示，无线充电设备市场在2013年将达到140亿美元的规模。无线充电带来的效益不仅仅是单个无线充电器市场的发展，而是无线充电平台的打造，即公共移动设备充电站将有可能成为现实，它可以让你在飞机场、麦当劳、咖啡厅等公共场所随时随地进行充电。或许有一天，在没有数据线连接的情况下，无线充电器不但能给设备充电，还可以实现同步数据和资料传送功能。而目前的无线充电主要还是接触式充电，未来还可能是隔空充电，但要实现这些功能，首先要解决的便是充电效率低的问题，而这还需要一段时间。中国是世界最大的无线移动通讯市场，对于便捷、易用、互通、兼

9、容的无线充电产品的需求将呈几何级别增长。无线充电行业发展的巨大潜力，也能促进中国企业积极参与和研究这一市场，有效地提升企业的产品宽度和竞争能力。中国有强劲的国内消费市场和份额巨大的海外出口，预计中国市场的无线充电技术发展应会很快。如今与此相关的各项核心技术，鲁恩科技已经全面解决，可以提供整套PCBA及软件，为成品厂商提供与国际巨头同台竞技的强大技术支持。第二章 方案论证 §2.1方案一微距离无线充电器4：将直流电转换成高频交流电，然后通过没有任何有有线连接的原、副线圈之间的互感耦合实现电能的无线馈送。基本方案如图2-1所示。图2-1 无线电能传输方案示意图本无线充电器由电能发送电路和

10、电能接收与充电控制电路两部分构成。2.1.1 电能发送部分 如图2-2,无线电能发送单元的供电电源有两种：220V交流和24V直流（如汽车电源），由继电器J选择。按照交流优先的原则，图中继电器J的常闭触点与直流（电池BT1）连接。正常情况下S3处于接通状态。 图2-2无线电能发送单元电路图 当有交流供电时，整流滤波后的约26V直流使继电器J吸合，发送电路单元便工作于交流供电方式，此时直流电源BT1与电能发送电路断开，同时LED1（绿色）发光显示这一状态。 经继电器J选择的+24V直流电主要为发射线圈L1供电，此外，经IC1（78L12）降压后为集成电路IC2供电，为保证J的动作不影响发送电路的

11、稳定工作，电容C3的容量不得小于 2200uF。 电能的无线传送实际上是通过发射线圈L1和接收线圈L2的互感作用实现的，这里L1与L2构成一个无磁芯的变压器的原、副线圈。为保证足够的功率和尽可能高的效率，应选择较高的调制频率，同时要考虑到器件的高频特性，经实验选择1.6MHz较为合适。 IC1为CMOS六非门CD4069,这里只用了三个非门，由F1,F2构成方波振荡器，产生约1.6MHz的方波，经F3缓冲并整形，得到幅度约11V的方波来激励VMOS功放管IRF640.足以使其工作在开关状态（丁类），以保证尽可能高的转换效率。为保证它与L1C8回路的谐振频率一致。可将C4定为100pF,R1待调

12、。为此将R1暂定为3K,并串入可调电阻 RP1。在谐振状态，尽管激励是方波，但L1中的电压是同频正弦波。由此可见，这一部分实际上是个变频器，它将50Hz的正弦转变成1.6MHz的正弦。2.1.2 电能接收与充电控制部分 正常情况下，接收线圈L2与发射线圈L1相距不过几cm,且接近同轴，此时可获得较高的传输效率。电能接收与充电控制电路单元的原理如图2-3所示。L2感应得到的1.6MHz的正弦电压有效值约有16V（空载）。经桥式整流（由4只1N4148高频开关二极管构成）和C5滤波，得到约 20V的直流。作为充电控制部分的唯一电源。由R4,RP2和TL431构成精密参考电压4.15V（锂离子电池的

13、充电终止电压）经R12接到运放IC的同相输入端3。当IC2的反相输入端2低于 4.15V时（充电过程中），IC3输出的高电位一方面使Q4饱和从而在LED2两端得到约2V的稳定电压（LED的正向导通具有稳压特性），Q5与 R6、R7便据此构成恒流电路I0=2-0.7R6+R7。另一方面R5使Q3截止，LED3不亮。图2-3无线电能接收器电路图当电池充满（略大于4.15V）时，IC3的反相输入端2略高于4.15V。运放便输出低电位，此时Q4截止，恒流管Q5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R8使Q3导通，点亮LED3作为充满状态指示。两种充电模式由R6、R7决定。这个非序

