【正文】 中必然有電 能的損耗。在充電的過程中，接收線圈得 到交變電流，然后通過整流回路、平滑濾波回路、穩(wěn)壓 得到 所需的穩(wěn)定直流。如果把二極管換成晶閘管，就可以構(gòu)成可控整流電路、逆變、 電機 調(diào)速、電機勵磁、無觸點開關(guān)及自動控制等方面。 其優(yōu)點是 功率大，內(nèi) 阻 小， 電耗比較小， 缺 點是 存 在 切換 噪聲 。 而且 頻 率在一定的 范圍 內(nèi)可 調(diào) ， 設(shè)計電路簡單 而且 省電。 綜上所述，為 了實現(xiàn)同效率下耗能小、成本低，所以選擇方案 2的器件搭建功放電路 。 在電路的設(shè)計過程中，采用簡單易學、器件庫龐大、功能強大的 Protel DXP 2021此款硬件電路設(shè)計軟件。 由于 在切換 供電狀態(tài) 時，時間 很 短， 電容 C1還 可提供一定時間的電量， 這樣就 可以 很簡單地 實現(xiàn)不 斷 電 式 切換， 也就 不 對 充電 造成不利的影響 。這些器件的固定輸出電壓有 ， 5v， 12v， 15v，還有可調(diào)整的輸出型號，而我 們需要 5v的直流壓降，符合本電路的設(shè)計要求，所以選用此款芯片。 LM2576的管腳 介紹： 1） VIN輸入電壓端，為減小輸入瞬態(tài)電壓和給調(diào)節(jié)器提供開關(guān)電流，此管腳應接旁路電容 CIN； 2） OUTPUT穩(wěn)壓輸出端，輸出高電壓為（ VIN－ VSAT），輸出低電壓為； 3） GND電路地； 4） FEEDBACK反饋端； 5） ON/OFF控 制端，高電平有效，待機靜態(tài)電流僅為 75181。 最好 不要選用瓷片電容， 將會 會造成嚴重的噪聲干擾 。 4） 輸出端電容 COUT： 推薦使用 1μF470μF之間的低 ESR的鉭電容。這幾乎是穩(wěn)壓器的共性，包括 LDO等也有這一現(xiàn)象。COUT用來輸出濾波 以及提高環(huán)路的穩(wěn)定性。3） 儲能電感： 最好根據(jù) datasheet中的電感選擇曲線，要求有高的通流量和對應的電感值，也就是說，電感的直流通流量直接影響輸出電流。 LM2576外圍元件的選擇： 1） 輸入電容 CIN： 要選低 ESR的鋁或鉭電容作為旁路電容，防止在輸入 端出現(xiàn)大的瞬態(tài)電壓。 LM2576的特性如下： 1）有 、 5V、 12V、 15V和可調(diào)電壓輸出多種系列 ，滿足各種壓降的需求 ； 2）輸出電壓可調(diào)的范圍為 ～ 37V (HV型號的可達 57V)，負載電壓的輸出容差最大為 177。經(jīng)過這一系列的整流濾波后，我們就得到了比較穩(wěn)定的 24v直流電，此壓降用來驅(qū)動由 LM2576芯片構(gòu)成的三端穩(wěn)壓集成電路正常工作，也就能在輸出端獲得穩(wěn)定的 5v壓降，獲得的 5v壓降還可以提供給 NE555，使其正常工作。它將原理圖繪制、電路仿真、 PCB設(shè)計、設(shè)計規(guī)則檢查、 FPGA及邏輯器件設(shè)計等完美融合，為用戶提供了全面的設(shè)計解決方案，是電子線路設(shè)計人員首選的計算機輔助設(shè)計軟件。 無線充電系統(tǒng)的實現(xiàn)方案是上述 論證 的整合 ，下面將詳細得介紹能量發(fā)射單元與能量接收單元的構(gòu)造與原理。 能量發(fā)射端的功放電路 方案 1：采用大功率開關(guān)三極管作為功放元件，但 是由于 管耗較大，需要大面積的散熱片 提供保護 ， 導致 成本較高。 能量發(fā)射單元的振蕩電路 方 案 1：使用晶 體管 構(gòu)建 振蕩 電路 ， 雖然 可以 產(chǎn)生 穩(wěn)定 的 準備工作 頻 率， 但由于電路設(shè)計比較復雜，而且設(shè)計好的電路 頻 率不可 調(diào) 。 