多種無線充電模塊電子電路設計組合

TOP1 采用MSP430F2274超低功耗單片機作為無線傳能充電器

　　采用MSP430F2274超低功耗單片機作為無線傳能充電器的監(jiān)測控制核心，通過開關選擇充電的速度，實現快速充電和常態(tài)充電功能，電能充滿后給出充滿提示且自動停止充電。無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應原理，通過線圈進行能量耦合實現能量的傳遞。系統(tǒng)工作時輸入端將交流市電經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接受轉換電路變化成直流電為電池充電。交直流輸入采用單刀雙閘繼電器，交流上電常開閉合，常閉打開實現交流優(yōu)先，交流斷電繼電器斷電， 常閉閉合，實現自動切換。在切換時，時間很短，C1可提供一定時間的電量，可以實現不斷電切換，不影響充電。

　　發(fā)射電路：由振蕩信號發(fā)生器和諧振功率放大器兩部分組成。采用NE555構成振蕩頻率約為510KHZ信號發(fā)生器，為功放電路提供激勵信號；諧振功率放大器由LC并聯諧振回路和開關管IRF840構成。振蕩線圈按要求用直徑為0．80mm的漆包線密繞20圈，直徑約為6．5cm，實測電感值約為 142uH，當諧振在510KHZ時，與其并聯的電容C5、C6約為680p，可用470pF的固定，電容并聯一個200PF的可調電容，可方便調節(jié)諧振頻率。 大功率管TRF840最大電流為8A、完全開啟時內阻為0．85歐，管子發(fā)熱量大，所以需要加裝散熱片。當功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵信號頻率相同時，功率放大器發(fā)生諧振，此時線圈中的電壓和電流達最大值，從而產生最大的交變電磁場。當接收線圈與發(fā)射線圈靠近時，在接收線圈中產生感生電壓，當接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時產生諧振，電壓達最大值。實際上，發(fā)射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態(tài)時，具有最好的能量傳輸效果。

　　振蕩信號發(fā)生器：

　　諧振功率放大器：

　　接收電路：電能經過線圈接收后，高頻交流電壓經快速二極1N4148進行全波整流，3300F的電容濾波， 再用5．1V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，輸出直流電為充電器提供較為穩(wěn)定的工作電壓。因為Uc（t）= 1 C ∫i（t）dt， 為了準確控制充電時間，我們在設計中采用恒流充電的方法，可以保證充電電流大致為一常數I，上述電容電壓與時間的關系可表示為：Uc（t）= I C t。根據題設要求，充電時間應滿足快充小于30S， 慢充控制在120±20S，計算出快充、慢充所需電流大小快I1、慢I2分別為：I1=22000μF&TImes;3V/30S≈2．2mAI2=22000μF&TImes;3V/120S≈0．55mA ，二極管D1、D2的導通電壓基本不變，故可作為電壓基準，約為1．4V。各電壓關系為：UR+UEB=UD1+UD2≈1．4V

　
　 TOP2　基于NE555D芯片無線充電模塊電路

　　系統(tǒng)模塊

　　無線充電器利用電磁感應原理。通過NE555D芯片產生一個36.7K的脈沖頻率（因為經過調試在36.7K頻率時，效率達到最高），IRFP460功率放大，使發(fā)射線圈產生磁場，當接收線圈靠近時，產生感應電流，經過全波整流和穩(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秒鐘后沒有感應負載，自動斷電；按一下復位鍵則充電器重新啟動。

　　具體電路分析如下：

　　1 NE555D脈沖發(fā)生器模塊 根據T=（R1+Rp）C1，f=1/T，調節(jié)RP使NE555D輸出一個36.7KHZ的脈沖頻率。

　　2 功率放大及無線發(fā)射模塊

　　主要把NE555D產生的一個36.7KHZ的脈沖功率放大，經發(fā)射線圈發(fā)射出去。當脈沖為高電平時，Q12柵極為高電平，Q12導通，此時Q8飽和，Uceq電壓只有0.67V，經D10-4148后Q1柵極電壓為0，Q1截止。當脈沖為低電平時，Q8、Q12同時截止，電流直接由R16 D10 Q1，Q1導通。整個過程中Q1與Q12均以一開一關的形式工作。

　 3 感應線圈模塊 當感應線圈靠近發(fā)射線圈時，就會產生感應電流，經過全波整流后，根據不同的電子產品的充電電壓，可選擇不同的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，再經三極管Q100放大電流后供給不同電子產品充電。

4 充電檢測模塊 當有感應負載時，R20（0.33歐）電阻上的電壓會增大，經運放U2A放大A=1+R5/R6=23倍后，電壓變化明顯，再經過1N4148整流濾波，得電壓U1與基準源U。比較，此時U1＞U。，運放輸出Ui為高電平，七彩燈閃爍；當感應負載充滿電（或沒有感應到負載），此時U1＜U。，運放輸出Ui 為低電平，綠燈亮。

　　TOP3　無線充電振蕩電路選擇

　　1 電路的設計

　　對于無線充電電路來說，有三部分最主要的電路：振蕩電路、放大電路和無線接收電路。這里主要討論利用多諧振蕩器組成的無線充電電路。

　　2 振蕩電路

　　多諧振蕩器產生振蕩是最簡單的振蕩電路，構成振蕩電路有多種方法，常見的有用COMS門電路構成的多諧振蕩器，電路簡單省電，但在經過實驗發(fā)現振蕩幅度不夠，高頻段更是如此。

　　用晶體管作多諧振蕩器有兩種電路：

　　第一種是集電極—基極耦合多諧振蕩器，這種多諧振蕩器在低頻段效果還可以，但在高頻段就無法應用。因為集電極—基極耦合多諧振蕩器的輸出上升沿差，為使輸出幅度穩(wěn)定，兩只晶體三極管工作在飽和狀態(tài)，因而使電路的最高工作頻率受到限制。

