無線充電裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳錦儒+王杏進(jìn)

摘要：采用電磁感應(yīng)技術(shù)和電流磁效應(yīng)，無線充電轉(zhuǎn)置利用電流在線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)發(fā)送能量，同時(shí)使用線圈接收磁場(chǎng)能并轉(zhuǎn)換成電能，輸送給待充電設(shè)備。在設(shè)計(jì)過程中采用門電路集成元件使充電基座的直流電源發(fā)生振蕩，產(chǎn)生一定頻率的交流電源，通過線圈產(chǎn)生固定頻率變化的磁場(chǎng)，將電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能，在接收端接收磁場(chǎng)能并且轉(zhuǎn)換成電能，然后通過對(duì)電流的半波整流和穩(wěn)壓濾波，使得交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源，最終得到得到5V，500mA的穩(wěn)定的直流電源輸出個(gè)充電設(shè)備。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)；電流磁效應(yīng)；振蕩；濾波

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）17-0195-03

1系統(tǒng)方案

1.1無線充電的原理

無線充電原理主要是運(yùn)用電流磁效應(yīng)和電磁感應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。電流通過的導(dǎo)線時(shí)，會(huì)在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象，并隨著通過的電流逐漸增大，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就越強(qiáng)。磁場(chǎng)中的導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若導(dǎo)體是閉合回路中的一部分，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

應(yīng)用上述的電路原理，可以實(shí)現(xiàn)無線連接的互感耦合，對(duì)電流進(jìn)行空間饋送。在一個(gè)電源接入一個(gè)線圈產(chǎn)生一個(gè)震蕩的磁場(chǎng)，將另一個(gè)線圈放置在震蕩的磁場(chǎng)當(dāng)中，即可產(chǎn)生激勵(lì)電流。其原理示意圖如圖1所示。

1.2無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

應(yīng)用電流的互感耦合原理實(shí)現(xiàn)短距離無線充電，主要是將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，然后通過原線圈和副線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)電流的無線饋送，基本方案圖如2所示。

無線充電裝置由兩部分組成，一個(gè)是無線發(fā)射端，接入5V直流電源，通過震蕩產(chǎn)生一定頻率變化的信號(hào)電流，使得流過線圈的電流產(chǎn)生高頻震蕩的磁場(chǎng)。另一個(gè)則是無線接收端，接收端使用副線圈在磁場(chǎng)中接收來自發(fā)射端的電感耦合電流，耦合電流是交流電流，需要經(jīng)過整流濾波處理以后才能提供電能給手機(jī)電池。

1.3無線充電的電路方案

1）無線發(fā)射端。無線發(fā)射端的電源振蕩器采用的是門電路多諧振蕩，該電路的震蕩是通過對(duì)電容C充放電作用完成的，R4、R2是補(bǔ)償電阻，目的是減小電源電壓對(duì)振蕩頻率的影響。震蕩周期理論值計(jì)算：

震蕩周期實(shí)際值：保證波形不失真情況下，頻率選用范圍為500K～2.68MHz。為了滿足實(shí)際應(yīng)用情況，故所選的多諧振蕩的電路方案如圖3所示。

2）無線接收端。無線接收端相當(dāng)于一個(gè)線性穩(wěn)壓電源，控制電路從副線圈獲得交流電，利用二極管的單向?qū)щ娦詫?duì)交流電源進(jìn)行半波整流，為了向負(fù)載提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電源，需要對(duì)脈動(dòng)電源進(jìn)行濾波穩(wěn)壓，最終得到一個(gè)穩(wěn)定的5V電源電壓。

1.4總方案

電源發(fā)射端使用了一個(gè)多諧振蕩器使得直流電源變?yōu)楦哳l交流電，高頻的交流電通過線圈將電能轉(zhuǎn)換為空間中的磁能，接收端在磁場(chǎng)中接收發(fā)送端的能量在線圈中產(chǎn)生交流電，經(jīng)過對(duì)副線圈的交流電進(jìn)行半波整流，濾波和穩(wěn)壓之后提供穩(wěn)定的直流電源給充電電池。為了能更好地顯示無線充電裝置的工作狀態(tài)，在無線發(fā)射端使用STC12C5A60S2采集無線充電裝置的狀態(tài)。單片機(jī)通過AD轉(zhuǎn)換發(fā)送端的電壓，獲得當(dāng)前的工作狀態(tài)。其總體方案圖如下所示：

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1發(fā)射端的振蕩器電路

門電路多諧震蕩的電路特點(diǎn)：1.產(chǎn)生高低電平的開關(guān)器件；2.具有反饋信息網(wǎng)絡(luò)，將輸出的反饋到輸入端，使開關(guān)器件改變輸出狀態(tài)，保持穩(wěn)定；3.可以利用RC電路的充放電時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)的延時(shí)，以獲得需要的振蕩頻率。

綜上所述，本次項(xiàng)目使用COMS門電路組成的振蕩器，其結(jié)構(gòu)圖如下所示：

但當(dāng)電源電壓出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，就會(huì)引起振蕩頻率隨之不穩(wěn)定，為了改善這一不穩(wěn)定的狀況，通過增加一個(gè)補(bǔ)償電阻Rd減少電源電壓紋波對(duì)頻率的響應(yīng)，達(dá)到系統(tǒng)的問題運(yùn)行。

