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国家电工电子实验教学中心

电子系统课程设计

设计报告设计题目：手机无线充电系统

1.设计任务要求

（1）制作一个输入直流电压12V，输出为3.6V手机电池充电（充满电压为4.2V）的无线充电系统。

（2）发射器与接收器之间采用电感线圈耦合方式进行无线能量传输。

（3）发射器采用12V直流单电源供电，接收器供电只能来自耦合线圈。

（4）接收器考虑给手机电池充电，输出电压变换范围0~4.2V，500mA恒流充电。充电特性如下图所示。

1.基本部分（50分）

（1）接收器工作指示（20分）

要求：接受器接收到能量后用发光二极管指示。

测试方法：发射器采用 12V直流供电。接收线圈靠近发射线圈时（距离和角度不限），观察接收器工作指示灯是否点亮。

（2）接收器恒压功能（20分）

要求：当接收器不接负载时输出电压为 4.2V±0.1V。

测试方法：发射器采用 12V直流供电。在接收器不接任何负载条件下，当接收线圈靠近发射线圈并固定不动时（距离和角度不限），测量接收器输出电压是否为 4.2V±0.1V。

轻微移动接收线圈时，测量该电压应保持在 4.2V±0.1V范围内。

（3）接收器恒流功能（10分）

要求：接收器带负载条件下，当输出电压在 0~4VDC变化时输出电流稳定在10mA或大于10mA（当满足发挥部分时，可直接得分），要求恒流误差小于 5mA（两线圈距离和角度不限）。

测试方法：发射器采用 12V直流供电。当接收线圈靠近发射器线圈时（距离和角度不限），测量恒流值是否大于10mA及是否满足恒流误差要求。

2.发挥部分（50分）

（1）充电指示（20分）

要求：当接收器给负载充电时，充电指示灯亮；充满后，充满指示灯亮。

测试方法：发射器采用 12V直流供电。当接收器线圈靠近发射器线圈时（距离和角度不限），测量恒流充电阶段充电指示灯是否点亮；测量当恒流充电电流减小后充满指示灯是否点亮。

（2）扩大充电电流（30分）

要求：尽可能提高恒流充电电流。

测试方法：当接收器线圈靠近发射器线圈时（距离和角度不限），测量所能达到的最大恒流指标，要求恒流误差小于 5mA，充满后输出电压为 4.1~4.2VDC（按下图计算得分）。

2 设计方案及论证

2.1 任务分析

1.发射模块：由振荡信号发生器和并联谐振功率放大器两部分组成；（1）功能和指标要求：

1）：发射器采用12V 直流单电源供电，产生一定频率变化的电流； 2）：发射器与接收器之间采用电感线圈耦合方式进行无线能量传输；

接收器感应到的变化的电流应满足一定的数值，以驱动充电电路正常工作。

（2）理论实现方法：利用将变化的电流转化成变化的磁场，通过并联谐振的方式，在接收端产生感应电流来实现能量的传输，但此方式有很大的能量衰耗，即接收端感应得到的能量并不大，所以需要在发射端采用功率放大电路提高功率，使得接收端感应产生的变化的电流达到满足要求一定数值；

1):振荡信号发生器电路：

采用NE555芯片构成振荡频率在一定范围内可以调节的信号发生器，为功放电路提供激励信号；频率C

R R f )2(43

.1211+=

；

12+

2): 并联谐振功率放大器电路：由功率放大器电路和LC 并联谐振回路构成。

采用LC 并联谐振电路满足发射器与接收器之间通过电感线圈耦合方式进行无线能量传输，频率1

1221C L f π=

且需要满足21f f = ：当功率放大器的并联谐振回路的谐振频

率2f 与振荡信号发生器的频率1f 相同时，并联谐振功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值，从而产生最大的交变电磁场。当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐

