【導(dǎo)讀】機(jī)、PDA、數(shù)碼播放器和相機(jī)、筆記本電腦等。在實(shí)際運(yùn)用這些設(shè)備中，每個(gè)產(chǎn)。品都對(duì)應(yīng)一個(gè)與之匹配的充電器。這種方式既浪費(fèi)資源、增加產(chǎn)品的成本，且不利。其問(wèn)題的關(guān)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(chǎn)品都是傳統(tǒng)的有線充電模式，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)充電比較麻煩。優(yōu)勢(shì)可以有效地解決上述問(wèn)題。其內(nèi)容主要集中在以下幾個(gè)。通過(guò)針對(duì)該設(shè)計(jì)存在的不足，對(duì)未來(lái)的無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行展望。就本論文涉及的核心內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，旨在說(shuō)明本課題研究的成果、價(jià)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(chǔ)存的能量與每個(gè)周期內(nèi)消耗麓量之比的 2? 倍。 Q值越高，意味著相對(duì)于存儲(chǔ)的能量 而 言，所需付出的能量消耗越少，即諧振電路儲(chǔ)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(duì)于發(fā)送線圈、接收線圈的傳送效率，則是由以上述等價(jià)電路的 L0、 R0、 LR 結(jié)合容量 0C? 及線圈之 間 的 相 互結(jié)合感應(yīng) 器 0L? 來(lái)決定 。 L0， RO， L R1是由線圈特性 (物理特性 )決定。關(guān)于 0C? 、 0L? ，則主要考慮由環(huán)境兩變化的特點(diǎn)。上述等價(jià)電路的阻抗計(jì)算式如下 ： 發(fā)送端線圈的等價(jià)式為 0 0 0Z R j L??? 式子 39 共振用電容器插入時(shí)的阻抗計(jì)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(jià)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(jià)時(shí)，效率最大。 AB之 間 的等價(jià)式 (發(fā)送端 與 接收端總的阻抗計(jì)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(chǎn)生的電壓 (V1) 0 1 0 1()V V I R I Z Z? ? ? ? ? ? 式子 314 相 對(duì)電流值 I，發(fā)送線圈、接收線圈同等。此時(shí)效率 ? 最大為 100％。 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? 。就是說(shuō)， AB之間產(chǎn)生的電壓 /電流和 CD之 間 產(chǎn)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(guān)于 C1的確定應(yīng)考慮接收線圈的影響，電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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(guò)試驗(yàn)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(dá)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(qū)動(dòng)電路中電能的損耗。下給出具體分析。關(guān)于驅(qū)動(dòng)電路的電能損耗問(wèn)題。我們知道，為了使電能有效的傳輸，增加驅(qū)動(dòng)電路是 一 個(gè)必備的條件，因此電能損耗問(wèn)題不可能消失，但我們可以保障在電能傳輸?shù)那疤嵯拢M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(gè)方面采取措施， 一 方面，通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，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(duì) 于很大的發(fā)送端電 壓 ，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)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(shè)備進(jìn)行充電，則需要將交變的電流變成直流，因此需要經(jīng)過(guò)整流、濾波的過(guò)程。不難理解，在電流從交流轉(zhuǎn)換成直流的過(guò)程中，首先經(jīng)過(guò)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(diǎn)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(dāng)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(dòng)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(dòng)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(duì)于整個(gè)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(shè)備的充電電壓， 一般 可以采用一個(gè) DCDC變換器 ， 提升給待充電設(shè)備進(jìn)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(wú)線充電系統(tǒng)的方案論證 23 第 4章 無(wú)線電系統(tǒng)的方案論證與實(shí)現(xiàn) 無(wú)線充電電路的方案設(shè)計(jì) 無(wú)線充電器的 理論分析 本無(wú)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(dòng)切換的功能 。能量 接收端的設(shè)計(jì)相對(duì) 就 比較簡(jiǎn)單，主要由接收線圈的振蕩電路構(gòu)成，通過(guò) 與 發(fā)射線圈的電磁感應(yīng)接收 能 量 發(fā)送端傳送的能量。在充電的過(guò)程中，接收線圈得 到交變電流，然后通過(guò)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)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(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)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(gòu)成可控整流電路、逆變、 電機(jī) 調(diào)速、電機(jī)勵(lì)磁、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及自動(dòng)控制等方面。 其優(yōu)點(diǎn)是可控整流，切換沒(méi)有 噪聲 ，缺點(diǎn)是 驅(qū) 動(dòng)電路比較 復(fù)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(yīng)用于自動(dòng)控制 電路中，它實(shí)際上 就 是用較小的電流去控制較大電流的一種 “ 自動(dòng)開(kāi)關(guān) ” 。 所以 在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 其優(yōu)點(diǎn)是 功率大，內(nèi) 阻 小， 電耗比較小， 缺 點(diǎn)是 存 在 切換 噪聲 。 綜上所述 ：要實(shí)現(xiàn) 本電路的 交直流自動(dòng)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(gòu)建 振蕩 電路 ， 雖然 可以 產(chǎn)生 穩(wěn)定 的 準(zhǔn)備工作 頻 率， 但由于電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，而且設(shè)計(jì)好的電路 頻 率不可 調(diào) 。 