无线充电器的设计及制作..

安徽建筑大学

毕业设计(论文)

专业电子信息工程

班级城建电子二班

学生姓名马吉智

学号09290060216

课题无线充电设备的设计与制作

———无线充电发射部分

指导教师花海安

2013年6 月

基于现在中国市场上还没有真正的无线充电的产品，我们利用电磁感应的基本原理结合模拟数字基础理论设计制作了智能无线充电系统。此作品内部应用电流控制型脉宽调制集成电路来驱动场效应管从而产生高频振荡脉冲，通过电磁感应向外界传送能量，通过接收电路把磁场能转化成电能从而实现对用电设备的充电（此作品以手机电池充电为例）。其系统经济实用，市场前景极其广阔。

Abstract

Based on the Chinese market now has not really wireless rechargeable products, we use the basic principles of electromagnetic induction combination of analog and digital design based on the theory of intelligent wireless charging system. This works the use of current-controlled pulse width modulation to drive the field effect transistor integrated circuits resulting in high frequency oscillation pulse, electromagnetic induction through the transmission of energy to the outside world, through the receiving circuit to the magnetic field can be converted into electricity to power equipment in order to achieve charge ( This mobile phone battery works as an example). The system economical and practical, market prospect is extremely broad.

关键字（Keyword）: 电磁感应（Electromagnetic induction）无线充电（WirelessCharging）

1 绪论 (1)

1.1研究的目的和意义 (1)

1.2国内外研究现状和发展趋势 (2)

1.2.1 电磁感应方式 (3)

1.2.2电磁耦合共振方式 (3)

1.2.3微波/激光辐射方式 (4)

1.2.4 优缺点 (4)

1.3设计要求和实现思路 (5)

2 理论基础 (7)

2.1系统的模型 (7)

2.2参数分析 (8)

2.2.1距离与效率的关系 (8)

2.2.2线圈的相对位置 (11)

2.2.3本章小结 (13)

3 硬件电路的设计 (14)

3.1方波发生器 (15)

3.2 4011 (18)

3.3 l7809 (19)

4 安装调试 (21)

5 总结 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

附录原理图 (25)

1 发射部分原理图 (25)

2 接收部分原理图 (26)

无线充电设备的设计与制作

--无线充电的发射部分

电子信息工程 09城建电子（2）班马吉智

指导老师花海安1 绪论

无线供电是一个很吸引人的制作课题，许多电子类杂志和论坛上都有关于制作无线供电电路的介绍，这些电路虽各有千秋，但都有一个共同的不足之处，一是传输效率不太理想，二是不论有无接收器在工作，发射部分都一如既往地向外源源不断地发射能量，这是不能令人满意的。

无线充电技术利用了电磁波感应原理，及相关的交流感应技术，在发送和接收端用相应的线圈来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术，用户只需要将充电设备放在一个“平板”上即可进行充电，这样的充电方式过去曾经出现在手表和剃须刀上，但是当时无法针对大容量锂离子电池进行有效充电。

无线充电技术此前已经出现，但这项新发明更为方便实用。手机等设备只要贴上接收线圈，放置在“鼠标垫”上的任一位置都可充电，不像以前的一些技术那样需要精确定位。几个设备同时放在垫子上，可以同时进行充电。充电器产生的磁场很弱，能够给设备充电但不会影响附近的信用卡、录像带等利用磁性记录数据的物品。

1.1研究的目的和意义

在我们的日常生活中，经常会遇到手机、电脑等电量不足，急需冲电的情况，但是我们不可能随时携带充电器，导致手机充电很麻烦。现在有了无线充电技术就可以在很大的程度上减少这样的麻烦。

无线供电的设想最早由交流电之父特斯拉在一百多年前就已经由此构想了。他设计在地球和电离层之间建立起8Hz左右的低频共振，再利用环绕地球的电磁波来传输电力，就像无线电通信一样，但后来特斯拉在1908年停止了这项宏大的实验，他所建造的铁塔也因经济困难而被拆除抵债。

