简易无线充电系统

模拟电子技术课程设计说明书简易无线充电器

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《模拟电子技术》课程设计任务书

《模拟电子技术》课程设计任务书

摘要

本次模电课程设计，我们的课题选为简易无线充电系统的设计，我们选用电磁感应为本次设计电路的原理，论文先设计了将220V家庭电转变为12v的直流稳压电源为简易无线充电系统提供±12V直流电，随后用RC振荡电路、反相比例放大电路、电压跟随器电路、功率放大器电路组成无线发射模块。这是一种以电磁感应原理为基础的无线充电电路，相对于大功率电能传输，小功率的无线充电技术更具实用价值，需要频繁充电的智能手机是该项技术最大的受益者。

关键词：无线；充电；电磁感应；RC振荡电路

ABSTRACT

This model electric curriculum design, our topic chosen as simple and easy design of wireless charging system, we use the principle of electromagnetic induction for this design, circuit, paper to design a 220 v family DianZhuan into 12 v dc regulated power supply for simple wireless charging system provides + 12 v direct current, then use the RC oscillation circuit, inverse proportional amplifier circuit, voltage follower circuit, power amplifier circuit of wireless transmitting module. This is a kind of based on the electromagnetic induction principle of wireless charging circuit, relative to the high power electric power transmission, low power wireless charging technology is much more practical value and need frequent charging smartphone is the technology of the biggest beneficiaries.

Key words:wireless；Charging;；Electromagnetic induction.；RC oscillation circuit

目录

1 绪论............................................ 错误！未定义书签。

1.1 无线充电器的发展.......................... 错误！未定义书签。

1.2 无线充电的意义............................ 错误！未定义书签。

1.3 设计任务.................................. 错误！未定义书签。

2 设计方法的论证.................................. 错误！未定义书签。

2.1 设计方法的比较............................ 错误！未定义书签。

2.2 设计方法的选择............................ 错误！未定义书签。

3 电路的设计...................................... 错误！未定义书签。

3.1 直流稳压源的设计.......................... 错误！未定义书签。

3.2 简易无线充电器的设计...................... 错误！未定义书签。

4 电路的仿真...................................... 错误！未定义书签。

5 电路的制作、调试与测量.......................... 错误！未定义书签。

5.1 电路的制作................................ 错误！未定义书签。

5.2 简易无线充电电路调试...................... 错误！未定义书签。

6 设计总结........................................ 错误！未定义书签。

6.1 设计误差分析.............................. 错误！未定义书签。

6.2 无线充电的发展前景与局限.................. 错误！未定义书签。参考文献.. (15)

致谢 (16)

附录1 元件清单 (17)

附录2 原理图..................................... 错误！未定义书签。附录3 PCB图...................................... 错误！未定义书签。附录4 实物图..................................... 错误！未定义书签。

1 绪论

1.1 无线充电器的发展

无线充电是近年来兴起的一种新型充电技术，顾名思义，即不借助充电线材既可实现对一定空间范围内的充电。与传统有线充电相比，无线充电具有体积小、便携性高、兼容性强、有利于用电设备防水防尘设计等优点。但同时无线充电也存在标准不统一、效率较低、存在辐射危险等缺陷。

无线充电主要基于无线电力传输技术。早在19世纪30年代，Michael Faraday 就发现变化的磁场中会产生电流，而闭合电路中也会产生磁场。但遗憾的是，由于电磁场本身带来的传输效率低、辐射危险大等关键问题没有实质性突破，这方面的研究一直没有进展。

香港城市大学电子工程学系许树源教授在早几年曾成功研制出“无线电池充电平台”，可将数个电子产品放在一个充电平台上，利用近场电磁耦合原理透过低频电磁场充电。2007年6月，美国麻省理工学院的Marin Soljacic等人在无线传输电力方面取得了新进展，他们用两米外的一个电源，“隔地”点亮了一盏60瓦的灯泡。2008年底，世界第一个无线充电标准组织——无线充电联盟（Wireless Power Consortium）成立，并在2010年发布了首个无线充电标准——Qi标准，为低功率无线充电设备的普及提供了技术支持。

如今，随着符合Qi标准的无线充电设备大量上市，无线充电开始进入了我们的日常生活，有望取代有线充电成为主流。

1.2 无线充电的意义

（1）利用无线磁电感应充电的设备可做到隐形，设备磨损率低，应用范围广，公共充电区域面积相对的减小，但减小的占地面积份额不会太大。

（2）技术含量高，操作方便，可实施相对来说的远距离无线电能的转换，但大功率无线充电的传输距离只限制在5米以内，不会太远。

(3)操作方便。

1.3 设计任务

设计一个简易无线充电系统，输入信号为220V50HZ交流电，充电系统输出5V500mA直流电信号能够对手机锂电池进行充电，并用发光二极管指示充电状态。220V50HZ交流电供电，充电系统输出可达到5V500mA；非接触式距离达3厘米以上。

