【導讀】機、PDA、數(shù)碼播放器和相機、筆記本電腦等。在實際運用這些設備中，每個產。品都對應一個與之匹配的充電器。這種方式既浪費資源、增加產品的成本，且不利。其問題的關鍵所在就是充電器不具備通用性，更為重要的是，絕。大部分電子產品都是傳統(tǒng)的有線充電模式，對使用者來說充電比較麻煩。優(yōu)勢可以有效地解決上述問題。其內容主要集中在以下幾個。通過針對該設計存在的不足，對未來的無線充電技術進行展望。就本論文涉及的核心內容進行總結，旨在說明本課題研究的成果、價值以及意義。

　　

【正文】 值 定義為 ： 2 SRWQ W?? 式子 38 即 Q值等于諧振電路中儲存的能量與每個周期內消耗麓量之比的 2? 倍。 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。基于上述分析，則發(fā)射端電路的 Q值越大，發(fā)射線圈輸出效率越高。 對于發(fā)送線圈、接收線圈的傳送效率，則是由以上述等價電路的 L0、 R0、 LR 結合容量 0C? 及線圈之 間 的 相 互結合感應 器 0L? 來決定 。 L0， RO， L R1是由線圈特性 (物理特性 )決定。關于 0C? 、 0L? ，則主要考慮由環(huán)境兩變化的特點。上述等價電路的阻抗計算式如下 ： 發(fā)送端線圈的等價式為 0 0 0Z R j L??? 式子 39 共振用電容器插入時的阻抗計算式為 0 0 0 11Z R j L jC? ?? ? ? 式子 310 0 12f LC?? 式子 311 接收端線圈的等價式為 1 1 1Z R j L??? 式子 312 在此， AB之間和 CD之間發(fā)生電壓 /電流趨于等價時，效率最大。 AB之 間 的等價式 (發(fā)送端 與 接收端總的阻抗計算式 ) 0 0 01 0 11 1 1Z R j L j Cj C j L j L??? ? ??? ? ? ? ? ??? 式子 313 CD之間產生的電壓 (V1) 0 1 0 1()V V I R I Z Z? ? ? ? ? ? 式子 314 相 對電流值 I，發(fā)送線圈、接收線圈同等。此時效率 ? 最大為 100％。 但是，有必要考慮發(fā)送、接收線圈的相關關系容量 0C? 及 0L? 。就是說， AB之間產生的電壓 /電流和 CD之 間 產生的電壓 /電流 同等的話，可以得到最大效率。接收線圈( 0C? 和 0L? )影響電壓、電流相位變化，因此，關于 C1的確定應考慮接收線圈的影響，電子科技大學學士學位論文 22 有必要 使 接收線圈 Q值損失成為最小。由此得到的頻率為我們所需的振蕩頻率。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。 系統(tǒng) 工作電路電能損耗 為了使發(fā)射線圈和接收線圈達到高效率的電能傳輸，需要分別探討發(fā)送端 和接收端工作電路的影響。 從發(fā)送端的角度，主要考慮線圈 驅動電路中電能的損耗。下給出具體分析。關于驅動電路的電能損耗問題。我們知道，為了使電能有效的傳輸，增加驅動電路是 一 個必備的條件，因此電能損耗問題不可能消失，但我們可以保障在電能傳輸?shù)那疤嵯?，盡量減小電能的損耗， 從而 提高系統(tǒng)的充電效率。減小電 能 的損耗，可以從兩個方面采取措施， 一 方面，通過優(yōu)化驅動電路的設計，盡量減小 電能的損耗；另一方面，在系統(tǒng)允許的情況下，加大發(fā)送端的供電電 壓 ，相對 于很大的發(fā)送端電 壓 ，通過驅動電路時的壓降小，即電能的損耗占的比重小，同樣可以提 高 系統(tǒng)的充電效率。 從接收端角度，我們知道從接收線 圈得到的是交變的電流，為了給待充電設備進行充電，則需要將交變的電流變成直流，因此需要經過整流、濾波的過程。不難理解，在電流從交流轉換成直流的過程中，首先經過整流電路，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 身的結電壓 和正 向電阻，使得整流電路內阻較大，當然損耗也較大。整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是脈動較大，含有較大的諧波成分，因此， 一 般在整流后，利用濾波電路將脈動的直流電壓變化為平滑的直流電壓。同樣濾波回路中必然有電 能的損耗。