振状态时，有最好的能量传输效果，即满足2

233221其中,C L f f f π=

发射端与接收端的谐振回路

由于场效应管功率放大具有激励功率小，输出功率大，功耗低等特性，所以采用场效应管构成的功率放大电路来提高发射端的输出频率；

2.接收模块：由并联谐振电路、整流及滤波电路、恒流电路、稳压电路和充电指示灯电路五部分组成；

（1）功能和指标要求：

1）：通过感应产生满足一定数值要求的感应电流；

2）：将感应过来的交流电转化成直流电，接收器工作指示灯点亮。；

3）：恒流：接收器带负载条件下，当输出电压在0~4VDC 变化时输出电流稳定在大于500mA ，要求恒流误差小于 5mA （两线圈距离和角度不限）。

4）：稳压：当接收器不接负载时输出电压为 4.2V ±0.1V 。

5）：当接收器给负载充电时，充电指示灯亮；充满后，充满指示灯亮。

（2）理论实现方法：利用将变化的磁场转化成变化的电流，通过并联谐振回路的方式，当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，有最好的能量传输效果，在接收端产生感应电流；通过单相桥式整流电路将交流电转化成直流电，再通过电容滤波电路进行滤波，

去除交流分量，并利用产生的直流电压驱动发光二极管，实现接收器工作指示灯的点亮；利用LM317芯片进行恒流和稳压的实现；通过LM324电压比较器，将负载端的电压与充电的稳压值进行比较，实现充电指示灯和充满指示灯的点亮；

1）:并联谐振电路：与发射端的并联谐振电路构成谐振回路，当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，有最好的能量传输效果，即满足：

231

123221,21其中,C L f C L f f f ππ=

发射端与接收端的谐振回路 2）：整流及滤波电路：对交流电压变成直流电压，滤波电容在滤去交流分量，得到稳定的直流电压；

由于二极管的单向导电性将交流电压变换成直流电压，但这部分直流电压仍含有很大的交流分量，再通过滤波电容的充放电过程，除去交流分量，得到平稳的直流分量；选择的二极管所能承受的最大电压要大于22U ，所能承受的电流要大于回路里面电路；电容充放电过程：C 越大， R L 越大， τ放电将越大，曲线越平滑，脉动越小。 3）：恒流电路：利用LM317芯片实现；

4）：稳压电路：利用LM317芯片实现；

5）：充电指示灯电路：利用TL431提供基准电压，再利用LM324构成电压比较器在输出端点亮发光二极管，其中发光二极管串联一个电阻用来限制电流过大；

2.2 方案比较

一、设计方案一

发射电路：发射电路由振荡信号发生器和谐振功率放大器两部分组成；

由NE555构成振荡出一定频率的信号发生器，为功放电路提供激励信号；

功率放大器由场效应管IRF840构成，当功率放大器的选频回路的谐振频率与激励信号频率相同时，功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值；

接收电路:

1）：由并联谐振电路与发射端的并联谐振电路构成并联谐振回路，当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，具有最好的能量传输效果；2）：产生的交流电压经过整流及滤波电路转换成直流电压,电源工作的发光二极管指示灯并联在滤波电容的两端，指示电源工作；3）：该直流电压驱动LM317芯片构成的恒流电路工作，保证了负载的恒流充电；4）：TL431构成稳压电路，提供负载充电的稳压值并接到由一片LM324构成的电压比较器的同相端，而反相端接R2采样电阻的电压，这部分作为反馈电路，已达到负载充电时的稳压条件，反馈电路的工作原理：若充电负载两端电压小于稳压值时，由于反相端电压小于同相端的电压，电压比较器输出高电平，由于二极管导通时其两端电压恒定，所以R2端电压跟随电压比较器的输出电压而变大，直至R2端电压等于稳压值；若充电负载两端电压大于稳压值，由于反相端电压大于同相端的电压，电压比较器输出低电平，由于二极管导通时其两端电压恒定，所以R2端电压跟随电压比较器的输出电压而变小，直至R2端电压等于稳压值，由此，通过采样电阻R2的电压反馈，使得充电负载两端的电压恒定不变，已达到稳压的目的；5）：TL431构成稳压电路，提供负载充电的稳压值并接到由一片LM324构成的电压比较器的同相端，而反相端接充电负载的电压，当负载充电时，由于反相端的电压小于同相端的电压，所以LM324构成的电压比较器输出高电平，点亮充电指示灯，当负载充满电后，由于反相端的电压不小于同相端的电压，电压比较器的输出电压发生跳变，熄灭充电指示灯；6）：TL431构成稳压电路，提供负载充电的稳压值并接到由一片LM324构成的电压比较器的反相端，而同相端接充电负载的电压，当负载充电时，由于同相端的电压小于反相端的电压，所以LM324构成的电压比较器输出低电平，充满电指示灯不会亮，当负载充满电后，由于同相端的电压不小于反相端的电压，电压比较器的输出电压发生跳变，点亮充满电指示灯；

