无线充电器的设计与开发

随着电源设备对电源质量，安全性，可靠性，便利性，即时性，特殊场合和特殊地理环境的要求不断提高，接触式电力传输方法越来越无法满足实际需求. 因此，开发具有力传输，传输效率高，设备尺寸小，易于携带和集成的优点的力传输系统将成为21世纪最有吸引力的科学研究方向之一.

与传统充电器相比，无线充电技术的最大优势在于它避免了使用充电电缆. 采用无线充电技术后，不同的电子设备可以采用统一的无线充电标准，只需要一个充电器即可为不同的设备充电. 无线充电技术的另一个优势是非接触式. 对于电子设备，非接触充电方法不需要暴露的充电接口，并且可以实现更好的防水设计. 充电器也可以嵌入灯座，桌子甚至床头柜中，方便用户随时随地充电.

无线能量传输技术由物理学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）于1890年提出. 根据电能传输的不同原理，无线能量传输可分为三种类型: 电磁感应，电磁共振和电磁辐射. 早在1920年代到1930年代，一些学者就开始讨论源概念的可能性. 无线充电技术的真正突破发生在2007年，麻省理工学院的研究小组成功地将2米外的灯泡点亮了. 随着无线充电技术的不断发展和完善，目前有两种主流技术路线: 电磁感应无线充电和电磁谐振无线充电.

2.1电磁感应无线充电原理

电磁感应无线充电的原理与变压器的原理相同. 发射和接收端都有一个线圈. 发射线圈连接到有线电源以产生电磁信号. 接收线圈在发射端感应电磁信号，以产生电流为电池充电. 无线充电系统的磁场主要通过空气传输，因此磁场传输效率较低. 为了使系统的无线充电效率达到70％以上，两个线圈需要紧密靠近，并且线圈的大小必须相似，两者之间的定位准确，并且该技术只能支持一对-一次充电.

电磁感应力传输系统通常采用非接触式变压器耦合进行力传输. 即，变压器的紧密耦合的磁路是分开的. 变压器的初级绕组流过高频交流电. 通过初级绕组和次级绕组的电磁感应，电能被传输到次级绕组，以向电气设备供电. 电源和电气设备之间的无线传输.

2.2电磁谐振无线充电原理

电磁共振方案的原理与声音的共振原理相同. 初级和次级线圈通过磁共振传递能量. 以特定的谐振频率振荡，并且将次级线圈的谐振频率调整为与初级线圈一致，从而实现能量传递. 电磁共振方案的充电距离可以达到45mm以上，范围大，不限于平面结构，可以实现一对多的充电. 接收端的次级线圈可以配置为不同的尺寸，以适应不同的设备功率.

电磁共振无线能量传输系统通常使用两个相同频率的共振体来产生强互耦. 两端的线圈和平板电容器用于形成谐振电路，以实现能量的无线传输. 2007年6月，麻省理工学院物理学助理教授Marin Soljahick及其研究小组进行了一项实验，为直径60厘米的线圈通电. 线圈上的60W灯泡点亮. 该实验表明，发送端和接收端的线圈形成磁共振系统. 当发送端处的磁场的振荡频率与接收端线圈的固有频率相同时，接收端发生谐振，从而实现能量的无线传输. 功耗仅为传统电磁感应电源技术的百万分之一，有效传输距离为几十厘米至几米无线充电器方案公司，因此这种传输形式适用于中程力传输.

2.3电磁辐射无线能量传输原理

电磁辐射型无线能量传输系统采用微波频带进行电能的无线传输. 由电源产生功率，工频交流电通过微波转换器转换为微波，然后通过发送站的微波发送天线发送到太空，然后发送到地面微波接收站. 接收到的微波通过转换器的交流电将微波转换为工频，以供用户使用. 微波是电磁波，其波长介于波和红外线之间. 由于频率高，它们可以顺利通过电离层而无反射. 宇宙空间是微波传输的理想选择，几乎没有能量损失. 通过大气时的损耗约为2％. 因此，电磁辐射型力传输系统具有更高的动力传输效率，适合于远距离力传输.

为了促进无线充电技术的应用，通信运营商，半导体公司和高科技公司已经形成了不同的无线充电联盟，并制定了自己的无线充电技术标准.

当前的主流无线充电标准是WPC（WirelessPowerConsortium）引入的Qi标准. 传统的Qi标准使用电磁感应方案. Qi标准具有通用性和便利性. 从住宅，汽车到机场，咖啡厅和办公室，Qi标准支持各种场景. 通常，带有Qi标准徽标的无线充电器可以为支持Qi标准的电子设备供电. 为了弥补只能充电的电磁感应方案的缺点，最新的Qi1.2标准增加了对电磁谐振方案的支持，该方案可以同时为多个设备充电. 另一个无线充电联盟，Airfuel也已经发布了其无线充电技术标准，包括使用电磁感应方案的PMA标准和使用电磁谐振方案的A4WP标准. 但是，与Qi标准相比，Airfuel在技术上还不够成熟，在商业上还没有得到很好的应用.

典型的电磁感应力传输系统的框图如图1所示.