對于整個系統(tǒng)的充電效率的影響，上述分析的電能損耗是不容忽視的，必須采取措施，提升給待充電設備的充電電壓， 一般 可以采用一個 DCDC變換器 ， 提升給待充電設備進行充電的充電電壓，減小發(fā)送端電壓和接收端電壓之間的壓差，從而可以提高系統(tǒng) 的效能。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 。能量 接收端的設計相對 就 比較簡單，主要由接收線圈的振蕩電路構成，通過 與 發(fā)射線圈的電磁感應接收 能 量 發(fā)送端傳送的能量。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。 該 系統(tǒng)設計的關鍵點一是用線圈耦合方式傳遞能量，使接收單元接受到足夠的電能，以保證后續(xù)電路能量的供給；二是如何提高充電電路的能量利用效率，在滿足充電電路正常工作的前提下盡可能采用低功耗設計。 設計方案論證 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 。 我們所 熟悉的二極管 整流電路是 屬于不可控整流電路。如果把二極管換成晶閘管，就可以構成可控整流電路、逆變、 電機 調速、電機勵磁、無觸點開關及自動控制等方面。 其優(yōu)點是可控整流，切換沒有 噪聲 ，缺點是 驅 動電路比較 復雜 ，而 且 要加裝 安裝散熱 片 ，電能消耗增加。 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 ” 。 所以 在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。 其優(yōu)點是 功率大，內 阻 小， 電耗比較小， 缺 點是 存 在 切換 噪聲 。 綜上所述 ：要實現(xiàn) 本電路的 交直流自動切換， 且 由于工作電流 較 大，切換 頻率不高， 所 以選擇 方案 2。 能量發(fā)射單元的振蕩電路 方 案 1：使用晶 體管 構建 振蕩 電路 ， 雖然 可以 產生 穩(wěn)定 的 準備工作 頻 率， 但由于電路設計比較復雜，而且設計好的電路 頻 率不可 調 。 方 案 2：使用 RC與 IC器件 NE555構成 振蕩 電路 ， NE555是屬于 555系列的計時IC的其中的一種型號， 555系列 IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產生的振蕩頻率也不大相同；而 555電子科技大學學士學位論文 24 是一個用途很廣且相當普遍 的計時 IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產生數(shù)位電路所需的各種不同頻率 的 脈 沖信 號。 而且 頻 率在一定的 范圍 內可 調 ， 設計電路簡單 而且 省電。 綜上所述 ： 因 系統(tǒng)選擇 頻 率不高， 頻 率可 調 也是 在一定的 范圍 內， 所 以選擇NE555與 RC構成的 振蕩 電路，即選擇 方 案 2。 能量發(fā)射端的功放電路 方案 1：采用大功率開關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。 方案 2：采用場效應管作為功放元件， 選用開關管 IRF840，其 功耗低于三極管， 而且 驅動功率小，使用 起來比較方便。 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 。 能量接收端的簡單介紹 相對 于發(fā)射單元，能量接受單元的電路就相對簡單多了，接受的能量通過簡單的整流濾波和穩(wěn)壓之后供給發(fā)光二極管或者簡單得給電池充電，甚至可以再接收單元加載上單片機控制單元從而控制整個電路中的電流電壓，實現(xiàn)市場充電電池所需的充電方式。 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造與原理。 無線充電電路的設計與實現(xiàn) 在確定了 本論文無線充電 設計方案的前提下， 結合上面的電路功能 模塊的簡單論述，接下來將 給出其具體的電路設計，同時也對核心芯片的選擇及功能進行了介紹。 在電路的設計過程中，采用簡單易學、器件庫龐大、功能強大的 Protel DXP 2021此款硬件電路設計軟件。 Protel DXP是 Altium公司 于 2021年 7月推出的Protel系列軟件的第 7代基于 Windows操作平臺的一款最新產品。