二、设计方案二

发射电路：

由NE555构成振荡出一定频率的信号发生器，为功放电路提供激励信号；

功率放大器由乙类互补推挽功率放大电路和场效应管构成功率放大电路组成，乙类互补推挽功率放大电路对一定频率的信号进行小功率放大后，再用小功率激励场效应管构成的大功率放大电路工作；当功率放大器的选频回路的谐振频率与激励信号频率相同时，功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值；

接收电路：

1）：由并联谐振电路与发射端的并联谐振电路构成并联谐振回路，当发射线圈回路与接收线

圈回路均处于谐振状态时，具有最好的能量传输效果；2）：产生的交流电压经过整流及滤波电路转换成直流电压并驱动电源指示灯工作；3）：由两片LM317芯片构成了恒流稳压功能的充电电路；4）：TL431作为辅助电源，给两片LM324构成的电压比较器提供基准电压，两个电压比较器驱动充电指示灯和充满电指示灯工作；

三、两种方案进行比较：

1）：发射电路：方案一的发射电路直接由场效应管IRF840进行功率发大，但由于场效应管栅极所加信号是一定频率的信号，所以仅在半个周期内对信号有功率放大作用，可能不够驱动充电电路恒流500mA以上的效果，所以第二种方案的发射电路采用乙类互补推挽功率放大电路将完整周期的信号先进行小功率放大，再利用小功率激励场效应管放大电路，在信号的完整周期里面输出大功率，使得功率放大的效果更好；

2）：接收电路：方案一由LM317构成的恒流电路实现恒流并采用了LM324构成的电压比较器，通过对采样电阻的电压反馈实现稳压，但是由于电压比较器反相和同相两端电压相差较小时，会有一定的误差产生，使实现的稳压有微小的变化，而方案二是由两片LM317构成的恒流稳压电路实现恒流稳压功能，不同于前一种方案通过电压比较器反馈电压实现稳压，它没有电压比较器带来的微小误差，稳压效果相对更好一些；

所以由以上比较，我们组采用了第二种方案。

2.3 系统结构设计

1、结构框图：

2、系统原理：发射电路：

1):振荡信号发生器电路：

采用NE555芯片构成振荡频率在一定范围内可以调节的信号发生器，为功放电路提供激励信号；频率C

R R f )2(43

.1211+=

；

U cc 12+=

2）：乙类互补推挽和场效应管构成的功率放大电路：

乙类互补推挽功率放大电路将555的一定频率的信号进行整个周期的小功率放大，然后此小功率激励场效应管大功率放大电路输出大功率；当功率放大器的并联谐振回路的谐振频率

2f 与振荡信号发生器的频率1f 相同时，并联谐振功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压

和电流达最大值，从而产生最大的交变电磁场。

R 1

6 2

4 8

3 5 555

R 2 C3

u o

接收电路：

1）：由并联谐振电路与发射端的并联谐振电路构成并联谐振回路，当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，有最好的能量传输效果，即满足：

231

123221,21其中,C L f C L f f f ππ=

发射端与接收端的谐振回路 2）：产生的交流电压经过整流及滤波电路转换成直流电压并驱动电源指示灯LED1工作，LED1与R4电阻串联后并联到直流电压源两端，指示电源工作；

3）：由两片LM317芯片构成了恒流稳压功能的充电电路，由于LM317芯片Vout 和ADJ 两端电压差恒定不变，所以利用第一片LM317这两端电压恒定的特性，串入电阻R1，使第一片LM317在VOUT 端输出的电流1

1R U

i ?=

恒定不变，流入下一片LM317的Vin 端,即i2=i1，再利用下一片LM317芯片Vout 和ADJ 两端电压差恒定不变的特性，串入电阻R2，并与另外一电阻R3串联，使Vout 端稳压),32(*2