方 案 2：使用 RC與 IC器件 NE555構(gòu)成 振蕩 電路 ， NE555是屬于 555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)， 555系列 IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而 555電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍 的計(jì)時(shí) IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率 的 脈 沖信 號(hào)。 而且 頻 率在一定的 范圍 內(nèi)可 調(diào) ， 設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單 而且 省電。 綜上所述 ： 因 系統(tǒng)選擇 頻 率不高， 頻 率可 調(diào) 也是 在一定的 范圍 內(nèi)， 所 以選擇NE555與 RC構(gòu)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(kāi)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(hù) ， 導(dǎo)致 成本較高。 方案 2：采用場(chǎng)效應(yīng)管作為功放元件， 選用開(kāi)關(guān)管 IRF840，其 功耗低于三極管， 而且 驅(qū)動(dòng)功率小，使用 起來(lái)比較方便。 綜上所述，為 了實(shí)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(jiǎn)單介紹 相對(duì) 于發(fā)射單元，能量接受單元的電路就相對(duì)簡(jiǎn)單多了，接受的能量通過(guò)簡(jiǎn)單的整流濾波和穩(wěn)壓之后供給發(fā)光二極管或者簡(jiǎn)單得給電池充電，甚至可以再接收單元加載上單片機(jī)控制單元從而控制整個(gè)電路中的電流電壓，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)充電電池所需的充電方式。 無(wú)線充電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案是上述 論證 的整合 ，下面將詳細(xì)得介紹能量發(fā)射單元與能量接收單元的構(gòu)造與原理。 無(wú)線充電電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 在確定了 本論文無(wú)線充電 設(shè)計(jì)方案的前提下， 結(jié)合上面的電路功能 模塊的簡(jiǎn)單論述，接下來(lái)將 給出其具體的電路設(shè)計(jì)，同時(shí)也對(duì)核心芯片的選擇及功能進(jìn)行了介紹。 在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用簡(jiǎn)單易學(xué)、器件庫(kù)龐大、功能強(qiáng)大的 Protel DXP 2021此款硬件電路設(shè)計(jì)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(tái)的一款最新產(chǎn)品。它將原理圖繪制、電路仿真、 PCB設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、 FPGA及邏輯器件設(shè)計(jì)等完美融合，為用戶提供了全面的設(shè)計(jì)解決方案，是電子線路設(shè)計(jì)人員首選的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。 電源管理模 塊的電路設(shè)計(jì) 結(jié)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(kāi) 端第四章 無(wú)線充電系統(tǒng)的方案論證 25 閉 合， 通過(guò) 常 閉 端的 打 開(kāi)實(shí)現(xiàn)交流優(yōu)先，交流 斷 電 則 繼 電器 斷 電，常 閉閉 合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。 由于 在切換 供電狀態(tài) 時(shí)，時(shí)間 很 短， 電容 C1還 可提供一定時(shí)間的電量， 這樣就 可以 很簡(jiǎn)單地 實(shí)現(xiàn)不 斷 電 式 切換， 也就 不 對(duì) 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(jīng)過(guò)變壓器降壓，再通過(guò)晶體整流橋的整流獲得約為 26v的直流，用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器的工作，為了獲得穩(wěn) 定的 24v直流電，只需通過(guò) c cc3這三個(gè)濾波電容即可實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)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。 LM2576芯片系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（ buck）的各種功能，能驅(qū)動(dòng) 3A的負(fù)載，此系列的穩(wěn)壓器具有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。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(hào)，而我 們需要 5v的直流壓降，符合本電路的設(shè)計(jì)要求，所以選用此款芯片。下面將簡(jiǎn)單介紹下 LM2576系列穩(wěn)壓器的特點(diǎn)。 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(hào)的可達(dá) 57V)，負(fù)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 3） 本芯片 最少只需要 4個(gè)外圍元件 即可構(gòu)建三端穩(wěn)壓器 ，可達(dá) 3A的輸出電流 滿足大電流的設(shè)計(jì)需求； 4） 比較 寬的輸入電壓范圍， HV型號(hào)甚至可達(dá) 40V～ 60V； 5）內(nèi)部振蕩器產(chǎn) 生 52KHz的固定頻率； 6）可用 TTL電平關(guān)閉輸出，低功耗待機(jī)模式，典型待機(jī)電流為 50μA； 7） BUCK式降壓器，較高的轉(zhuǎn)換效率； 8）過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)； 9）可實(shí)現(xiàn) BuckBoost式正 負(fù)電壓轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器提供開(kāi)關(guān)電流，此管腳應(yīng)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(jī)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(dāng) 輸入電壓波動(dòng)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(fù)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(huì) 會(huì)造成嚴(yán)重的噪聲干擾 。 2） 續(xù)流二極管： 首選肖特基二極管，因?yàn)榇祟惗O管開(kāi)關(guān)速度快、正向壓降低、 反向恢復(fù)時(shí)間短， 最好 不要選用 1N4000/1N5400之類的普通整流管 。3） 儲(chǔ)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(duì)應(yīng)的電感值，也就是說(shuō)，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(guò)電感的電流若是連續(xù)的為連續(xù)型，電感電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)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(huì)在某些情況（負(fù)載開(kāi)路、輸入端斷開(kāi)）對(duì)器件造成損害。COUT用來(lái)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(dǎo)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(yīng)用注意事項(xiàng)： 第四章 無(wú)線充電系統(tǒng)的方案論證 27 1）反饋線要遠(yuǎn)離電感，電路