最初由英国一家公司发明了一种新型无线充电器，它看上去就像一块塑料鼠标垫，这个“鼠标垫”里装有密集的小型线圈阵列，可产生磁场，将能量传输给装有专用接收线圈的电子设备，进行充电。接收线圈由磁性合金绕以电线制成，大小和形状都与口香糖相似，可以很方便地贴在电子设备上。将手机等放在垫上就能充电，并能同时给多个设备充电。

人类对无线供电技术的研究一直在继续，尤其在航天领域里，人们想建立卫星太阳能电站，那么就必须实现高效率的无线供电。进入21世纪以来，无线供电技术开始在民用领域频繁露面，各公司纷纷推出自己的产品。

无线充电可以解决很多问题。

第一，它可以改变电子产品充电接口不兼容的情况。

第二，有很多传感器需要无线充电，还有一些远程的监控的传感器，一样地需要无线充电技术。

第三，就是植入性医疗器件的充电。

第四，无线充电技术还可以运用到市政交通方面。

第五，无线充电技术还可以提高设备的安全性，比如一些在潮湿环境中工作的设备，外露的充电接口是安全隐患。

1.2国内外研究现状和发展趋势

无线充电技术引源于无线电力输送技术，利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振，实现电能高效传输的技术。

麻省理工学院的研究团队在2007年6月7日美国《科学》杂志的网站上发表了他们的研究成果。研究小组把共振运用到电磁波的传输上而成功“抓住”了电磁波。他们利用铜制线圈作为电磁共振器，一团线圈附在传送电力方，另一团在接受电力方。当传送方送出某特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接受方，电力就实现了无线传导。这项被他们称为“无线电力”的技术经过多次试验，已经能成功为一个两米外的60瓦灯泡供电。目前这项技术的最远输电距离还只能达到2.7米，但研究者相信，电源已经可以在这范围内为电池充电。而且只需要安装一个电源，就可以为整个屋里的电器供电。富士通表示这一系统可以在未来得到广泛应用，例如针对电动汽车的充电区以及针对电脑芯片的电量传输。采用这项技术研制的充电系统所需要的充电时间只有当前的一百五十分之一。

随着科技的发展与社会的进步,人们的需求正日益发生着深远的变化,对科技含量的要求越来越高，关于无线充电的技术已经有过多年的讨论和研究，目前一些知名公司已经推出一些无线充电设备，但有一些地方还不很完善，还需进一步改进。

无线充电技术在小功率的范围内还是可以显示出它的优越性的。比如小型直流用电设备中的通讯仪器仪表、民用无线通讯手机、微型计算机、小型便携式家用电器等。但实施大功率的无线传输来说，就比较困难了。

目前国内主要的研究方向集中在系统谐振频率及原副边的补偿电路拓扑等方面，基本上都还处在理论领域进行研究，在应用领域最近两年才有所突破，但都还停留在实验室阶段。

无线充电技术目前可通过三种方式实现：电磁感应式(利用电流通过线圈产生磁场实现近程无线供电)、电磁耦合共振方式(利用磁耦合共振效应近程无线供电)、微波/激光辐射方式(电力转换成电波以辐射传输供电)。

1.2.1 电磁感应方式

电磁感应式是使用最广的一种方式，其原理类似于分离的空心变压器。飞利浦的电动牙刷就是此类应用。目前许多公司都在开发这方面的技术。但电磁感应技术的一个不足就是用以传递能量的变化磁场，会随着两个线圈的距离增加而迅速减小，所以传输距离非常有限。

目前常见的充电垫也是利用了电磁感应原理，将多个电子产品，如手机、相机、MP3等放到同一个充电垫上，能进行同时充电，而且无需精确定位，原因是充电垫内装有密集的小型线圈阵列，能在各个方向上建立磁场。接收线圈由磁性合金绕以电线制成，它附着于电子设备的充电电池上，充电时置于充电垫磁场中的接收线圈就会产生感应电流，能量就从发射端传输到接收端。由于充电垫产生的磁场很弱，所以不会对附近的信用卡、录像带等利用磁性记录数据的物品造成不受影响。该解决方案提供商包括英国Splash power、美国wild Charge等公司。这种接触式无线电力传输方式的优点是制造成本较低、结构简单、技术可靠，但是传输功率较小、传送距离短，一般只适用于为小型便携式电子设备供电。

