無線充電原理解析及經(jīng)典設(shè)計方案集錦

無線充電技術(shù)的原理研究可以追溯到19世紀30年代，科學(xué)家邁克爾?法拉第首先發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理，即周圍磁場的變化將使電線中產(chǎn)生電流。到了 19世紀 90年代，愛迪生光譜輻射能研究項目的一名助手，也是后來的科學(xué)家尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla) 證實了無線傳輸電波的可能性，并申請了首個專利。目前無線充電存在四種不同的商用技術(shù)，電磁感應(yīng)技術(shù)、無線電波技術(shù)和電磁共振技術(shù)、電場耦合技術(shù)，幾種技術(shù)各有特點。

　　無線充電是指利用電磁波感應(yīng)原理進行充電的設(shè)備，原理類似于變壓器。在發(fā)送和接收端各有一個線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號，接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號從而產(chǎn)生電流給電池充電。

　　實現(xiàn)無線充電技術(shù)主要通過四種方式：電磁感應(yīng)式、磁場共振式、無線電波式、電場耦合式。

　　1.電磁感應(yīng)式充電：初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級線圈鐘產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。目前最為常見的充電墊解決方案就采用了電磁感應(yīng)，事實上，電磁感應(yīng)解決方案在技術(shù)實現(xiàn)上并無太多神秘感，中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請的非接觸感應(yīng)式充電器專利，就使用了電磁感應(yīng)技術(shù)。

電磁感應(yīng)式無線充電產(chǎn)品示意圖

　　2.磁場共振充電：由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術(shù)，由麻省理工學(xué)院(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領(lǐng)的研究團隊利用該技術(shù)點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡，并將其取名為WiTricity。該實驗中使用的線圈直徑達到50cm，還無法實現(xiàn)商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。相比電磁感應(yīng)方式，利用共振可延長傳輸距離。磁共振方式不同于電磁感應(yīng)方式，無需使線圈間的位置完全吻合。

　　3.無線電波式充電：這是發(fā)展較為成熟的技術(shù)，類似于早期使用的礦石收音機，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載作出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器。

　　4. 電場耦合式充電：充電模塊是由2個非對稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電模塊就是通過這2個非對稱偶極子的電場耦合而產(chǎn)生的感應(yīng)電場來供電的。電場耦合方式的特點大致有三：①充電時可實現(xiàn)位置自由，②電極薄，③電極部的溫度不會上升。因此不僅能夠提供便利性，而且還可降低系統(tǒng)成本。目前已試制完成為平板終端及電子書等便攜終端進行無線供電的供電臺。

經(jīng)典微距離無線充電器創(chuàng)新設(shè)計方案

本設(shè)計方案主要介紹了微距離無線充電器設(shè)計的基本方案，主要分析無線電能發(fā)送單元電路、無線電能接收器電路等。

　　將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，然后通過沒有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實現(xiàn)電能的無線饋送?；痉桨溉鐖D1所示。

　　本無線充電器由電能發(fā)送電路和電能接收與充電控制電路兩部分構(gòu)成。電能的無線傳送實際上是通過發(fā)射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實現(xiàn)的，這里L(fēng)1與L2構(gòu)成一個無磁芯的變壓器的原、副線圈。為保證足夠的功率和盡可能高的效率，應(yīng)選擇較高的調(diào)制頻率，同時要考慮到器件的高頻特性，經(jīng)實驗選擇1.6MHz較為合適。

　　圖2無線電能發(fā)送單元電路圖

圖3無線電能接收器電路圖

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電磁感應(yīng)式智能無線充電器設(shè)計方案

　　智能無線充電器利用電磁感應(yīng)原理，是非接觸充電系統(tǒng)，不再通過導(dǎo)線(充電線)傳輸電能，而是無線傳輸方式充電。沒有充電所用的物理接口，與一般充電器相比，避免了插線或拔電池的麻煩，具有一般充電器的工作原理;作品采用一(充電器)對多(感應(yīng)負載)充電、智能充電的設(shè)計思想;無線充電器對負載充電時，指示燈將由綠燈轉(zhuǎn)換為七彩燈，手機也正確顯示充電狀態(tài)并智能完成充過程(實驗產(chǎn)品為手機)。本充電器可以同時對多個負載充電，可以自動感應(yīng)是否有負載充電，達到自動充電，充滿電后10秒自動斷電，達到智能化;從而大大方便了用戶。

