無線充電器的設(shè)計原理

磁耦合諧振無線傳輸技術(shù)是近幾年來備受廣泛關(guān)注的一個新研究領(lǐng)域。由于其傳送距離遠(yuǎn)、效率高、功率大而取得廣泛的使用。無線充電器電能傳送可以給普通便攜式電子產(chǎn)品提供更加方便、安全的輸電方式。市面上出現(xiàn)了“無尾電視”、無線電車充電器、無線手機充電器等商品。
當(dāng)下，手機已經(jīng)是不可缺少的通信設(shè)備之一，而提供手機電力能源的唯一方式就是充電器。市面上的充電器中有線充電器占到了95%以上。無線手機充電器隨意一放就可以對手機進行充電，非常方便、輕松。無線手機充電器擺脫了傳統(tǒng)充電器的許多缺陷，有著非常重要的研究價值。
1硬件組成與工作原理
無線手機充電器硬件由發(fā)射部分和接收部分組成。為了更好地保證 與原來的充電器接口兼容，發(fā)射部分選用USB進行輸電，由信號發(fā)生器電路、驅(qū)動電路、LC發(fā)射電路組成，接收部分由LC接收電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓濾波電路組成，接收部分選用USB接口形式輸出，有利于手機連接充電器。整體系統(tǒng)原理框如圖1所示。
圖1系統(tǒng)原理框

當(dāng)系統(tǒng)工作時，信號發(fā)生器在連接到USB電源接口后形成方波信號，驅(qū)動電路驅(qū)動LC發(fā)射電路形成交變磁場，在接收線圈中形成感應(yīng)電壓。在接收部分中接收到的感應(yīng)電壓為交流電壓，為了更好地給手機穩(wěn)定可靠的充電電壓，需要在USB輸出接口與LC接收電路直接接入整流濾波電路、穩(wěn)壓濾波電路。為了更好地最大限度地接收感應(yīng)電壓，LC接收電路應(yīng)與LC發(fā)射電路諧振頻率相同。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計
信號發(fā)生器電路設(shè)計
為了更好地給無線傳輸提供諧振源，信號發(fā)生器電路可以選用多種方式制作：DDS芯片、單片機信號、集成芯片NE555。系統(tǒng)選用電路結(jié)構(gòu)最為簡單的NE555電路形成。NE555555定時器可使用于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。
本設(shè)計中，NE555工作在無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器模式下，NE555的第1引腳（GND）接地，第2引腳（TRIG）接第6引腳（THR），第3引腳為信號輸出引腳，第4引腳（RST）接電源VCC，第5引腳（CTRL）通過1個瓷片電容接地，第7引腳（DIS）與第6引腳間接1個100kΩ可調(diào)電阻，第8引腳（VCC）接電源VCC。
驅(qū)動電路設(shè)計
驅(qū)動電路可選擇三極管或者MOS管做為驅(qū)動LC發(fā)送電路的元器件。三極管用電流控制型IC芯片，且耗損大，而MOS管屬于電壓控制型IC芯片，MOS管耗損較小，常用來電源開關(guān)，以及大電流地方開關(guān)電路。因此，系統(tǒng)采取MOS管進行驅(qū)動LC發(fā)送電路。
2.3LC發(fā)送與LC接收電路設(shè)計
為了促使LC發(fā)送電路與LC接收電路諧振頻率一致，發(fā)送和接收選用一致的電路，本系統(tǒng)選用電感L與電容C并聯(lián)的方式連接。結(jié)合各方面考慮，電感L電感量選擇47μH，電容C容量選擇0.1μF。發(fā)送和接收電容兩端電壓較高，電容選擇630V/104CBB電容。
整流濾波電路設(shè)計
整流電路可選擇半波整流或全波整流。半波整流電路結(jié)構(gòu)比較簡單，只需一個二極管就可以整流，但交流電的正半周期有電流輸出，負(fù)半周期沒有電流輸出，這樣效率低；全波整流需4個二極管交替工作，整個周期都有電流輸出，這樣效率高。故本系統(tǒng)選用效率高的全波整流電路進行設(shè)計。此外，為了使整流后脈動的波形變得平滑穩(wěn)定，整流后需增加濾波電容。
穩(wěn)壓濾波電路設(shè)計
穩(wěn)壓電路可采取線性穩(wěn)壓電路或開關(guān)穩(wěn)壓電路，線性穩(wěn)壓電路的優(yōu)點輸出電壓穩(wěn)定、紋波小，但其轉(zhuǎn)換效率偏低。故本系統(tǒng)選擇效率較高的開關(guān)電源電路，選擇XL4015降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路。
總體電路設(shè)計

依據(jù)上述分析并結(jié)合電路參數(shù)的選擇，發(fā)送部分電路如圖2所示，接收部分電路如圖3所示。

3結(jié)語
無線手機充電器，老人、小孩不用接觸市電220V就可以安全、放心地對手機充電。對于身心疲憊的上班族，下班回家把手機隨手一放就可以對手機進行充電，非常方便、比較簡單。無線手機充電器克服了傳統(tǒng)有線充電器的許多缺陷，具備結(jié)構(gòu)比較簡單、使用方便、傳送效率高等優(yōu)點，具備重要的研究價值