1.2.2电磁耦合共振方式

07年MIT的一个无线供电的研究成果使世界为之一叹，其背后的原理就是电磁耦合共振。

在07年，MIT的助理教授马林·索尔贾希克(Marin Soljacic)和他的研究小组在长达4年的实验研究中终于获得重大突破。他们在实验中使用了两个直径为50cm的铜线圈，通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振，从而成功点亮了距离电力发射端2m以外的一盏60W灯泡，效率为45%。而且，即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其它电器，都不会影响灯泡发光。

另外还有采用射频点播发射能量的方法。

美国的Power cast，目前占有射频波段无线能量传输的领先地位。与需要接触的充电垫子不同，Powercast公司推出的无线供电组件，在915Mhz的波段下，可以在一米的

范围内给小型电子设备充电，而接收器则利用共振线圈吸收射频电波。

1.2.3微波/激光辐射方式

理论上，无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小，所以，可利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺等问题也有着重要意义。因此，许多国家都没有放弃这方面的研究。

1968年，美国工程师彼得格拉泽提出了空间太阳能发电(Space Solar Power，SSP)的概念，其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地，通过微波将电能送回地球。1979年，美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划，建立“SPS太阳能卫星基准系统”， SPS(Solar Power satellite)是太阳能发电卫星，处在地球约36000km 的静止轨道上，那里太阳的能量约为地球上的1．4倍。

据预测，一个SPS所装载的太阳电池的直流输出功率为IOGW，电池输出的电力通过振荡器变换成微波电力，从送电的天线向地球表面以微波(2．45GHz)形式无线送电。地球上的接收天线由半波长的偶极天线、整流二极管、低通滤波器及旁路电容组成，可接收到5GW的电力。

目前，SPS的建设方法、天线的放射特性、微波发送装置的姿态控制、宇宙空间的微波传播特性、为确保故障时安全的保安系统等都是亟待解决的技术问题。欧盟在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置，已于2003年向当地村庄送电。日本拟于2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000，2050年进入规模运行。

1.2.4 优缺点

无线充电会不会对人体产生伤害呢？麻省理工学院的研究人员表示，身体对电场的反应很强，但身体对磁场的反应则几乎没有，因此这一系统不会影响人体健康。不过，这还只是一种推测，有研究人员对此观点表示担心，在真正应用于生活前，还需要进一步进行试验。

做为电子类充电产品，充电器本身避免不了辐射，所以无线充电器有辐射是必然的。但是目前无线充电器的功率很小，充电时间较短，所产生的辐射也小，应该不会对人产生较大的伤害。

为避免不必要的浪费和产生更多的电子垃圾，中国正在执行手机充电器端口统一标准化。但对于无线充电技术来说，这一点将会得到最大程度的普及：不但手机可以使用，数码相机、笔记本也都可以一同分享这种充电设备。日本富士通甚至准备推出一个更为高级的技术，将这种成功从便携式电子产品扩大到电动汽车充电中。富士通公司此举最终目的是在街头设置公用“充电点”，可以为便携数码设备以及电动汽车用户实现更方

便地24小时全天候充电服务。除此之外无线充电器更聪明可节省耗能。虽然无线充电设备的效能接收在70%左右，和有线充电设备相等，但是它具备电满自动关闭功能，避免了不必要的能耗。而且这个效能接收率在不断提高，很快将能达到98%。

但是实施大功率的无线传输来说，就比较困难了。根据磁能无线传输理论来说，传输的距离越远，磁能的消耗就会越大，而在终端设备中所获得的电能量也就越小。不论是采取那一种电磁——磁电的远距离传输转换，都会损失大量的电能。而且电磁——磁电的转换次数越多，电能的损耗也会越大。而且电子器件的工作电流越大，器件的老化期也会越提前，这给我们对设备的维修和使用带来了很多的不便利因素。