电磁感应电力传输系统主要由能量转换部分，能量发射部分和能量接收部分组成. 通过整流，滤波和稳压，将输入的交流电转换为直流电，然后通过高频逆变器对逆变器进行逆变. 逆变器产生的高频交流电输入到分离变压器的初级线圈中，并与次级线圈耦合以产生交流电. 然后，在高频整流和滤波之后，感应的电动势用于为负载供电. 本文以电磁感应输电原理设计的无线充电器的主要硬件电路如图2所示.

4.1发射电路设计

该电路主要由振荡信号发生器和谐振功率放大器组成. NE555用于形成振荡频率约为400kHz的信号发生器，为功率放大器电路提供激励信号. 谐振功率放大器由LC并联谐振电路和开关管Q1组成. 当功率放大器的频率选择环的谐振频率与激励信号的频率相同时，功率放大器谐振，并且线圈中的电压和电流达到最大值，从而产生最大的交变电磁场.

4.2接收电路的设计

当接收线圈靠近发射线圈时，在接收线圈中会产生感应电动势. 当接收线圈电路的谐振频率与发送线圈的谐振频率相同时，感应电压达到最大值. 当发射线圈环路和接收线圈环路都处于共振状态时，系统具有最佳的能量传输效率.

4.3充电电路设计

电源管理芯片用于设计具有四种工作模式的充电电路: trick流，恒定电流，过充电和浮充电. 当电路处于恒流充电模式时，充电电流的大小由连接在CSP引脚和BAT引脚之间的电流检测电阻设置；当电路处于过充电和浮充模式时，由外部电阻器形成的分压器网络将设置为充电电压. 当输入电压太低时，充电电路进入睡眠状态. 当输入电压大于6V的起始电压时，充电电路开始为电池充电. 分压电阻器R6和R7将电池电压反馈到芯片的FB引脚. 该芯片根据FB引脚返回的电压值确定进入哪种充电模式. FB引脚的电压接近3.6V时，芯片将处于过充电状态. 如果电池电压低于设定的过充电电压的81.8％，则充电电路会自动进入the流充电模式，此时充电电流为设定的恒定电流充电电流的13％. 当电池电压大于设定的过充电电压的81.8％时，充电电路进入恒流充电模式. 本文设计的充电电路将充电电压设置为5V，可以为生活中常用的大多数电子设备充电.

五种共享无线充电器设计方案

出门在外时，手机电源不足会给人们的生活带来各种不便. 针对上述手机充电问题，需要一种适用于餐厅，咖啡厅，火车站，飞机场和其他室内公共场所并支持各种手机的共享无线充电器设计解决方案. 共享无线充电设计方案主要包括四个模块: 无线充电模块，用户交互模块，中央控制模块和远程服务器模块. 每个模块的功能如下所述.

（1）无线充电模块: 无线充电模块主要负责智能手机的充电功能的实现. 当前有两种主流的无线充电技术路线: 电磁感应无线充电和电磁共振无线充电. 尽管电磁谐振无线充电方案可以支持一对多充电和更长的充电距离，但是电磁感应无线充电方案在技术和商业上都更加成熟. 源联盟WPC（WirelessPowerConsortium）引入的Qi标准是当前最主流的无线充电标准. 在无线充电模块中，我们还将使用支持Qi标准的无线发射线圈，以实现对各种手机的充电支持.

（2）用户交互模块: 用户交互模块主要负责与用户的交互功能的实现. 为了让用户轻松快速地使用我们的无线手机充电器，我们使用微信扫描QR码以供用户登录. 用户可以直接登录微信帐号提供的小程序，输入周围无线充电器的编号，并获得充电许可. 用户完成充电后，还可以通过微信支付等方式支付相应费用.

（3）中央控制模块: 中央控制模块主要负责与远程服务器进行通信并控制无线充电功能的打开和关闭. 远程服务器成功验证用户身份后，它将向中央控制模块发送相应的信息. 在从远程服务器接收到开始充电信息后，中央控制模块将打开无线充电功能. 当远程服务器发送停止充电的消息时，中央控制模块将关闭无线充电功能.

（4）远程服务器模块: 远程服务器模块主要负责用户身份认证和费用计算服务. 用户使用微信帐号登录后，远程服务器将在中查询用户的相应信息. 当用户单击微信小程序中的“开始充电”和“停止充电”按钮时，远程服务器模块将与中央控制模块通信以打开和关闭无线充电功能. 当用户充满电后，远程服务器还将计算相应的费用.

共享无线手机充电器的使用流程如下: （1）用户扫描桌面上的QR码并登录微信小程序. （2）用户输入周围的无线充电器号码，单击“开始充电”按钮，然后将手机放在桌面上的相应位置以开始充电. （3）充电后，用户单击停止充电按钮. （4）用户根据小程序中显示的费用，使用微信支付完成相应的费用结算.

摘要

本文回顾了现有的无线充电技术路线和相应的技术标准，并提出了一种共享的无线手机充电器设计. 我们的设计方案结合了Qi无线充电标准和微信软件的各种功能，为将来的产品设计提供参考. 无线充电器是根据电磁感应无线能量传输原理设计的. 测试表明，该充电器可以在短距离内实现电能的高效传输. 而且，充电器的充电电路比文献中给出的电路具有更大的优势和进步.

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