由于使用分立元件制作的多諧振蕩器，不僅會(huì)耗費(fèi)大量的空間，增加電路的體積，并且整體電路能耗較大，降低了產(chǎn)品的有用功功率，故考慮使用小規(guī)模集成電路XKT-510系列芯片。根據(jù)XKT-510的特眭所設(shè)計(jì)的發(fā)射電路原理圖：

2.3接收端的整流電路

無線接收端接收到的電壓波形跟發(fā)射端一樣，均是一種方波波形，故可直接在線圈上接入電容濾波。無線接收端對(duì)副線圈的電壓進(jìn)行半波整流，經(jīng)過半波整流得到的直流電壓，實(shí)際是脈動(dòng)直流電壓，它的紋波較大，在實(shí)際應(yīng)用中為了降低紋波，需在電壓輸出端接入濾波電容。其電路圖如下所示：

在交流的正半周時(shí)二極管導(dǎo)通，在向負(fù)載供電的同時(shí)也向電容充電，當(dāng)交流電的負(fù)半周時(shí)，二極管截止，電容放點(diǎn)，為負(fù)載提供電流。輸出電壓如圖所示：

得到的電源電壓并不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生物理?yè)p壞，影響電池使用壽命，更有甚者會(huì)導(dǎo)致電池爆炸而發(fā)生事故。故為了得到更加穩(wěn)定的直流電源，需要在經(jīng)過半波整流電路輸出的電源電壓再加上一個(gè)線性穩(wěn)壓元器件。其電路圖如下所示：

在無線接收端同樣采用了一個(gè)無穩(wěn)態(tài)自激多諧振蕩器，通電源后，電源對(duì)電容C33和C44充電，為三極管提供基極電壓，由于元器件的參數(shù)不可能完全相同，所以必然會(huì)有一只三極管首先導(dǎo)通，假設(shè)是Q11導(dǎo)通，則LED3被點(diǎn)亮，同時(shí)Q00截止，當(dāng)C44上的電壓充至0.7V時(shí)，QOO導(dǎo)通，Q11截止，但由于Q00上只有負(fù)載電阻，所以表現(xiàn)為L(zhǎng)ED3間隔一定的周期閃爍一次。閃爍周期可以改變C33和C44，R22，和R33的數(shù)值來調(diào)節(jié)，數(shù)值越大，周期越長(zhǎng)。

3軟件方案設(shè)計(jì)

在無線發(fā)射端使用了STC12系列單片機(jī)無線充電裝置進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)當(dāng)前的工作狀態(tài)做出反映，便于使用者可以看到裝置當(dāng)前處于什么樣的狀態(tài)中。其工作流程是初始化ADC模塊，需要將對(duì)應(yīng)的P1口設(shè)置為模擬功能輸入，開啟ADC電源，設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間和需要轉(zhuǎn)換的通道，配置后之后只需開啟AD轉(zhuǎn)換的就可以開始采集電壓。其工作流程如下圖所示：

在主函數(shù)中使用了A/D轉(zhuǎn)換中斷，每當(dāng)完成一次A/D轉(zhuǎn)換之后，硬件上就會(huì)將ADC-CONTR寄存器的ADC_FLAG置位，同時(shí)產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，使得不會(huì)丟失每一次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。氣系統(tǒng)流程圖如圖13所示。

4整機(jī)測(cè)試

對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行測(cè)試，在無線發(fā)送端接入一個(gè)5V直流電源，然后使用萬用電表在無線接收端的電壓輸出端測(cè)量，測(cè)得電源值部分值如表1所示。

通過表1可知，本次設(shè)計(jì)最終得到的電壓值是接近5V。當(dāng)接人手機(jī)進(jìn)行充電測(cè)試時(shí)，手機(jī)頁(yè)面顯示正在充電中。

無線發(fā)送端的單片機(jī)部分，單片機(jī)的引腳接人線圈兩端，當(dāng)無線接收端靠近發(fā)送端的時(shí)候，相當(dāng)于給發(fā)送端加了一個(gè)負(fù)載，導(dǎo)致線圈兩端的電壓產(chǎn)生微妙的變化，使用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器檢測(cè)電壓變化情況，因此可以判斷出接收端是否在靠近發(fā)送端后進(jìn)行充電工作。

5結(jié)束語

本次的設(shè)計(jì)裝置包括充電基座和可安裝到手機(jī)的接收器，充電基座接入直流電壓源，通過自激震蕩將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，從而產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。接收器的線圈靠近發(fā)射器所產(chǎn)生的磁場(chǎng)后，因電磁感應(yīng)而得到了交流電壓，經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓后得到5V，500mA的直流電壓源。這解決了因多媒體設(shè)備頻繁充電而對(duì)充電接口插拔的損壞，還便利了隨時(shí)充電的步驟，這是一種可以簡(jiǎn)化手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備充電的方式。