无线充电技术此前多应用在专业领域，需要保证产品密闭性的地方，如水下设备、体内医疗装置等。但面对庞大的消费级设备市场，这项处于起步阶段的技术，能否说服人们“摆脱最后一根线缆”，还是未知数。但无线充电技术依然被外媒评价为21世纪最值得期待的高科技之一，它的创意为人类的生活的确带来了便捷，我们相信技术的进步将令无线充电日益成熟并拥有更广阔的天地。

1.3设计要求和实现思路

任务：设计一个无线感应的充电装置。

目标：是做出的实物无线充电器达到以下几个要求1）无线充电器的输出电流：大于10ma。（2）无线充电器的作用距离：大于5mm。

（3）电源的效率大于10%。

依靠电磁感应和谐振原理，设计的结构如下。

图1.1为总体设计图：

接收线圈

实现思路：

1.设计频率可调的方波发生器

2.用漆包线绕制线圈。

3.选择稳定、低温漂、低功耗的电容。

4.选择合适的负载。

5.收端的整流部分，消耗要小。整流二极管选用快恢复，低压降的二极管。、

2 理论基础

2.1系统的模型

本设计的无线充电系统，基于电磁感应原理，利用原、副边的两个线圈的电磁耦合，实现电能的传输。系统的电路图如下。

图2.1为电磁耦合原理图：

L1为原边线圈电感，L2为副边线圈电感，R1为原边电阻，R2为副边电阻，RL 为负载电阻，M 为互感。

由于原副边线圈之间的漏感较大，故不能忽略，可以将电路等效为如下的模型，

图2.2为电路等效模型：

Lm 为线圈之间的互感，L1S 为原边线圈的漏感，L2S 为副边线圈的漏感，其余同上。 设线圈间的耦合系数为K ，R1与L1S 的合阻抗为Z1，R2与L2S 的合阻抗为Z2，Lm 的阻抗为Zm 。

111(1)S Z j L j k L ωω==- （2.1） 22221(1)(1)S Z j L j k n L j k L ωωω==-=- （2.2） 1m m Z j L j kL ωω== （2.3）

无线传能的传输效率可表示为

022********

212()||()||()||[()||][()||]()L m L m L L L P P L m L L L L m L m L P Z R Z Z R Z U I R P U I Z R Z Z Z R Z R R Z R Z Z R Z Z Z R λ++===??++++?+=

++?+ （2.4）

L L U I 为负载上的电压和电流，P P U I 为电源的电压和电流。 2.2参数分析

2.2.1距离与效率的关系

根据毕奥一萨伐尔定律，稳恒电流通过导线时在导线外一点P 处产生的磁感应强度为：

034Idl r B r μπ?=

? （2.5）

首先计算单个载流圆线圈轴线上的磁场。设圆线圈的中心为0，半径为R ，载有电流I 。

图2.3磁场分布图

在线圈上任取一电流元Idl ，设电流元到P 点的矢径为r ，由于r 恒与Idl 垂直，由毕奥一萨伐尔定律知，电流元Idl 在P 点产生的磁感应强度为

024Idl dB r μπ=

（2.6）

其中，d B 在r 与中轴所在平面内，并垂直与r 。显然，线圈上各电流元在P 点所

产生的磁感应强度方向是各不相同的，因此，必须把d B 分成垂直于轴线的分矢量dB ⊥和平行与轴线的分矢量||dB ，由于对称关系，dB ⊥相互抵消，||dB 相互加强。有

0||2

sin 4Idl R dB dB r r μθπ== （2.7）

由（2.6）式可知，线圈在P 点产生的磁场，与P 点到线圈的距离的三次方成反比，与线圈的半径成正比。即有如下关系

||dB ∝3

R r

（2.8）

因为磁通量

M I φ=?，SdB φ=

又上面几个式子可以看出，dB 与互感M 成一次正比关系。

又因为耦合系数M K =

，可以得出

3

R K r

∝ （2.9）

由此式可知，要提高无线传能的效率，得要增大耦合线圈的半径，以及减小线圈之间的距离。

本设计采用的是直径为一毫米的漆包线绕制的线圈，直径8.5cm ，匝数N=10，L1=21.46uH ，L2=21.57uH ，，R1=630m Ω，R2=678m Ω。