器件選擇方 案 2：采用 繼 電器， 繼電器是一種電子控制 器件 ，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制 電路中，它實際上 就 是用較小的電流去控制較大電流的一種 “ 自動開關(guān) ” 。 設(shè)計方案論證 供電電源的切換 器件選擇 方 案 1：采用晶 閘管 ，由于 普通晶閘管最基本的用途就是可控 整流 。第四章 無線充電系統(tǒng)的方案論證 23 第 4章 無線電系統(tǒng)的方案論證與實現(xiàn) 無線充電電路的方案設(shè)計 無線充電器的 理論分析 本無線充電器由能量發(fā)送單元和能量接收單元兩大部分組成，能量發(fā)送端可用市電和直流電源供電，具有交流優(yōu)先和交直流自動切換的功能 。不難理解，在電流從交流轉(zhuǎn)換成直流的過程中，首先經(jīng)過整流電路，如利用橋式整流，雖然利用橋式整流電路可以輕而易舉的將交變的電流變成直流，但它的主要缺點是使用的二極管的數(shù)量較多，由于二極管 自 身的結(jié)電壓 和正 向電阻，使得整流電路內(nèi)阻較大，當然損耗也較大。關(guān)于驅(qū)動電路的電能損耗問題。由于該振蕩頻率的選取受非確定因素的影響，因此該頻率的選取一般需要通過試驗的方法得到。 但是，有必要考慮發(fā)送、接收線圈的相關(guān)關(guān)系容量 0C? 及 0L? 。關(guān)于 0C? 、 0L? ，則主要考慮由環(huán)境兩變化的特點。 Q值越高，意味著相對于存儲的能量 而 言，所需付出的能量消耗越少，即諧振電路儲能效率越高。在發(fā)射線 圈 瑞 ， 電容 1C 和電感 0L 兩類元 件 同時出現(xiàn)在發(fā)射端電路中，如果滿足 如下： 0 11L C? ?? 式子 37 就會產(chǎn)生振蕩。根據(jù)論文所要設(shè)計的無線充電系統(tǒng)，抽象出線圈電極的等效電路，如 圖 34系統(tǒng)等效電路，其中 C? 和 L? 是 根據(jù)環(huán)境而變化的介電質(zhì)，環(huán)境是指空 間 距離及 系統(tǒng) 所受的影響。為了將線圈的面積縮 小到 可以裝入便攜式設(shè)備的程度， 這類 無線充電系統(tǒng)的發(fā)射和接收線圈都采 用細 導線。 水平距離 垂直距離 傾斜角度 電子科技大學學士學位論文 20 圖 33 線圈位置關(guān)系 發(fā)送和接收線圈的導線材料和卷繞方法進行改進，同樣也是影響傳輸效率的 因素。當發(fā)射線圈的中心軸和接收線圈中心軸的位置一致時，發(fā)射端對于接收端的電能供給效率 最 高。線圈位置關(guān)系如圖 33，對于發(fā)射、接收線圈的位置關(guān)系要求如下：在垂直距離上，發(fā)射線圈和接收線圈的距離應盡可能的小，因為發(fā)射線圈和接收線圈之問的空隙越來，漏磁越大。通過上面的原理分析可知，能量的無線傳輸主要是通過線圈間的耦合來實現(xiàn)的。另外，全部箱體可在所有軸上獲得屏蔽特性，這樣就可以保證最好的屏蔽性能 。但是，設(shè)計屏蔽體的目的是使其包絡(luò)試圖屏蔽的組件和空間，并應該靠得很近。類似地，對于包容己進入屏蔽材料的磁力線并改變其方向，圓角要比尖角好一些。在實際應用中，所給定屏蔽體的實 際 形狀由器件結(jié)構(gòu)和屏蔽體自身的可利用空間所決定。 實驗表明，增加磁屏蔽也可以提高系統(tǒng)傳輸充電效率。發(fā)射、接收線圈之間的空隙越來，則漏磁越大。下面從這兩個方面分別進行介紹。 基于上述分析，在本系統(tǒng)設(shè)計中，耦合線圈選用多股銅線、平面空芯結(jié)構(gòu)，另外考慮耦合程度和空間電磁密度等因素，發(fā)送端線圈、接收 端線圈的規(guī)格參考如下結(jié)合參數(shù)： 振蕩 線圈 按 要 求 形狀為圓形， 用直 徑 為 的 漆包 線 密繞 20 圈，直 徑約 為 。