無(wú)線充電器的設(shè)計(jì)（原理圖+主材bom）

引言
　　無(wú)線電技術(shù)用于通信，已經(jīng)在全世界流行了近一百年。從當(dāng)初的無(wú)線電廣播和無(wú)線電報(bào)，發(fā)展到現(xiàn)在的衛(wèi)星和微波通信，以及普及到全球幾乎每一個(gè)個(gè)人的移動(dòng)通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、GPS等。無(wú)線通信極大地改變了人們的生產(chǎn)和生活方式，沒(méi)有無(wú)線通信，信息化社會(huì)的目標(biāo)是不可議的。
　　然而，無(wú)線通信傳送的都是微弱的信息,而不是功率較大的/能量。因此許多使用極為方便的便攜式的移動(dòng)產(chǎn)品，都要不定期地連接電網(wǎng)進(jìn)行充電，也因此不得不留下各種插口和連接電纜。這就很難實(shí)現(xiàn)具有防水性能的密封工藝，而且這種個(gè)性化的線纜使得不同產(chǎn)品的充電器很難通用。如果徹底去掉這些尾巴,移動(dòng)終端設(shè)備就可以獲得真正的自由。也易于實(shí)現(xiàn)密封和防水。這個(gè)目標(biāo)必須要求能量也像信息一樣實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。
　　能量的傳送和信號(hào)的傳輸要求顯然不同，后者要求其內(nèi)容的完整和真實(shí)，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。雖然能量的無(wú)線傳送的想法早已有之，但因?yàn)橐恢睙o(wú)法突破效率這個(gè)瓶頸，使它一直不能進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域。
　　目前，這個(gè)瓶頸仍然沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破。但是如果對(duì)傳輸距離沒(méi)有嚴(yán)格要求（不跟無(wú)線通信比），比如在數(shù)cm（本文稱(chēng)微距）的范圍內(nèi)，其傳輸效率就很容易提高到滿(mǎn)意的程度。如果能用比較簡(jiǎn)單的設(shè)備實(shí)現(xiàn)微距條件下的無(wú)線傳能，并形成商業(yè)化的推廣應(yīng)用，當(dāng)今社會(huì)隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電子設(shè)備將有可能面臨一次新的變革。
　　 工作原理
　　將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，然后通過(guò)沒(méi)有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線饋送?；痉桨溉鐖D1所示。

　　本無(wú)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。
　　1 電能發(fā)送部分
　　如圖2,無(wú)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(chē)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(diǎn)與直流（電池BT1）連接。正常情況下S3處于接通狀態(tài)。
　　無(wú)線充電模塊
　　當(dāng)有交流供電時(shí)，整流濾波后的約26V直流使繼電器J吸合，發(fā)送電路單元便工作于交流供電方式，此時(shí)直流電源BT1與電能發(fā)送電路斷開(kāi)，同時(shí)LED1（綠色）發(fā)光顯示這一狀態(tài)。
　　經(jīng)繼電器J選擇的+24V直流電主要為發(fā)射線圈L1供電，此外，經(jīng)IC1（78L12）降壓后為集成電路IC2供電，為保證J的動(dòng)作不影響發(fā)送電路的穩(wěn)定工作，電容C3的容量不得小于2200uF。

