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2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iPhone4/4S和三星GalaxySIII。与手机自带无线充电模块的诺基亚Lumia920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，“iNPOFi”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NTTDoCoMo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充电功能。有分析师预测，2013~2014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MarketsandMarkets的一份报告，全球无线充电市场将在未来五年3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。4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。5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。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。6由R4,RP2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7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0.7~2kΩ之间，对于CMOS门则常在10-100MΩ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=2MΩ，晶振X1=2M(因mulitisim中无2M晶振，故选择3M)，故由应满足的公式：2πRC2fs=1得出C2≈1nF。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。8§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2-5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、5KΩ的R1和R2、两个10KΩ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=RCln4≈1.4(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/(2π(RC))得出C≈400pf,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=100Ω，Rs=5.1kΩ。9图2-6丁类功率放大器2.3.3发射电路10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=RCln4≈1.4(R1+R3)C1；（C1=30pf）当R