14、列值可以在E24序列电阻的标称值为918的电阻中找到，就用918的也行。 §2.2方案二:石英晶体振荡器2.2.1方波信号的产生图2-4方波生成电路图由于石英晶体振荡器产生的波形稳定性很高，选频特性非常好，它有一个稳定的串联谐振频率fs，且等效品质因数Q值也很高，只有频率为fs的信号最容易通过，而其他的频率的信号群会被晶体所衰减。图中并联在两个反相器输入输出间的电阻R1、R2的作用是使反相器工作在现行放大区，R的阻值，对于TTL门电路通常在0.72k之间，对于CMOS门则常在10-100M之间；电路中电容C1用于两个反相器间的耦合；C2的作用是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出；电容

15、C2的选择应使RC2并联网络在fs处产生极点，以减少谐振信号损失；C1的选择应使C1在频率为fs的容抗可以忽略不计。电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中RC的值无关。第三个CMOS反相器的功能是改善输出波形，增强带负载能力。R1=R2=2M，晶振X1=2M(因mulitisim中无2M晶振，故选择3M)，故由应满足的公式：2RC2fs=1得出C21nF。但是，由于在实际电路中，石英晶体晶体振荡器产生的方波信号为22kHz,并没有产生所需的2MHz的方波信号，故舍弃方案。§2.3方案三: 门电路组成的多谐振荡与丁类功率放大器2.3.1 门电路组成的多谐振荡图2-

16、5多谐振荡电路图上图门电路参考数字电路（康华光）的教材设计的组成的多谐振荡电路图，该电路由30pf可调电容C1、5K的R1和R2、两个10K的可调电阻R3和R4、三个CMOS非门组成；该电路的震荡的过程是通过电容C充放电作用来实现的。补偿电阻R4、R2可减小电源电压对振荡频率的影响。振荡周期理论值计算： T=1/fs=RCln41.4(R1+R3)C1 （C1=30pf，fs=2MHz）2.3.2丁类功率放大器丁类功率电路特点：效率高，产生的热量少，丁类功率放大器电路的基本设计思想是，要求功率管在导通时，饱和管压降为零；截止时，流过功率管的电流为零。显然，这时的功率管处于开关工作状态，三极管放

17、大器采用CMOS管IRF640,L1参数大小由网上所买的元器件所给，约30uH； 为达到2MHz的谐振频率，由公式f=1/(2(RC) )得出C400pf,C由C2和C3并联得到；实际用100pf可调电容。 R5起到分压的作用； S极和D极电阻决定放大倍数。放大倍数由Rd/Rs决定。实际取Rd=100，Rs=5.1k 。图2-6 丁类功率放大器2.3.3 发射电路图2-7 发射电路此电路为数电中描述的用门电路组成的多谐振荡器。原理是通过电容C1充 放电作用。振荡周期理论值计算： T=1/f=RCln41.4(R1+R3)C1；（C1=30pf）当R3=0时，f=7.1MHz；当R3=10K时，

18、 f=2.38MHz；实际电路电容C1为可调100pf；振荡周期实际值：波形不失真的状况下500k2.68MHz；满足波形不失真情况，故该电路为所选方案。 第三章 方案实施§3.1发射电路 图3-1 发射电路原理图3.1.1门电路多谐振荡电路组成及工作原理5：   由门电路组成的多谐振荡器的特点： a) 产生高、低电平的开关器件，如门电路、电压比较器、BJT等b) 具有反馈网络，将输出电压恰当的反馈给开关器件使之改变输出状态 c) 有延迟环节，利用RC电路的充、放电特性可实现延时，以获得所需要的振荡频率（在许多实用电路中，反馈网络兼有

19、延时的作用） 一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器如图3-2所示。  图3-2由CMOS门电路组成的多谐振荡器 其原理图和工作波形图分别如图3-3（a)、(b)所示。 （a）多谐振荡器原理图（b）多谐振荡器波形图 图3-3多谐振荡器原理图和波形图 图a中D1 、D2 、D3 、D4均为保护二极管。 为了讨论方便，在电路分析中，假定门电路的电压传输特性曲线为理想化的折线，即：  VON为开门电平，VOFF为关门电平， Vth为门坎电平（阈值电平）。 