下面的数据和图标为实验所得的，线圈间的耦合系数与距离的关系。 测试方法：将初级线圈接入电感表，次级线圈两端用导线接在一起。

图2.4为测试耦合系数与距离的示意图

两线圈正对，移动次级线圈，记录在不同的距离L 下，初级线圈的电感值，用初级线圈的原电感值减去有次级线圈影响时的电感值，即是此距离下两个线圈之间的互感。

测试频率f =180KHz ，测试电压Vp=1V 。

表2-1 距离与互感测试

图2.5 距离与互感的关系曲线

实验符合上述理论关系。

2.2.2线圈的相对位置

线圈的相对位置，极大地影响着线圈之间的互感大小，实验如下。

1.线圈之间的轴心偏移与互感的关系。

图2.6 轴心偏移示意图

表2-2 轴心偏移与互感关系测试

图2.6 轴心偏移与互感关系曲线

将测得数据转换为图2.6

根据所得数据，可以得出这样的结论：线圈间的互感与轴心间的偏移距离成反比，也就是说，要达到最大的无线充电效率，就要使两个线圈之间的轴心偏移为0。

2.线圈之间的角度与互感的关系

测试方法：将线圈摆放成一定角度，测试线圈间的互感

图 2.7 线圈夹角示意图

表2-3旋转角度与互感测试

图2.8 线圈夹角与互感关系

根据上面的数据与图表可以得出这样的结论：在0-90°范围内，线圈的互感与线圈间的夹角成反比。所以如果要达到最大的无线充电效率，两个线圈要平行放置。

2.2.3本章小结

以上分别讨论了影响无线充电装置传输效率的因素，它们是：相对位置、距离、负载、频率。根据以上的理论分析，可以得出如下结论：使无线充电装置效率传输最大化的条件：

1.两线圈要平行放置，轴心在一条线上。

2.根据负载的大小，选择合适的补偿结构。使系统要工作在谐振频率上。本设计的负

载为22欧功率电阻，选用初级串联-初级串联或初级串联-次级并联均可。

3.传输效率会随着距离的增大而减小，距离与效率成倒数关系。

4.系统的谐振频率会随着距离的增加而减小，所以要根据距离调整频率。

3 硬件电路的设计

发射部分采用CMOS电路与场效应管的组合，这种组合不仅效率高，而且控制也简单易行。发射线圈采用李兹线和蛛网式绕法，以取得较高的变换效率。

图3.1为发射电路原理图

工作原理：

1.发射部分

振荡源由1/4个CD4011和遥控器用的晶体组成晶振电路，实测振荡频率为560kHz，这个频率对收音机的中波段有两处干扰：560kHz和1120kHz。4011是一个2输入端与非门，所以电路能否工作还取决于另一个输入端的电位，此输入端的电位由IC2（555电路）的状态决定， IC2输出占空比约等于1/10的方波，所以使高频振荡电路的工作与间歇时间比也等于1/10。

4011的另3个与非门并联起来作为推动级，把振荡与输出级隔离开。为了能在小功率的推动下也能输出足够大的高频功率，输出级选用场效应管IRF634，场效应管是一种电压控制器件，原则上不消耗激励功率，但它的极间输入、输出电容很大，有几百pF，如果直接接到4011的输出端，会因为CMOS门电路的输出电流很小而使波形的上升时间和下降时间变大，而导致效率下降。所以我还在CMOS门电路的后面加了一对互补的三极管，此互补管接成射极输出，具有极小的输出电阻，可以使方波的上升和下降时间大

