無線充電器的設計原理

無線充電器的設計原理

磁耦合諧振無線傳輸技術是近幾年來備受廣泛關注的一個新研究領域。由于其傳送距離遠、效率高、功率大而取得廣泛的使用。無線充電器電能傳送可以給普通便攜式電子產品提供更加方便、安全的輸電方式。市面上出現(xiàn)了“無尾電視”、無線電車充電器、無線手機充電器等商品。
當下，手機已經是不可缺少的通信設備之一，而提供手機電力能源的唯一方式就是充電器。市面上的充電器中有線充電器占到了95%以上。無線手機充電器隨意一放就可以對手機進行充電，非常方便、輕松。無線手機充電器擺脫了傳統(tǒng)充電器的許多缺陷，有著非常重要的研究價值。
1硬件組成與工作原理
無線手機充電器硬件由發(fā)射部分和接收部分組成。為了更好地保證 與原來的充電器接口兼容，發(fā)射部分選用USB進行輸電，由信號發(fā)生器電路、驅動電路、LC發(fā)射電路組成，接收部分由LC接收電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓濾波電路組成，接收部分選用USB接口形式輸出，有利于手機連接充電器。整體系統(tǒng)原理框如圖1所示。
圖1系統(tǒng)原理框

當系統(tǒng)工作時，信號發(fā)生器在連接到USB電源接口后形成方波信號，驅動電路驅動LC發(fā)射電路形成交變磁場，在接收線圈中形成感應電壓。在接收部分中接收到的感應電壓為交流電壓，為了更好地給手機穩(wěn)定可靠的充電電壓，需要在USB輸出接口與LC接收電路直接接入整流濾波電路、穩(wěn)壓濾波電路。為了更好地最大限度地接收感應電壓，LC接收電路應與LC發(fā)射電路諧振頻率相同。

2硬件系統(tǒng)設計
信號發(fā)生器電路設計
為了更好地給無線傳輸提供諧振源，信號發(fā)生器電路可以選用多種方式制作：DDS芯片、單片機信號、集成芯片NE555。系統(tǒng)選用電路結構最為簡單的NE555電路形成。NE555555定時器可使用于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。
本設計中，NE555工作在無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器模式下，NE555的第1引腳（GND）接地，第2引腳（TRIG）接第6引腳（THR），第3引腳為信號輸出引腳，第4引腳（RST）接電源VCC，第5引腳（CTRL）通過1個瓷片電容接地，第7引腳（DIS）與第6引腳間接1個100kΩ可調電阻，第8引腳（VCC）接電源VCC。
驅動電路設計
驅動電路可選擇三極管或者MOS管做為驅動LC發(fā)送電路的元器件。三極管用電流控制型IC芯片，且耗損大，而MOS管屬于電壓控制型IC芯片，MOS管耗損較小，常用來電源開關，以及大電流地方開關電路。因此，系統(tǒng)采取MOS管進行驅動LC發(fā)送電路。
2.3LC發(fā)送與LC接收電路設計
為了促使LC發(fā)送電路與LC接收電路諧振頻率一致，發(fā)送和接收選用一致的電路，本系統(tǒng)選用電感L與電容C并聯(lián)的方式連接。結合各方面考慮，電感L電感量選擇47μH，電容C容量選擇0.1μF。發(fā)送和接收電容兩端電壓較高，電容選擇630V/104CBB電容。
整流濾波電路設計
整流電路可選擇半波整流或全波整流。半波整流電路結構比較簡單，只需一個二極管就可以整流，但交流電的正半周期有電流輸出，負半周期沒有電流輸出，這樣效率低；全波整流需4個二極管交替工作，整個周期都有電流輸出，這樣效率高。故本系統(tǒng)選用效率高的全波整流電路進行設計。此外，為了使整流后脈動的波形變得平滑穩(wěn)定，整流后需增加濾波電容。
穩(wěn)壓濾波電路設計
穩(wěn)壓電路可采取線性穩(wěn)壓電路或開關穩(wěn)壓電路，線性穩(wěn)壓電路的優(yōu)點輸出電壓穩(wěn)定、紋波小，但其轉換效率偏低。故本系統(tǒng)選擇效率較高的開關電源電路，選擇XL4015降壓型開關穩(wěn)壓電路。
總體電路設計

依據(jù)上述分析并結合電路參數(shù)的選擇，發(fā)送部分電路如圖2所示，接收部分電路如圖3所示。

3結語
無線手機充電器，老人、小孩不用接觸市電220V就可以安全、放心地對手機充電。對于身心疲憊的上班族，下班回家把手機隨手一放就可以對手機進行充電，非常方便、比較簡單。無線手機充電器克服了傳統(tǒng)有線充電器的許多缺陷，具備結構比較簡單、使用方便、傳送效率高等優(yōu)點，具備重要的研究價值