它將原理圖繪制、電路仿真、 PCB設計、設計規(guī)則檢查、 FPGA及邏輯器件設計等完美融合，為用戶提供了全面的設計解決方案，是電子線路設計人員首選的計算機輔助設計軟件。 電源管理模 塊的電路設計 結合上面的論述， 交直流 輸入 采用單 刀雙閘繼 電器， 如果 交流 上 電 則 常開 端第四章 無線充電系統(tǒng)的方案論證 25 閉 合， 通過 常 閉 端的 打 開實現(xiàn)交流優(yōu)先，交流 斷 電 則 繼 電器 斷 電，常 閉閉 合，實現(xiàn)自動切換。 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 。 具體電路圖如 41所示： 圖 41 220v/50Hz的市電經過變壓器降壓，再通過晶體整流橋的整流獲得約為 26v的直流，用來驅動繼電器的工作，為了獲得穩(wěn) 定的 24v直流電，只需通過 c cc3這三個濾波電容即可實現(xiàn)。經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，此壓降用來驅動由 LM2576芯片構成的三端穩(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。 LM2576芯片系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供降壓開關穩(wěn)壓器（ buck）的各種功能，能驅動 3A的負載，此系列的穩(wěn)壓器具有優(yōu)異的線性和負載調整能力。這些器件的固定輸出電壓有 ， 5v， 12v， 15v，還有可調整的輸出型號，而我 們需要 5v的直流壓降，符合本電路的設計要求，所以選用此款芯片。下面將簡單介紹下 LM2576系列穩(wěn)壓器的特點。 LM2576的特性如下： 1）有 、 5V、 12V、 15V和可調電壓輸出多種系列 ，滿足各種壓降的需求 ； 2）輸出電壓可調的范圍為 ～ 37V (HV型號的可達 57V)，負載電壓的輸出容差最大為 177。 4％ ，穩(wěn)定性能好 ； 電子科技大學學士學位論文 26 3） 本芯片 最少只需要 4個外圍元件 即可構建三端穩(wěn)壓器 ，可達 3A的輸出電流 滿足大電流的設計需求； 4） 比較 寬的輸入電壓范圍， HV型號甚至可達 40V～ 60V； 5）內部振蕩器產 生 52KHz的固定頻率； 6）可用 TTL電平關閉輸出，低功耗待機模式，典型待機電流為 50μA； 7） BUCK式降壓器，較高的轉換效率； 8）過熱和過流保護； 9）可實現(xiàn) BuckBoost式正 負電壓轉換器。 LM2576的管腳 介紹： 1） VIN輸入電壓端，為減小輸入瞬態(tài)電壓和給調節(jié)器提供開關電流，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。A。 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。還有，當 輸入電壓波動較大，輸出電流有較高，容量一定要選用大些， 470μF10000μF都是可行的選擇；電容的電流均方根值至少要為直流負載電流的 1/2；基于安全考慮，電容的額定耐壓值要為最大輸入電壓的 。 最好 不要選用瓷片電容， 將會 會造成嚴重的噪聲干擾 。 2） 續(xù)流二極管： 首選肖特基二極管，因為此類二極管開關速度快、正向壓降低、 反向恢復時間短， 最好 不要選用 1N4000/1N5400之類的普通整流管 。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。為什么呢？ LM2576既可工作于連續(xù)型也可非連續(xù)型，流過電感的電流若是連續(xù)的為連續(xù)型，電感電流在一個開關周期內降到零為非連續(xù)型。 4） 輸出端電容 COUT： 推薦使用 1μF470μF之間的低 ESR的鉭電容。若電容值太大，反而會在某些情況（負載開路、輸入端斷開）對器件造成損害。COUT用來輸出濾波 以及提高環(huán)路的穩(wěn)定性。如果電容的 ESR太小，就有可能使反饋環(huán)路不穩(wěn)定，導致輸出端振蕩。這幾乎是穩(wěn)壓器的共性，包括 LDO等也有這一現(xiàn)象。 LM2576的 應用注意事項： 第四章 無線充電系統(tǒng)的方案論證 27 1）反饋線要遠離電感，電路