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无线充电器方案设计开发


随着用电设备对供电质量、安全性、可靠性、方便性、即时性、特殊场合、特殊地理环境等要求的不断提高,使得接触式电能传输方式越来越不能满足实际需要。因此,开发出一套具有能够无线传输电能、传输效率高、设备体积小、便于携带和集成等优点的无线电能传输系统,将会成为21世纪最具魅力的科研方向之一。

一、无线充电相对有线充电方式的优势

与传统的充电器方式相比,无线充电技术的最大优点在于其避免了充电线的使用。采用无线充电技术后,不同电子设备可以采用统一的无线充电标准,只需要一个充电器就可以给不同设备进行充电。无线充电技术的另一个优点在于非接触。对电子设备而言,非接触的充电方式不需要裸露在外的充电接口,能够实现更好的防水设计。而充电器也可以嵌入到台灯底座、桌子甚至床头柜中,方便用户随时随地实现充电。

深圳无线充电器方案开发

二、无线充电方案技术原理

无线电能传输技术由物理学家尼古拉·特斯拉于1890年提出。按照电能传输原理的不同,无线电能传输可划分为电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式3种方式。早在20世纪20年代到30年代,已经有学者开始论述无线供电概念的可能性。而无线充电技术真正的突破发生在2007年,麻省理工学院的研究团队成功将2米之外的灯泡点亮。随着无线充电技术的不断发展和完善,目前有两种主流的技术路线:电磁感应式无线充电和电磁共振式无线充电。

2.1电磁感应式无线充电原理

电磁感应式无线充电与变压器原理相同,在发送和接收端各有一个线圈,发送端线圈连接有线电源产生电磁信号,接收端线圈感应发送端的电磁信号,从而产生电流给电池充电。无线充电系统的磁场主要通过空气进行传递,因而磁场传递效率较低。想要系统的无线充电效率达到70%以上,两线圈之间需要靠的很近,而且线圈尺寸需要相似,两者之间定位精确,且该技术只能支持一对一充电。

电磁感应式无线电能传输系统,通常采用非接触变压器耦合的方式来进行无线电能传输。即将系统的变压器紧密型耦合磁路分开,变压器原边绕组流过的是高频交流电,通过原、副边绕组的电磁感应,将电能传输到副边绕组给用电设备供电,实现了电能在电源和用电设备之间进行无线传输。

2.2电磁共振式无线充电原理

电磁共振式方案原理与声音的共振原理相同。初级线圈和次级线圈是通过磁共振实现能量传输的。发射端在特定谐振频率震荡,将次级线圈的谐振频率调整至和初级线圈一致,进而实现能量传递。电磁共振式方案的充电距离可达到45mm以上,范围较大,不限于平面结构,同时可以实现一对多充电,接收端的次级线圈可以配置成不同尺寸以适应不同的设备功率。

电磁共振式无线电能传输系统,通常采用两个相同频率的谐振体来产生很强的相互耦合,利用线圈及放置两端的平板电容器,共同组成谐振电路,实现能量的无线传输。2007年6月,麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克和他的研究团队做了一个实验,给一个直径60cm的线圈通电,结果l.9m之外连接在另一个线圈上的60W灯泡被点亮了。这个实验说明发送端和接收端的线圈组成一个磁共振系统,当发送端的磁场振荡频率和接收端线圈的固有频率相同时,接收端产生共振,从而实现了能量的无线传输。其消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一,有效传输距离为几十厘米到几米,所以这种传输形式适用于中程无线电能传输。

2.3电磁辐射式无线电能传输原理

电磁辐射式无线电能传输系统,采用微波波段进行电能的无线传输。由电源发出电能,通过微波转换器将工频交流电变换成微波,再通过发射站的微波发射天线送到空间,然后传输到地面微波接收站,接收到的微波通过转换器将微波变换成工频交流电,供用户使用。微波是波长介于无线电波和红外线之间的电磁波,由于频率较高,能顺利通过电离层而不反射,宇宙空间对微波传输十分理想,几乎没有能量损耗,通过大气层时的损耗约为2%,因此电磁辐射式无线电能传输系统具有更高的电能传输效率,适合远距离无线电能传输。

深圳无线充电控制板设计

三、无线充电技术标准

为了推广无线充电技术的应用,通信运营商、半导体企业和高科技公司组成了不同的无线充电联盟,并推出了各自的无线充电技术标准。

目前最主流的无线充电标准是WPC(Wireless Power Consortium)推出的Qi标准。传统的Qi标准采用的是电磁感应式方案。Qi标准具有良好的泛用性和便捷性。从居家、汽车、到机场、咖啡馆、办公室,Qi标准支持的场景非常广泛,一般带有Qi标准标识的无线充电器,都能为支持Qi标准的电子设备供电。为了弥补电磁感应式方案只能一对一充电的不足,最新的Qi1.2标准加入了对电磁共振式方案的支持,能够实现对多装置同时充电。另一个无线充电联盟Airfuel也推出了它的无线充电技术标准,包括采用电磁感应式方案的PMA标准和采用电磁共振式方案的A4WP标准。然而与Qi标准相比,Airfuel在技术上还不够成熟,在商业上也没有得到很好的应用。