20、0;(1) 第一暂稳态及电路自动翻转的过程 假定在t=0时接通电源，电容C尚未充电，电路初始状态，即第一暂稳态  V01= VOH ， vI=v02=VOL  此时，电源 VDD经G1的Tp管、R和G2的TN管给电容C充电，如图3-2(a)所示。随着充电时间的增加，vI的值不断上升，当vI达到Vth时，电路发生下述正反馈过程：   这一正反馈过程瞬间完成，使G1导通，G2截止，电路进入第二暂稳态 V01= VOL V02=VOH 。  （2）第二暂稳态及电路自动翻转的过程&#

21、160;电路进入第二稳态瞬间，v02由0V上跳至 VDD，由于电容两端电压不能突变，则vI也将上跳 ，本应升至VDD+Vth ，但由于保护二极管的钳位作用， vI仅上跳至VDD+V+ 。随后，电容C通过G2的T1、电阻R和G1的TN放电，使vI下降，当vI降至 后，电路又产生如下正反馈过程： 从而使G1迅速截止，G2迅速导通，电路又回到第一暂稳步态，V01= VOH，vI=v02=VOL。此后，电路重复上述过程，周而复始地从一个稳态翻转到另一个暂稳态，在 G2的输出端得到方波。 由上述分析不难看出，多谐振

22、荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容C充、放电作用来实现，电容的充、放电作用又集中体现在图中vI 的变化上。因此，在分析中要着重注意vI的波形。 2.振荡周期的计算  状态转换：主要取决于电容的充、放电 振荡过程中     转换时刻：决定于vI的数值 根据以上分析所得电路在状态转换时vI 的几个特征值，可以计算出图3-2(b)中的T1 、T2 值。 （1）T1的计算 对应于第一暂稳态，将图3-2(b)中t1 作为时间起点, 根据RC电路瞬态响应的

23、分析，有 （2）T2的计算 对应于图3-2(b),在第二暂稳态，将t2 作为时间起点， 由此可求出  所以  将Vth=VDD/2代入，上式变为  图3-2是一种最简型多谐振荡器,上式仅适于R»RON(P)+RON(N)  RON(P)、RON(N)分别为CMOS门中NMOS、PMOS管的导通电阻、C远大于电路分布电容的情况。当电源电压波动时，会使振荡频率不稳定，在Vth=VDD/2 时，影响尤为严重。一般可在图3-2中增加一个补偿电阻RS ，如图3-4所

24、示。RS可减小电源电压变化对振荡频率的影响。当Vth=VDD/2 时，取RS»R（一般取RS=10R ）。  图3-4 加补偿电阻的CMOS多谐振荡器3.1.2 XKT-408 1）简介6：  XKT-408系列集成电路，采用CMOS制程工艺，具有精度高、稳定性能好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。XKT-408负责处理该系统中的无线电能传输功能，采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换及电路的实时监控；负责各种 电池的快速充电智能控制，XKT-408只需配合 

25、极少 的外部元件就可以做成高可靠的无线快速 充电器、无线电源供电器。  2） 特点：  * 自动频率锁定  * 自动检测负载  * 自动功率控制  * 高速能量输出传送  * 高效电磁能量转换  * 高密度能量输出  * 智能检测系统，免调试  * 工作电压：DC  3V15V  

26、;* 高度集成化，仅几个普通外围元件  * 经过严格测试及批量生产，性能稳定    3）脚位图及说明：  4）工作极限参数： 工作温度：-55to+125 存储温度：-65to+150 最大工作电压：15V 输出驱动电流：800mA3.1.3 T5336T5336系列集成电路，采用的也是CMOS制作工艺，专门用于无线智能充电中，与XTK-408A配合可形成良好的发射控制电路，自动控制发射线圈的电磁波发射电压和频率。LC振荡电路在振荡过程中由于线圈的内阻不能