這樣采用多股線有兩方面的益處，一方面同等截面積的多股的線圈必是細的，不容易出現(xiàn)折斷。隨著電子變壓器整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，線圈結(jié)構(gòu)主要的發(fā)展方向是平面線圈、片式線圈和薄膜線圈，其中又包括多層結(jié)構(gòu)。特別說明一下，本系統(tǒng)中發(fā)送線圈和接收線圈均采用平面空芯線圈，上面對于平面線圈的電磁場特性進行了理論分 析。由于磁場集中分布于兩個平面線圈形成的柱形空間體內(nèi)部，一方面能量集中分布，即實現(xiàn)近場能量耦合，漏磁小，根據(jù)能量守恒定律，磁能轉(zhuǎn)化為電能，損失小，從而提高電磁轉(zhuǎn)換效率；另一方面 也 降低電磁噪聲，減少了電磁輻射。 4()Ox 代表 x的四次方以及更高次冪的小量，所以， ()Bx將沿中心軸線在相當大的范圍內(nèi)均勻。 將另一個結(jié)構(gòu)完全相同的線圈平行共軸放置，通以相同的同方向電流，那么兩個線圈產(chǎn)生的磁場在軸線上將疊加。設(shè)圓線圈的中心為 O，半徑為 R， 載有電流 I，如圖 31單個載流圓所示。 為了更好的理解無線充電技術(shù)并最終完成無線充電系統(tǒng)的設(shè)計，下面從理論第三章 無線充電系統(tǒng)原理解析 15 上 分析平面線圈的電磁場分布情況。簡要的說，感應電流總是阻礙原磁通的減少。把電流時而 打開 時 而 關(guān)閉，增加或減小線圈的磁力線時，誘發(fā)產(chǎn)生向妨礙其變化方向流放電流的電壓。 無線充電技術(shù)基本原理 平面線圈的電磁場特性 當 首先說明線圈互感和自感。 圖 26 磁耦合方案研制的無線充電牙刷 電子科技大學學士學位論文 14 第 3章 無線充電系統(tǒng)原理解析 引言 電流是由線圈旋轉(zhuǎn)切割磁場產(chǎn)生的，這個常識讓我們得之 當兩個設(shè)備中分別使用了一個具備振蕩電路特性的線圈組成一對收發(fā)天線，讓其中一個天線發(fā)送能量，另一個天線則接收能量。制作工藝采用了絲網(wǎng)印刷和類似于噴墨打印的新 工 藝。 日本東京大學的教授們設(shè)計了一種塑料薄膜電源，很有創(chuàng)意，用途也十分廣泛。 磁耦合方案的實例 應用于無線供電或充電的裝置而言，其初級線圈與次級線圈處于兩個分離的各自部件中，因而線圈間的耦合是比較松散的。為了提高整個電源系統(tǒng)的電能傳輸效率，縮小器件的體積，提高能量 密度，這就要求在耦 合變壓器的原邊中通過高頻電流，利用高頻化來提高整個電源系統(tǒng)的能量密度，在電路中加入整流及高頻逆變環(huán)節(jié)，提高 耦 合變壓器的原邊中的電流頻率，從而減小激磁電流， 從而 達到縮小電源體積提高電能傳輸效率的目的。 磁耦 合供電工作原理 非接觸式感應耦 合電能傳輸技術(shù)利用了現(xiàn)代的電磁理論如電磁感 應理論與 變壓器理論，結(jié)合了當今最新的電力電子技術(shù)與微機實時控制技術(shù)，實現(xiàn)了電能的非接觸式傳輸。即變壓器耦合 無線供電。 電磁感應現(xiàn)象是電磁學中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象 之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。 電子科技大學學士學位論文 10 圖 基于微波供電的小型飛機照片 利用這一能量，這架小飛機能夠以 21公里海拔的高度，在 2公里的范圍內(nèi)飛行。因此也以采用低頻居多。 (5)現(xiàn)有可用元件的先進性 。 頻率的選擇 如果沒有任何限制地為能量傳輸選擇最佳頻率，需要考慮如下的一些方面 : (1)天線孔徑大小 。