　　無線充電器利用電磁感應(yīng)原理。通過NE555D芯片產(chǎn)生一個36.7K的脈沖頻率(因為經(jīng)過調(diào)試在36.7K頻率時，效率達到最高)，IRFP460功率放大，使發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場，當接收線圈靠近時，產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過全波整流和穩(wěn)壓，得到負載 (手機)所需要的充電電壓和電流。發(fā)射線圈的電流會隨著感應(yīng)負載的增加而增大，通過運放把0.33歐的負載電壓23倍放大，再經(jīng)過1N4148整流濾波得到電壓U1與基準源Uo比較。充電時，U1大于Uo七彩燈閃亮，表示正在充電;空負載或充滿電時，U1小于Uo，綠燈亮，若10秒鐘后沒有感應(yīng)負載，自動斷電;按一下復(fù)位鍵則充電器重新啟動。 本設(shè)計方案主要從NE555D脈沖發(fā)生器模塊、功率放大及無線發(fā)射模塊、感應(yīng)線圈模塊、充電檢測模塊、充電檢測模塊進行分析。部分電路分析及工作流程圖如下：

　　如圖1，根據(jù)T=(R1+Rp)C1，f=1/T，調(diào)節(jié)Rp使NE555D輸出一個36.7KHZ的脈沖頻率。

　　設(shè)計、制作智能無線充電器，它具有如下優(yōu)點：

　　(1)成本低廉

　　電路由脈沖產(chǎn)生部分、功率放大部分，濾波部分、比較部分及發(fā)射和接收部分組成，每部分只是幾個小元件組成，制作簡單。

　　(2)一對多充電

　　一臺充電器可以對多個負載充，一個家庭購買一臺充電器就可以滿足全家人使用，隨著負載的增加，工作效率也會增高，因此可以節(jié)約用電同時亦可減少不必要的開銷。

　　(3)方便性

　　與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時亦避免了接口不適用，接觸不良等現(xiàn)象，老年人也能很方便地使用。

　　(4)智能化

　　只要把感應(yīng)負載往充電器上面放，就可以自動感應(yīng)充電，通過信息反饋，當感應(yīng)負載滿電后，自動斷電，實現(xiàn)充電過程智能化。

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基于MSP43O單片機的無線充電器設(shè)計

　　無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理，通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞。如圖1所示，系統(tǒng)工作時輸人端將交流市 電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用24V直流電端直接為系統(tǒng)供電。當接收線圈與發(fā)射線圈靠近時，在接收線圈中產(chǎn)生感生電壓，當接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時產(chǎn)生諧振，電壓達最大值，具有最好的能量傳輸效果。通過 2個電感線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經(jīng)接受轉(zhuǎn)換電路變化成直流電為電池充電。

　　本設(shè)計方案就是一個由能量發(fā)送單元和能量接收單元兩大部分組成，利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)電能無線傳遞的充電器。如下圖是整機電路原理圖。

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便攜醫(yī)療設(shè)備的無線充電設(shè)計

　　本文主要介紹便攜醫(yī)療設(shè)備的無線充電設(shè)計與實現(xiàn)。

　　想象一下，你是一家大城市急救室的醫(yī)療技師。你在各個病房之間穿梭，使用便攜式診斷設(shè)備協(xié)助醫(yī)護人員做診斷。工作壓力大，病人源源不斷，你根本沒時間去找插座，把你的設(shè)備插上去。你大概愿意把設(shè)備放到一個地方，讓它自動充電。這樣你就能到下一個病人或傷者那里，他們需要動作迅速和高效的醫(yī)護人員。對你和病人來說幸運的是，無線充電已經(jīng)是一種現(xiàn)成的技術(shù)。

　　行業(yè)標準規(guī)范正在引領(lǐng)無線充電的發(fā)展。無線充電聯(lián)盟(WPC)的標準也被稱為Qi(發(fā)音“奇”)。這個規(guī)范又分為系統(tǒng)的三個核心部分：功率發(fā)射器、功率接收器以及這兩個器件之間的通信協(xié)議。這個標準的主要特點是(見圖1)：

　　圖1：無線充電系統(tǒng)方塊圖(來源：無線充電聯(lián)盟網(wǎng)站)

　　(1)一種從底座到便攜式設(shè)備的非接觸式功率傳輸方法，這種方法的物理基礎(chǔ)是線圈之間的近場電磁感應(yīng)。

　　(2)使用一個次級(或接收)線圈傳輸大約5W功率。

　　(3)工作頻率范圍為110Hz至 205kHz。

　　(4)在底座表面擺放便攜式設(shè)備的方式有兩種：一種方式是在底座表面的指定位置擺放便攜式設(shè)備，底座通過該表面的一個或幾個固定的位置提供能量;自由定位允許便攜式設(shè)備隨意擺放在充電站表面，從該表面的任何地方提供能量。

　　(5)可以達到非常低的待機功耗，這取決于具體的實現(xiàn)方法。

　　(6)能夠靈活地把系統(tǒng)集成到便攜式設(shè)備。