大减小。实践证明，加上了这级电路后效率有了明显提高。而且，使空载和有负载时的电流有显著的区别，这就为无线供电的智能化提供了简单可靠的检测依据。

在没有负载时，也就是说，无线供电的接收部分没有靠近发射线圈时，VT3的源极电流很小，R6上的电压降还不足以使VT4导通，所以IC3的第2脚上没有触发脉冲，第3脚上也没有高电平输出；一旦接收部分靠近了发射线圈，从发射级接收了足够的能量，于是使得VT3的源极电流增加，R6上也产生了足够大的电压，能够推动VT4导通，在VT4的集电极产生了幅度足够的负脉冲，驱动IC3使之输出高电平。此高电平通过VD2再送到晶振的控制端，使其工作在连续振荡状态，这样就完成了负载检测的任务。

我们说这个电路是智能无线供电电路，其原因就是他能自动检测有无负载。没有负载时他工作在间歇状态以节约电能，一旦检测到负载就工作在连续状态，使其正常工作。Rp作为检测灵敏度调节；LED为工作状态指示（红灯间歇闪亮为检测状态，绿灯亮为连续工作状态）；SA为维修开关，合上后，红灯连续亮，输出级连续工作，适于维修或弱负载时工作。

2．接收部分

实际上任何一个具有接收线圈的装置都可成为接收电路，这里只是给出其中一例，它可以实测接收部分的功率，也可以调整撤回路的谐振状态，使之灵敏度最高。

图3.2为接收电路原理图

3.1方波发生器

本设计的方波发生器采用555芯片实现。555电路除了双极型结构外，还有一种CMOS 型结构555电路。

(1)电源电压

双极型555电路的电源电压一般为4. 5~16V，CMOS型555电路的电源电压一般为3~18V，可见C MOS型555电路比双极型电路的电源电压范围要宽。

（2)阈值电压

所谓阈值电压是加在555电路的阈值端TH，并使电路发生翻转的电压值，用VTH表示但不论所用电源电压的值是多少，也不管是双极型电路还是CMOS型电路，它的阈值电压都是电源电压的2/3，即2Voo /3，任何型号均无例外。

(3)触发电压

触发电压是加在555电路的触发端TR，并使电路发生翻转的电压值，用VTR表示。和阈值电压一样，它的具体数值与其所用t作电源电压有关，但它总是电源电压的1/3，即Vnn /3，任何品种型号均无例外。

(4)复位电压

复位电压是加在555电路的复位端MR，使电路发生复位的电压值，用符号V附表示。一般电路的VMR值小于1V。

(5)驱动电流

驱动电流是指555电路驱动负载时的工作电流.也称负载电流，用符号h表示。根据555电路的输出状态和负载的连接方式，可以分为"拉出电流"和"吸入电流"两种驱动负载方式。

(6)放电电流

555电路在用作单稳态电路或多谐振荡器时，由于外接电容要随时进行充放电，当电路在进入电容放电过程时，由电容通过555电路内的放电管TD进行放电，放电电流就是电容放电时流过放电管的电流。显然，放电电流的大小与放电管TD的额定电流有关，放电电流用符号lDIS表示。

(7)最高工作频率

最高工作频率是指555电路用作振荡器使用时，输出振荡脉冲所能达到的频率。对于多数类型的555电路，它们的最高工作频率约为500kHz。

(8)定时精度

定时精度是指555电路用作单稳态定时器时的定时精度。对于双极型电路，它的定时精度一般为1%;对于CMOS型电路，它的精度约为2%。

图3.3 方波发生器原理图

引脚功能

1-地 2-触发

3-输出 4-复位

5-控制电压 6-门限

7-放电 8-电源

方波发生器的电路与工作原理

电路上电时，电源通过R1,R2支路给电容C1充电，此时3脚输出高电平，当C1的电位充至2/3Vcc时，555内部比较器使RS触发器输出低电平，通过与非门打开放电回路，电容放电，此时输出低电平，当电容电位放到1/3Vcc时，比较器使RS触发器输出

高电平，放电回路关闭，电容充电，输出高电平。实际电路的充放电波形如下图。

图3.4 方波发生器输出波形与充电波形