四、电磁感应式无线充电器设计

典型的电磁感应式无线电能传输系统原理框图如图1所示。

电磁感应式无线充电系统原理框图

电磁感应式电能传输系统主要由能量变换部分、能量发射部分和能量接收部分组成。输入的交流电经过整流、滤波、稳压变为直流电,通过高频逆变器进行逆变,逆变所产生的高频交变电流输入分离式变压器的初级线圈,与次级线圈耦合,从而产生感应电动势,然后通过高频整流滤波后为负载供电。本文利用电磁感应式电能传输原理设计的无线充电器主体硬件电路如图2所示。

无线充电器主体硬件电路图

4.1发射电路设计

电路主要由振荡信号发生器和谐振功率放大器两部分组成。利用NE555构成振荡频率约为400kHz的信号发生器,为功放电路提供激励信号;谐振功率放大器由LC并联谐振回路和开关管Q1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到最大值,从而产生最大的交变电磁场。

4.2接收电路设计

当接收线圈与发射线圈靠近时,在接收线圈中产生感应电动势。当接收线圈回路的谐振频率与发射线圈的谐振频率相同时,感应电压达到最大值。当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时,系统具有最好的能量传输效率。

4.3充电电路设计

利用电源管理芯片设计了具有涓流、恒流、过充电和浮充电4种工作模式的充电电路。电路处于恒流充电模式时,充电电流的大小由连接于CSP管脚和BAT管脚之间的电流检测电阻来设置;电路处于过充电和浮充电模式时,由外部电阻构成的分压网络设置充电电压。当输入电压过低时充电电路进入睡眠状态。当输入电压大于启动电压6V时,充电电路开始对蓄电池充电。分压电阻R6和R7将蓄电池端的电压反馈到芯片的FB管脚,芯片根据FB管脚反馈回来的电压值来确定进人何种充电模式。当FB管脚的电压接近3.6V时,芯片工作于过充电状态。如果蓄电池电压低于所设置的过充电电压的81.8%时,充电电路自动进入涓流充电模式,此时充电电流为所设置的恒流充电电流的13%。当蓄电池电压大于所设置的过充电电压的81.8%时,充电电路进人恒流充电模式。本文设计的充电电路设置的充电压为5V,可以为生活中常用的大多数电子设备进行充电。

五、共享无线充电器设计方案

出门在外时,手机没电会给人们的生活带来各种不方便。为了以上手机充电问题,需要一种适用于餐馆、咖啡馆、火车站、机场等室内公共场所,同时支持各类手机的共享无线充电器设计方案。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、中心控制模块和远端服务器模块。各个模块的功能说明如下。

(1)无线充电模块:无线充电模块主要负责对智能手机的充电功能的实现。目前有两种主流的无线充电技术路线:电磁感应式无线充电和电磁共振式无线充电。尽管电磁共振式无线充电方案可以支持一对多充电和更远的充电距离,电磁感应式无线充电方案在技术和商业上更为成熟。无线充电联盟WPC(Wireless PowerConsortium)推出的Qi标准就是目前最主流的无线充电标准。在无线充电模块中,我们也会采用支持Qi标准的无线发射线圈,从而实现对各类手机的充电支持。

(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。为了让用户能够简便快捷地使用我们的无线手机充电器,我们采用了微信扫描二维码的用户登录方式。用户可以直接利用微信账号登录我们提供的小程序,输入身边的无线充电器的编号,获取充电的权限。当用户结束充电之后,还可以通过微信支付等方式支付相应的费用。

(3)中心控制模块:中心控制模块主要负责与远端服务器通信以及控制无线充电功能的开启和关闭。当远端服务器成功认证用户身份之后,会向中心控制模块发出相应信息。中心控制模块收到远端服务器发来的开始充电信息之后,会开启无线充电功能。当远端服务器发来停止充电信息之后,中心控制模块会关闭无线充电功能。

(4)远端服务器模块:远端服务器模块主要负责用户身份的认证以及费用计算等服务。用户利用微信账号登录之后,远端服务器会查询数据库中用户的相应信息。当用户在微信小程序中点击开始充电和停止充电按钮之后,远端服务器模块会与中心控制模块之间进行通信,开启和关闭无线充电功能。当用户充电完毕之后,远端服务器也会计算相应的费用。

共享无线手机充电器的使用流程如下:(1)用户扫描桌面上的二维码,登录微信小程序。(2)用户输入身边的无线充电器编号,点击开始充电按钮,将手机放到桌面对应的位置开始充电。(3)充电完毕,用户点击停止充电按钮。(4)根据小程序中提示的费用,用户利用微信支付完成相应的费用结算。

总结

本文回顾了目前已有的无线充电技术路线及相应技术标准,并提出了一种共享的无线手机充电器的设计方案。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,能够为之后的产品设计提供参考。利用电磁感应式无线电能传输原理设计了一种无线充电器。通过测试表明,该充电器在短距离内,可以实现电能的高效率传输。而且该充电器的充电电路与文献中给出的电路相比,具有比较大的优越性和先进性。

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