R R R U

U +?=另外VIN 流入的恒流i2，所以VOUT 端也恒流:1

123R U

i i i ?=

==,实现了恒流稳压的功能；

4）：TL431作为辅助电源，给两片LM324构成的电压比较器提供基准电压，两个电压比较器输出端驱动充电和充满电指示灯工作；

5）：当TL431提供的基准电压接到由一片LM324构成的电压比较器的同相端，而反相端接充电负载的电压，当负载充电时，由于反相端的电压小于同相端的电压，所以LM324构成的电压比较器输出高电平，点亮充电指示灯，当负载充满电后，由于反相端的电压不小于同相端的电压，电压比较器的输出电压发生跳变，熄灭充电指示灯；当TL431提供的基准电压接到由一片LM324构成的电压比较器的反相端，而同相端接充电负载的电压，当负载充电时，由于同相端的电压小于反相端的电压，所以LM324构成的电压比较器输出低电平，充满电指示灯不会亮，当负载充满电后，由于同相端的电压不小于反相端的电压，电压比较器的输出电压发生跳变，点亮充满电指示灯；

2.4 具体电路设计

1、发射电路：

电路结构选择的理由及元件型号及参数的选择：采用555芯片产生振荡信号频率kHz C R R f 2.1022

)2(43

.1211≈+≈，其中R2取约2

千欧；

采用C1电容使加到该端口处的瞬间或高或低的干扰信号引起的电压的变化缓慢下来，可以说吸收了瞬间的干扰，可以使该引脚得到的信号更加平稳，就是为了滤除干，防止外界输入的干扰影响电路工作；

利用乙类互补推挽功率放大电路对整个周期信号进行小功率放大，然后激励场效应管构成的大功率放大电路输出大功率；在乙类互补推挽功率放大电路中要求：两个晶体三极管的

反向击穿电压应满足：V U U cc ceo 24

2≈> 因为NPN 管2N2222型号的参数为Vceo=30；Vcbo=60；Ic(max)=0.8； hFE(min)=35 ； hFE(max)=300；PNP 管2N2904型号的参数为Vceo=40；Vcbo=60；Ic(max)=0.6；hFE(min)=20；可以知道它们都符合要求，所以采用这两个型号的晶体三极管；两个三极管允许的最大集电极电流应满足：L

c CM R U I I =

max ，所以负载采用Ω=k R 15已满足条件；R3采用滑变电阻，可以控制输入信号的大小，与R4电阻一起为晶体三极管提供直流偏置，为晶体三极管提供基极电流；R3滑动阻值任意，对电路没什么影响，这里采用常见的滑动变阻器阻值10千欧；由于要让Q3场效应管的栅极电压5V 左右，R5两端电压要满足达到7V 左右，且R4和R5分得的电压总和也为7V 左右，所以需要满足R4两端电压值U4=R4*Ib(基极电流)远小于R5两端电压值U5=R5*Ie=R5*Ic （集电极电流），两个晶体三极管最小的放大倍数是20，所以可以选择R4阻值小于或是等于R5

阻值，所以这里选择R4=R5=1千欧；选择C3电容充电后当电路电压变化时其两端电压不会立刻变化来稳压；由于场效应管IRF540的功率为150W ，电流为28A ，所以用它来构成大功率放大电路，输出功率大并且发热量还可以，不容易烧，所以选择它构成功率放大电路；注意：电路中为它加上散热片来散热；

根据已提供的线圈，并联电容构成并联谐振电路，和接收端的并联谐振构成回路传递能量；发射端的并联谐振频率kHz C L f 7.1024

1212≈=

π，满足21f f = ：当功率放大

器的并联谐振回路的谐振频率2f 与振荡信号发生器的频率1f 相同时，并联谐振功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值，从而产生最大的交变电磁场。

2、接收电路：

电路结构选择的理由及元件型号及参数的选择：接收端的并联谐振频率kHz f kHz C L f 7.1025.1022123

13=≈≈=

由并联谐振电路与发射端的并联谐振电路构成并联谐振回路，当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，有最好的能量传输效果，即满足