但是微波供能方式將主要的功率源置于地面，在太空中只留有 只 占系統(tǒng)質(zhì)量很小部分的微波接收和整流設(shè)備，從而避免了這個缺點 。 (6)能量傳輸不受地球引力差的影響 。 (2)以光速傳輸能量 。該項技術(shù)之所以會得到多家廠商的青睞，原因在于它獨特的電磁波接收裝置，能夠根據(jù)不 同的負載、電場強度來做相應的 調(diào)整，電子科技大學學士學位論文 8 以維持穩(wěn)定的直流電壓。 (4)應用情況： 電磁波奠定了廣播、電視和現(xiàn)代通信技術(shù)的基礎(chǔ)。 (3)多普勒效應?？焖ヂ涞慕y(tǒng)計特性 : (l)遠離 發(fā)射機的情況移動臺遠離發(fā)射機情況下，快衰落信號包絡(luò)統(tǒng)計，是指在無直射波的 N個路徑傳播時接收信號的包絡(luò)統(tǒng)計特性。 。因此，在室內(nèi)無線設(shè)備安裝時，應使第一 Fresnel 區(qū)域內(nèi)的障礙物盡可能少，以保障信號有效傳輸。 當發(fā)射機與接收機之間沒有可直達射線時，接收信號是上述信號的組合。當許多反射波存在，接收信號很不穩(wěn)定，該現(xiàn)象可稱為多徑衰落。散射是很難預測的。繞射是由二次小波傳到陰影區(qū)域而產(chǎn)生的。繞射是當接收機和發(fā)射機之問的無線路徑被具有尖利邊緣的礙障物阻擋時發(fā)生的。對傳播機制深入了解，并掌握傳播特性是研究傳播規(guī)律的基礎(chǔ)。 電磁波方案 無線電傳播機制 電磁波，俗稱無線電波，是人們非常熟悉的一個概念。 2． 多媒體產(chǎn)品：數(shù)碼相機， MP3，機頂盒，筆記本電腦等。 電子科技大學學士學位論文 4 鑒于這種情況，本文提出了一種無線充電方案，是由電能發(fā)送端和電能接收端兩部分組成，無需任何物理上的連接，通過電磁耦合達到能量傳輸?shù)哪康摹? 課題依據(jù)及選題依據(jù) 通常，對手機、筆記本等移動設(shè)備的電池充電時 都是 需要一個充電器， 一端連在市電電源上，另外一端連在移動設(shè)備上，頻繁的插拔不但使用不便，而且容易損壞 充電器 ，同時也不安全。而且必須和現(xiàn)有的普通充電器一樣簡便易用，不能因為非接觸式充電而延長充電時間。目前，面向手機的非接觸式充電器，正在積極開發(fā) 2W3W級供電技術(shù)。他們還發(fā)現(xiàn)，既使兩個諧振線圈間有障礙物存在時，也能讓燈泡繼續(xù)發(fā)光。 2021 年 6 月，麻省理工學院 (MIT)以 MarinSolijaeic 為首的研究團隊首次演示了燈泡的無線供電技術(shù)，他們從 6 英尺的距離成功地點亮了一個 60W 燈泡。在他看來，未來微波電子學的主要研究方向就是微波電力工程，設(shè)計大功率、高效率的微波發(fā)生器和微波一直流電轉(zhuǎn)換器是無線輸電最緊迫 的問題。 1998 年 印刷電偶極子整流天線陣轉(zhuǎn)換效率達到了 82%。 1991 年華盛頓 ARCO電力技術(shù)公司使用頻率 35GHz 的毫米波，整流天線的轉(zhuǎn)換效率為 72%。據(jù)估計，如果傳輸頻率 1OGHz 的 TEO01 波模，每傳輸 10O0km 的損耗約 5%。經(jīng)過多年的精心研究，他演示的直流直流的轉(zhuǎn)換效率達到 54%。在他的實驗中設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單、高效率的半波電偶極子 半導體二極管整流天線，把它放在用來反射電磁波的導電平板之上，純電阻作為負載，用低噪聲、高效率的放大管和磁空管作為微波源，將頻率 為 的微波能量轉(zhuǎn)換為直流電。這就是最初的無線輸電實驗室演示，從那時起無線輸電的概念問世了。人們需要隨時隨地 使用方便的充電裝置。待機時間的需求原來只局限于特定用戶群，但現(xiàn)在逐漸發(fā)展成一