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無線充電器方案設計開發


隨著用電設備對供電質量、安全性、可靠性、方便性、即時性、特殊場合、特殊地理環境等要求的不斷提高,使得接觸式電能傳輸方式越來越不能滿足實際需要。因此,開發出一套具有能夠無線傳輸電能、傳輸效率高、設備體積小、便于攜帶和集成等優點的無線電能傳輸系統,將會成為21世紀最具魅力的科研方向之一。

一、無線充電相對有線充電方式的優勢

與傳統的充電器方式相比,無線充電技術的最大優點在于其避免了充電線的使用。采用無線充電技術后,不同電子設備可以采用統一的無線充電標準,只需要一個充電器就可以給不同設備進行充電。無線充電技術的另一個優點在于非接觸。對電子設備而言,非接觸的充電方式不需要裸露在外的充電接口,能夠實現更好的防水設計。而充電器也可以嵌入到臺燈底座、桌子甚至床頭柜中,方便用戶隨時隨地實現充電。

深圳無線充電器方案開發

二、無線充電方案技術原理

無線電能傳輸技術由物理學家尼古拉·特斯拉于1890年提出。按照電能傳輸原理的不同,無線電能傳輸可劃分為電磁感應式、電磁共振式和電磁輻射式3種方式。早在20世紀20年代到30年代,已經有學者開始論述無線供電概念的可能性。而無線充電技術真正的突破發生在2007年,麻省理工學院的研究團隊成功將2米之外的燈泡點亮。隨著無線充電技術的不斷發展和完善,目前有兩種主流的技術路線:電磁感應式無線充電和電磁共振式無線充電。

2.1電磁感應式無線充電原理

電磁感應式無線充電與變壓器原理相同,在發送和接收端各有一個線圈,發送端線圈連接有線電源產生電磁信號,接收端線圈感應發送端的電磁信號,從而產生電流給電池充電。無線充電系統的磁場主要通過空氣進行傳遞,因而磁場傳遞效率較低。想要系統的無線充電效率達到70%以上,兩線圈之間需要靠的很近,而且線圈尺寸需要相似,兩者之間定位精確,且該技術只能支持一對一充電。

電磁感應式無線電能傳輸系統,通常采用非接觸變壓器耦合的方式來進行無線電能傳輸。即將系統的變壓器緊密型耦合磁路分開,變壓器原邊繞組流過的是高頻交流電,通過原、副邊繞組的電磁感應,將電能傳輸到副邊繞組給用電設備供電,實現了電能在電源和用電設備之間進行無線傳輸。

2.2電磁共振式無線充電原理

電磁共振式方案原理與聲音的共振原理相同。初級線圈和次級線圈是通過磁共振實現能量傳輸的。發射端在特定諧振頻率震蕩,將次級線圈的諧振頻率調整至和初級線圈一致,進而實現能量傳遞。電磁共振式方案的充電距離可達到45mm以上,范圍較大,不限于平面結構,同時可以實現一對多充電,接收端的次級線圈可以配置成不同尺寸以適應不同的設備功率。

電磁共振式無線電能傳輸系統,通常采用兩個相同頻率的諧振體來產生很強的相互耦合,利用線圈及放置兩端的平板電容器,共同組成諧振電路,實現能量的無線傳輸。2007年6月,麻省理工大學的物理學助理教授馬林·索爾賈希克和他的研究團隊做了一個實驗,給一個直徑60cm的線圈通電,結果l.9m之外連接在另一個線圈上的60W燈泡被點亮了。這個實驗說明發送端和接收端的線圈組成一個磁共振系統,當發送端的磁場振蕩頻率和接收端線圈的固有頻率相同時,接收端產生共振,從而實現了能量的無線傳輸。其消耗的電能只有傳統電磁感應供電技術的百萬分之一,有效傳輸距離為幾十厘米到幾米,所以這種傳輸形式適用于中程無線電能傳輸。

2.3電磁輻射式無線電能傳輸原理

電磁輻射式無線電能傳輸系統,采用微波波段進行電能的無線傳輸。由電源發出電能,通過微波轉換器將工頻交流電變換成微波,再通過發射站的微波發射天線送到空間,然后傳輸到地面微波接收站,接收到的微波通過轉換器將微波變換成工頻交流電,供用戶使用。微波是波長介于無線電波和紅外線之間的電磁波,由于頻率較高,能順利通過電離層而不反射,宇宙空間對微波傳輸十分理想,幾乎沒有能量損耗,通過大氣層時的損耗約為2%,因此電磁輻射式無線電能傳輸系統具有更高的電能傳輸效率,適合遠距離無線電能傳輸。

深圳無線充電控制板設計

三、無線充電技術標準

為了推廣無線充電技術的應用,通信運營商、半導體企業和高科技公司組成了不同的無線充電聯盟,并推出了各自的無線充電技術標準。

目前最主流的無線充電標準是WPC(Wireless Power Consortium)推出的Qi標準。傳統的Qi標準采用的是電磁感應式方案。Qi標準具有良好的泛用性和便捷性。從居家、汽車、到機場、咖啡館、辦公室,Qi標準支持的場景非常廣泛,一般帶有Qi標準標識的無線充電器,都能為支持Qi標準的電子設備供電。為了彌補電磁感應式方案只能一對一充電的不足,最新的Qi1.2標準加入了對電磁共振式方案的支持,能夠實現對多裝置同時充電。另一個無線充電聯盟Airfuel也推出了它的無線充電技術標準,包括采用電磁感應式方案的PMA標準和采用電磁共振式方案的A4WP標準。然而與Qi標準相比,Airfuel在技術上還不夠成熟,在商業上也沒有得到很好的應用。