27、忽略且在能量传输过程的能量损耗导致电路中振荡电流肯定会大幅衰减，这时通过控制T5336的7、8号输出口电压，调整LC振荡电路两端的电压，用以补偿电路中阻抗和能量传输损耗的电压，使发射线圈的发射的电磁波维持稳定正弦交流变化。§3.2接收电路 图3-5 接收电路图3.2.1 TD1583能够使输出电压是稳定的5V引脚及说明7：1，6，8NC无2VIN电源电压输入引脚。td1583在3.6V至28V直流电压。旁路到GND接适当大的电容器以消除输入噪声的影响。3SW开关电源输出引脚。SW是功率输出的开关节点。4GND接地5FB反馈引脚。通过一个外部电阻分压网络，FB可以调节输出电压。反馈阈值

28、电压1.222v。7EN使能引脚。EN是一个数字输入，来调节装置的开启或关闭。高电平开启装置，低电平关闭。第四章 电路的仿真与调试§4.1发送部分4.1.1方波信号的产生门电路组成的多谐振荡（1） 利用MULTISIM绘制出如图4-1所示的仿真实验电路图4-1门电路组成的多谐振荡仿真图（2）按图设置各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上两个通道观察输出波形以及与输入信号的关系。如4-2图所示。图4-2 仿真波形图4.1.2 发送模块整体电路（1）利用MULTISIM绘制出如图4-3所示的仿真实验电路图4-3发送模块整体电路发仿真图(2) 按图设置各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上

29、两个通道观察输出波形以及与输入信号的关系。如4-4图所示。图4-4 仿真波形图4.1.3 实际电路的测试(1) 实际发射电路示波器仿真波形，如4-5图所示。 图4-5示波器仿真波形(2)实际电路测试数据发射线圈：铜线线径0.6mm,线圈外径50mm,绕17匝接收线圈同发射线圈发射线圈接上12V电源:待机工作电流200mA负载为4.2V600mAH聚合物锂电池测试数据如表4-1所示表4-1 实际电路测试数据线圈距离(mm)接收电压(V)充电电流(mA)线圈距离(mm)接收电压(V)充电电流(mA)15800115132257101251203560013511045450145705536015

30、554653101654175240175288521018519951621951710515020510由表格中的数据可以看到:此电路可以输出稳电的5V电压，且最大电流超过500mA，可以在20mm内给4.2V600mAH聚合物锂电池充电。第五章 结论本设计由于本人的知识有限，制作工艺，测试条件等等各方面的限制下，在制作过程中，元器件的选择，电路调试的繁琐，给本设计带来了很大影响。在老师与同学的帮助，一次次的解决了问题，但是最终本设计没能达到一个完美的功能体现。本设计也仅是作为可行性的探索，目标功能仍然仅仅局限于小容量锂电池或者锂聚合物电池，而应用到这些电池的，一般都是我们随身的电子产品，

31、如MP3，手机等等。如果要将这个设计推广到大容量电池，从原则上来说，是不存在问题的。当然每一个设想从创意，到市场上大量生产销售，这是一个极为漫长的过程，中间需要考虑的问题，有很多很多，但是我们看得到这个设计所能体现出来的价值。因此，对于无线充电器的研究，我们已经继续前行。 我们看整个充电器的行业，有线充电器仍然占据了主导的部分，传统的有限充电器的工作原理是将市电经过变压器变压之后，变为小幅度电流，然后经过桥式整流从而成为直流电，为电器充电。在这一点上面，传统的有线充电器和本设计所做的无线充电器基础理论大致上是一致的，但是对比于有线充电，无线充电对于我们的生活细节来说，可以提供更为便利的体验。我们完全可以想象，即便是在公共场所，只要有设置了无线充电点，人们日常生活路过该点，拿出我们的电子设备，即可进行充电，这对我们来说，是多么美好的一个想法，并且这个想法是现实的，可以实现的。结束语本文设计的是无线充电器，用电磁转换与磁耦合技术用于无线充电器中，实现了微距离无线充电：在5V的直流输入下，通过一个10uF的电容整流之后，保持输入电压恒定。在XKT-408A的控制下，通过T5336输出一个可控的低电压。直流电压与T5336的输出电压的电压差控制L1和C3的LC振荡电路，发射出稳定的高频电磁波。经接收线圈接收后，由td1583控制输出