2.1 设计方法的比较

2.1.1 设计方法一：电磁感应方式

我们今天见到的各类无线充电技术，大多是采用电磁感应技术，我们可以将这项技术看作是分离式的变压器。我们知道，现在广泛应用的变压器由一个磁芯和二个线圈(初级线圈、次级线圈)组成；当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。如果将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中，当电能输入到发射端线圈时，就会产生一个磁场，磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流，这样我们就构建了一套无线电能传输系统。

2.1.2 设计方法二：磁共振方式

与电磁感应方式相比，磁共振技术在距离上就有了一定的宽容度，它可以支持数厘米至数米的无线充电，使用上更加灵活。磁共振同样要使用两个规格完全匹配的线圈，一个线圈通电后产生磁场，另一个线圈因此共振、产生的电流就可以点亮灯泡或者给设备充电。除了距离较远外，磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电，并且对设备的位置并没有严格的限制，使用灵活度在各项技术中居于榜首。在传输效率方面，磁共振方式可以达到40%～60%，相对较低。

2.1.3 设计方法三：电场耦合方式

电场耦合方式包括一个送电侧和受电侧。送电侧包括两组电极、一个振荡器、一个放大器和一套升压电路。

相对于传统的电磁感应式，电场耦合方式有三大优点：充电时设备的位置具备一定的自由度；电极可以做得很薄、更易于嵌入；电极的温度不会显著上升，对嵌入也相当有利。首先在位置方面，虽然它的距离无法像磁共振那样能达到数米的长度，但在水平方向上也同样自由，用户将终端随意放在充电台上就能够正常充电。

2.1.4 设计方法四：无线电波方式

类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，如图，接收电路，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。

现在无线充电的方法有四种，分别为电磁感应，磁共振，电场耦合和无线电波。其中电磁感应方式是目前无线供电技术里公认的较为成熟的“非接触式”供电系统。而磁共振产生的磁场利用率不高，随着距离的增加，供电效率会急剧降低，对电路的要求也十分苛刻。电场耦合首先要求耦合线圈必须严格对齐，否则将极大的降低传输功率。无线电波传输虽然在传输距离上有了很大的自由，可是其传输效率太低，使用价值不高。综上所述，本次课程设计我们组采用电磁感应方式作为实验原理来实现系统对外界设备的无线供电功能。

3 电路的设计

3.1 直流稳压源的设计

直流稳压源是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。其直流稳压电源结构图和稳压过程如图4所示。

图1 直流稳压电源结构图和稳压过程图

设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V 的交流电压时，能产生±12V 、±9V 、±5V 三组直流电压输出，最大输出电流为I 0max =500mA 。 3.1.1 变压器的选择

电路中需要用到三端固定式集成稳压器，三端固定式集成稳压器要求输入电压、输出电压大于V V 3~2；商家只提供输出电压为12V 的变压器，所以取输出电压为12V 的变压器。 3.1.2 整流器的选择

稳压源设计要求最大输出电流为I 0max =500mA ，整流二极管的参数应满足最大整流电流I ＞1.5I 0max =0.75A ，最大反向电压应大于变压器副边输出电压

22U =16.97V ，选择整流桥2W10(峰值反压100V 、平均电流2A),符合要求。

3.1.3 电容的选择

（1）滤波电容

()25~3T C R L ≥

由式可得滤波电容等于

R

T

C 25=

式中R L 为C 右边的等效电阻，应取最小值，T 为电流电源的周期。R L 最小值可算出。

max

02min 2I U R L =

将T=20ms,I max =500mA 代入式max

02min 2I U R L =

中，可得Ω=33min L R 。将

Ω=33min L R ，T=20ms 再代入式R

T

C 25=

中，得出C=1515μF 。可见，C 容量较大，应选电解电容，实际容量选2200μF ，其耐压值为25V 。

（2）消振电容：消振电容靠近滤波器，起消振作用，一般选择消振电容电容值为0.1μF 。

（3）旁路电容，当输出电压升高时，可进一步抑制纹波，防止纹波的放大，一般选择旁路电容电容值为470μF 。 3.1.4 电阻的选择

直流稳压电源输出的电压要求为+12V -12V +5V -5V ，发光二极管两端的电压要求在2V 左右， 所以与之串联的电阻取Ω1000，Ω1000，Ω680，Ω680，Ω470，

Ω470。

3.1.5 选择三端稳压器

直流稳压电源要求当输入为有效值220V 的交流电压时，能产生±12V 、±9V 、±5V 三组直流电压输出。

故选固定三端稳压器LM7812、7912、7809、7909、7805、7905。?