四、電磁感應式無線充電器設計

典型的電磁感應式無線電能傳輸系統原理框圖如圖1所示。

電磁感應式無線充電系統原理框圖

電磁感應式電能傳輸系統主要由能量變換部分、能量發射部分和能量接收部分組成。輸入的交流電經過整流、濾波、穩壓變為直流電,通過高頻逆變器進行逆變,逆變所產生的高頻交變電流輸入分離式變壓器的初級線圈,與次級線圈耦合,從而產生感應電動勢,然后通過高頻整流濾波后為負載供電。本文利用電磁感應式電能傳輸原理設計的無線充電器主體硬件電路如圖2所示。

無線充電器主體硬件電路圖

4.1發射電路設計

電路主要由振蕩信號發生器和諧振功率放大器兩部分組成。利用NE555構成振蕩頻率約為400kHz的信號發生器,為功放電路提供激勵信號;諧振功率放大器由LC并聯諧振回路和開關管Q1構成。當功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵信號頻率相同時,功率放大器發生諧振,此時線圈中的電壓和電流達到最大值,從而產生最大的交變電磁場。

4.2接收電路設計

當接收線圈與發射線圈靠近時,在接收線圈中產生感應電動勢。當接收線圈回路的諧振頻率與發射線圈的諧振頻率相同時,感應電壓達到最大值。當發射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態時,系統具有最好的能量傳輸效率。

4.3充電電路設計

利用電源管理芯片設計了具有涓流、恒流、過充電和浮充電4種工作模式的充電電路。電路處于恒流充電模式時,充電電流的大小由連接于CSP管腳和BAT管腳之間的電流檢測電阻來設置;電路處于過充電和浮充電模式時,由外部電阻構成的分壓網絡設置充電電壓。當輸入電壓過低時充電電路進入睡眠狀態。當輸入電壓大于啟動電壓6V時,充電電路開始對蓄電池充電。分壓電阻R6和R7將蓄電池端的電壓反饋到芯片的FB管腳,芯片根據FB管腳反饋回來的電壓值來確定進人何種充電模式。當FB管腳的電壓接近3.6V時,芯片工作于過充電狀態。如果蓄電池電壓低于所設置的過充電電壓的81.8%時,充電電路自動進入涓流充電模式,此時充電電流為所設置的恒流充電電流的13%。當蓄電池電壓大于所設置的過充電電壓的81.8%時,充電電路進人恒流充電模式。本文設計的充電電路設置的充電壓為5V,可以為生活中常用的大多數電子設備進行充電。

五、共享無線充電器設計方案

出門在外時,手機沒電會給人們的生活帶來各種不方便。為了以上手機充電問題,需要一種適用于餐館、咖啡館、火車站、機場等室內公共場所,同時支持各類手機的共享無線充電器設計方案。共享無線充電設計方案主要包括四個模塊:無線充電模塊、用戶交互模塊、中心控制模塊和遠端服務器模塊。各個模塊的功能說明如下。

(1)無線充電模塊:無線充電模塊主要負責對智能手機的充電功能的實現。目前有兩種主流的無線充電技術路線:電磁感應式無線充電和電磁共振式無線充電。盡管電磁共振式無線充電方案可以支持一對多充電和更遠的充電距離,電磁感應式無線充電方案在技術和商業上更為成熟。無線充電聯盟WPC(Wireless PowerConsortium)推出的Qi標準就是目前最主流的無線充電標準。在無線充電模塊中,我們也會采用支持Qi標準的無線發射線圈,從而實現對各類手機的充電支持。

(2)用戶交互模塊:用戶交互模塊主要負責與用戶的交互功能的實現。為了讓用戶能夠簡便快捷地使用我們的無線手機充電器,我們采用了微信掃描二維碼的用戶登錄方式。用戶可以直接利用微信賬號登錄我們提供的小程序,輸入身邊的無線充電器的編號,獲取充電的權限。當用戶結束充電之后,還可以通過微信支付等方式支付相應的費用。

(3)中心控制模塊:中心控制模塊主要負責與遠端服務器通信以及控制無線充電功能的開啟和關閉。當遠端服務器成功認證用戶身份之后,會向中心控制模塊發出相應信息。中心控制模塊收到遠端服務器發來的開始充電信息之后,會開啟無線充電功能。當遠端服務器發來停止充電信息之后,中心控制模塊會關閉無線充電功能。

(4)遠端服務器模塊:遠端服務器模塊主要負責用戶身份的認證以及費用計算等服務。用戶利用微信賬號登錄之后,遠端服務器會查詢數據庫中用戶的相應信息。當用戶在微信小程序中點擊開始充電和停止充電按鈕之后,遠端服務器模塊會與中心控制模塊之間進行通信,開啟和關閉無線充電功能。當用戶充電完畢之后,遠端服務器也會計算相應的費用。

共享無線手機充電器的使用流程如下:(1)用戶掃描桌面上的二維碼,登錄微信小程序。(2)用戶輸入身邊的無線充電器編號,點擊開始充電按鈕,將手機放到桌面對應的位置開始充電。(3)充電完畢,用戶點擊停止充電按鈕。(4)根據小程序中提示的費用,用戶利用微信支付完成相應的費用結算。

總結

本文回顧了目前已有的無線充電技術路線及相應技術標準,并提出了一種共享的無線手機充電器的設計方案。我們的設計方案結合了Qi無線充電標準和微信軟件的各種功能,能夠為之后的產品設計提供參考。利用電磁感應式無線電能傳輸原理設計了一種無線充電器。通過測試表明,該充電器在短距離內,可以實現電能的高效率傳輸。而且該充電器的充電電路與文獻中給出的電路相比,具有比較大的優越性和先進性。

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