　　第二種是發(fā)射極耦合多諧振蕩器，它可以克服第一種振蕩器的缺點，兩只晶體三極管工作在非飽和狀態(tài)，提高了三極管的開關速度，從而可以得到更高的振蕩頻率。耦合電容接在發(fā)射極上，能改善輸出波形。最后我們選用的晶體管多諧振蕩器就是發(fā)射極耦合多諧振蕩器，亦稱射極耦合多諧振蕩器。

　
　 TOP4　太陽能無線充電電路設計

　　太陽能發(fā)電的原理主要是由太陽能電池板接收太陽光，在太陽能電池板的基板上發(fā)生光電效應，從而將光能轉換成電能，然后將電能通過蓄電池儲存起來。

　　太陽能無線充電電路可以設計成如圖4電路。 在圖4中我們選用的晶體管發(fā)射極耦合多諧振蕩器和模擬達林頓管組成無線充電電路，發(fā)射極耦合多諧振蕩器用兩個小功率三極管組成，按圖4中的元器件數據，振蕩頻率約為350kHz。元器件中僅最后一級三極管VT4的耗散功率大些，其他的都是比較簡單并且容易得到的元器件。

　　12V的電源由太陽能充電電路提供，電源信號通過射極耦合多諧振蕩電路變成高頻信號再通過C3和R7組成的耦合電路之后被模擬達林頓管功放電路放大，L1和L2分別是初級和次級耦合線圈，放大后的信號通過L1和L2的耦合被無線傳送到次級接收電路，高頻交流信號被整流濾波后變成直流電能給3.7V 的鋰電池進行充電。

　　TOP5　無線電能發(fā)送單元的供電電源電路設計圖

　　電能發(fā)送部分，如圖2，無線電能發(fā)送單元的供電電源有兩種：220V交流和24V直流（如汽車電源），由繼電器J選擇。按照交流優(yōu)先的原則，圖中繼電器J的常閉觸點與直流（電池BT1）連接。正常情況下S3處于接通狀態(tài)。

　　當電池充滿（略大于4.15V）時，IC3的反相輸入端2略高于4.15V。運放便輸出低電位，此時Q4截止，恒流管Q5因完全得不到偏流而截止，因而停止充電。同時運放輸出的低電位經R8使Q3導通，點亮LED3作為充滿狀態(tài)指示。

　　兩種充電模式由R6、R7決定。這個非序列值可以在E24序列電阻的標稱值為918的電阻中找到，就用918的也行。 如果作為產品設計，這部分電路應當盡可能微型化（電流表電壓表只是在實驗品中調試時用，產品中不需要），最好成為電池的附屬電路。

　　主要元器件選擇

　　電源變壓器T1：5VA18V，這里利用現有的雙18V的，經整流濾波后得到約24V的直流

　　繼電器J：DC24V，經測量其可靠吸合電流為13mA

　　保險管FUSE：快速反應的1A

　　可調電阻RP1和RP2：用精密可調的

　　諧振電容C8：瓷介電容耐壓不小于63V

　　整流橋D5-D8：用高頻開關管1N4148

　　精密電壓源：TL431

　　運放IC3：OPA335，TI公司的軌對軌精密單運放

　　晶體管Q3、Q4和Q5：要求漏電流小于0.1uA，放大倍數大于200，圖中已標型號

　　發(fā)光管LED2：普亮（紅），正向VA特性盡可能陡直（動態(tài)電阻小，穩(wěn)壓特性好）

　　發(fā)送線圈L1：用U1mm的漆包線在U66mm的圓柱體（易拉罐正好）上密繞20匝，用502

　　TOP6　無線電能接收單元的供電電源電路設計圖

　　電能經過線圈降壓接收后，高頻交流電壓經過IN4007整流管進行全波整流，2200uf的電容濾波，再用3.3V穩(wěn)壓二極管驚醒穩(wěn)壓，輸出直流電為電池提供較穩(wěn)定的工作電壓，為電池充電。

　　
TOP7　無線電能整體電路設計圖

　　無線充電器基本功能是通過線圈將H 電能H 以H 無線H 方式傳輸給電池。只需把電池和接收設備放在充電平臺上即可對其進行充電。實驗證明．雖然該系統(tǒng)還不能充電于無形之中．但已能做到將多個校電器放置于同一充電平臺上同時充電。免去接線的煩惱。

　　1 無線充電器原理與結構

　　無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應原理，通過線圈進行能量耦合實現能量的傳遞。如圖1所示，系統(tǒng)工作時輸入端將交流市電經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。經過H 電源管理H 模塊后輸出的直流電通過2M有源晶振逆變轉換成高頻交流電 供給初級繞組。通過2個H 電感H 線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經接受轉換電路變化成 直流電為電池充電。

　　2 電源管理模塊

　　3 發(fā)射電路模塊

　　如圖3，主振電路采用2 MHz有源晶振作為振蕩器。有源晶振輸出的方波，經過二階低通濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的正弦波輸出，經三極管13003及其外圍電路組成的丙類放大電路后輸出至線圈與電容組成的并聯諧振回路輻射出去．為接收部分提供能量。

　　4 接收電路模塊與充電電路

　　測得與電容組成的并聯諧振回路的空芯耦合線圈的線徑為O．5 mm，直徑為7 cm，電感為47 uH，載波頻率為2 MHz。根據并聯諧振公式得匹配電容C約為140 pF。因而．發(fā)射部分采用2MHz有源晶振產生與諧振頻率接近的能源載波頻率。