3.2简易无线充电器的设计

3.2.1 总电路框图及原理分析

无线充电系统由电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射、接收线圈和高频整流滤波电路 5 部分组成，系统框架如下图2所示，最后给可充电电池充电。从无线电路传输的原理上看，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首先要有电磁振荡，电磁波的频率越高其向空间辐射能力的强度就越大。

图2 总体电路框图

3.2.2 RC振荡电路的设计

无线充电器利用电磁感应原理。高频电路则是发射电路的核心，为发射电路提供所需的交变电流。高频的主要功能是将供电模块提供的12 V 直流电，变成交流电。通过741芯片产生一个100K的脉冲频率（因为经过调试在100K频率时，效率达到最高），IRF540功率放大，使发射线圈产生磁场，当接收线圈靠近时，产生感应电流，经过全波整流和稳压，得到负载（手机）所需要的充电电压和电流。

RC振荡电路的设计如图3、4

图3 RC振荡电路波形

图4 RC振荡电路频率

如图3，电路产生一个100KHZ的正弦波。参数选择如图3所示：100KΩ电位器一个，10kΩ电位器两个，10KΩ电阻一个，100pF电容两个，UA741芯片。

3.2.3 反相比例放大电路的设计

反相比例放大电路，产生方波，并将电压放大，如图5

图5 反相比例放大电路

如图5，使用LM318D芯片，10KΩ电位器，5KΩ电阻，500Ω电阻组成反相比例放大电路。从仿真可以看出，电压从479.496mV增为9.570V，并且输入的正弦波变为方波。

3.2.4 电压跟随器电路的设计

图6 电压跟随器电路

电压跟随器提高带负载能力。

当高频逆变电路中的高端桥臂导通时由于负载的存在，源极的电位将被抬升

与栅极相同，就会导致高端桥臂不能持续导通，所以需要加入驱动电路。如图6，本设计中采用LM318D芯片和两个10KΩ电阻来驱动。

3.2.5 功率放大器的设计

图7 功率放大器电路

LC 振荡电路，电路输出的信号功率太低，需要功率放大电路进行放大，增大信号功率，这样经过线圈耦合后，次级就能得到足够的能量给手机充电。

场效应管IR540N属于电压控制元件，是一种类似于电子管的三极管，与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有输入阻抗高，输入功耗小，温度稳定性好，信号放大稳定性好，信号失真小，噪声低等特点，而且其放大特性也比电子三极管好。

3.2.6 接收模块电路设计

图8 接收模块电路

发射和接收线圈都直径约为4.5cm，左右的漆包线绕10 匝。其余部分整流桥采用1B4B42，电解电容型号为50uF，电阻为5KΩ，由一个100Ω电阻串联一个二极管作为充电指示灯。

发射模块的作用是将直流能量高效率地转换为射频功率信号，以便接收电路能够充分利用能量。

接收模块是在接收到前级的能量后对其进行处理的模块。为了满足实际应用的需求，需要将接收到的射频信号进行整流、滤波、降压以及稳压处理，处理之后的直流电压方可供其他负载使用。该模块主要包括整流电路，接收转换电路的设计，由于现阶段充电电路均采用集成的芯片提供输出转换，只需输入端保证足够的功率及一定的电压，故本文只是采用较简单的电路设计，输出电压为后级的充电芯片提供所需电压及功率，最终要给手机或者平板充电时，需采用专业的充电芯片。

4 电路的仿真

仿真图版面较大，见附录2

仿真结果如下：

图9 简易无线充电系统仿真结果

由图可见，输出电压稳定在4.779V，接近设计要求的5V，电流为15.877mA，低于500mA。达到设计要求，仿真成功。

5 电路的制作、调试与测量

5.1 电路的制作

第1步在画出正确可行的电路原理图并在 Multisim 软件仿真成功之后，开始在AD上画原理图，再导出PCB图，对其进行合理布线。

第2步：利用一个能生成图像的软件生成一些图像文件。

第3步：将PCB图打印到热转印纸上（热转印纸就是不干胶纸的底衬！）。

第4步：将打印好PCB的转印纸平铺在覆铜板上，准备转印。

第5步：用电熨斗加温（要很热）将转印纸上黑色塑料粉压在覆铜板上形成高精度的抗腐层。

第6步：准备好三氯化铁溶液进行腐蚀。

第7步：注意不要腐蚀过度，腐蚀结束，最后焊接。

5.2 简易无线充电电路调试

本次实验采用的是直径为一毫米的漆包线绕制的线圈，直径4.5cm，匝数

N=10，实验电源由自制12V稳压直流电源提供。

将UA741芯片4脚、7脚；两片LM318D芯片4脚、7脚所连接的插针分别-12，+12直流供电，地线插针接入电源地线。

（1）将发射模块线圈插针接示波器，观察波形。

图10 发射线圈的波形

如图10，加在线圈两端为频率为电压为7.62V，频率为71.87KHZ的方波，达到产生电磁感应的基本要求。

（2）将发射线圈、接收线圈两端用导线和对应的插针连接在一起。两线圈正对，移动线圈，使距离达3厘米。接收模块充电插针接电压表，观察发光二极管（绿）和电压表中电压变化。

图11 实物调试1

如图11，发射线圈、接收线圈距离达3厘米时，发光二极管发光，但充电插针线圈两端电压只有3.09V。