无线充电器的设计说明

1、目录引言：21 无线充电器在国内外的发展现状 41.1 国外发展及现状 41.2 国内发展及现状 51.3 建立国际统一标准 52 系统硬件电路设计 62.1 系统整体框图 62.2 供电电源模块 72.3 发射电路 82.4 接收转换电路 92.5 充电电路 103 主要元器件选择 114 调试要点 114.1 调工作频率 114.2 调基准电压 124.3 调充电控制 12结束语 124.4献 12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一一无线供电技术。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

2、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一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

3、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

4、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。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

5、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

6、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

7、“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MarinSoljacic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

8、 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。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

9、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：PowerMat

10、tersAlliance(PMA)标准、Qi 标准、AllianceforWirelessPower(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一一无线充电联盟(WirelessPowerConsortium,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

11、代表性产品有：诺基亚 Lumia920、诺基亚 Lumia820、谷歌 Nexus4 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

12、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系统整体框匿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

13、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 的交流电提交流电电源管理模块接收转换电路供电能图 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 2MHz 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f147Ho 因为载波频率为 2MHz,根据并联谐振公式82i*mgarklgK93UMSvr羁 m-PCeKS0fr*3Vgf*rBSVW2F a*1BVtSB|l-l*03bkBMZErlV*WPCWb