圖2無(wú)線電能發(fā)送單元電路圖

　　電能的無(wú)線傳送實(shí)際上是通過(guò)發(fā)射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實(shí)現(xiàn)的，這里L(fēng)1與L2構(gòu)成一個(gè)無(wú)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(shí)要考慮到器件的高頻特性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)選擇1.6MHz較為合適。
　　IC1為CMOS六非門(mén)CD4069,這里只用了三個(gè)非門(mén)，由F1,F2構(gòu)成方波振蕩器，產(chǎn)生約1.6MHz的方波，經(jīng)F3緩沖并整形，得到幅度約11V的方波來(lái)激勵(lì)VMOS功放管IRF640.足以使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)（丁類(lèi)），以保證盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。為保證它與L1C8回路的諧振頻率一致。可將C4定為100pF,R1待調(diào)。為此將R1暫定為3K,并串入可調(diào)電阻RP1。在諧振狀態(tài)，盡管激勵(lì)是方波，但L1中的電壓是同頻正弦波。
　　由此可見(jiàn)，這一部分實(shí)際上是個(gè)變頻器，它將50Hz的正弦轉(zhuǎn)變成1.6MHz的正弦。
　　2 電能接收與充電控制部分
　　正常情況下，接收線圈L2與發(fā)射線圈L1相距不過(guò)幾cm,且接近同軸，此時(shí)可獲得較高的傳輸效率。
　　電能接收與充電控制電路單元的原理如圖3所示。
　　L2感應(yīng)得到的1.6MHz的正弦電壓有效值約有16V（空載）。經(jīng)橋式整流（由4只1N4148高頻開(kāi)關(guān)二極管構(gòu)成）和C5濾波，得到約20V的直流。作為充電控制部分的唯一電源。
　　由R4,RP2和TL431構(gòu)成精密參考電壓4.15V（鋰離子電池的充電終止電壓）經(jīng)R12接到運(yùn)放IC的同相輸入端3。當(dāng)IC2的反相輸入端2低于4.15V時(shí)（充電過(guò)程中），IC3輸出的高電位一方面使Q4飽和從而在LED2兩端得到約2V的穩(wěn)定電壓（LED的正向?qū)ň哂蟹€(wěn)壓特性），Q5與R6、R7便據(jù)此構(gòu)成恒流電路I0=2-0.7R6+R7。另一方面R5使Q3截止，LED3不亮。

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　　 性能測(cè)試

　　應(yīng)保證L1與L2附近沒(méi)有其他金屬或磁介質(zhì)。
　　1 耦合性能
　　在接收單元空載（不接被充電池）情況下，保持L1與L2同軸，改變L1-L2間距，測(cè)量接收單元C5兩端電壓DCV。
　　在5cm內(nèi)，充電控制電路能保證準(zhǔn)確可靠的工作，6cm仍可充電。

　　2 充電控制

　　保持L1與L2同軸并固定于相距2cm,接上待充電池，并接上電壓表。
　　斷開(kāi)SW,電流表讀數(shù)為10mA,此為慢充電工作方式；接通SW,電流表讀數(shù)為30mA,此為快充電工作方式。
　　當(dāng)充電使電壓表讀數(shù)達(dá)到4.15V時(shí)，LED3熄且LED2亮，同時(shí)電流表讀數(shù)為零，表明電池BT2已被充滿(mǎn)并自動(dòng)停止充電，并且顯示這一狀態(tài)。
　　測(cè)試時(shí)，被充電池可用一只20000uF電容代替，以縮短充電時(shí)間便于測(cè)試。
　　3 換能效率
　　仍保持L1與L2同軸相距2cm,充電器分別工作于快充、慢充和停充，測(cè)量。

　　4 電源切換
　　斷開(kāi)S1,繼電器復(fù)位，由直流電源BT1供電；接通S1,繼電器吸合，由交流電源供電，此時(shí)BT1被斷開(kāi)。
　　兩種供電方式對(duì)以上測(cè)試結(jié)果完全相同。
　　S3用于兩種供電方式的人工切換或強(qiáng)行用直流，一般處于接通狀態(tài)。
　　 結(jié)語(yǔ)
　　作為可行性探索實(shí)驗(yàn)的樣機(jī)，本設(shè)計(jì)僅針對(duì)100mAh左右的小容量鋰離子電池和鋰聚合物電池，適用于MP3、MP4和藍(lán)牙耳機(jī)等袖珍式數(shù)碼產(chǎn)品。將它推廣到大容量電池，并不存在原則性的障礙。當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)到市場(chǎng)中的產(chǎn)品，可能還有比較漫長(zhǎng)和艱難的工作，如電磁輻射的泄漏問(wèn)題，成本控制與產(chǎn)品工藝，以及市場(chǎng)切入與消費(fèi)啟動(dòng)等。