簡易無線充電器的設(shè)計(jì)

張洪鎮(zhèn)，趙亞鳳，郭婷婷

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

眾所周知，現(xiàn)在所有的電子產(chǎn)品都要不定期地連接電網(wǎng)進(jìn)行充電,同時(shí)也疲于和各種插口及連接數(shù)據(jù)線打交道。如果徹底去掉這些尾巴,移動(dòng)終端設(shè)備就可以獲得真正的自由。因此就出現(xiàn)了無線充電技術(shù)。

無線充電技術(shù)的概念是在克羅地亞科學(xué)家尼古拉·特斯拉提出的線電傳輸?shù)乃枷胫刑岢龅摹?010年9月1日，全球首個(gè)推動(dòng)無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織——無線充電聯(lián)盟在北京宣布將Qi 無線充電國際標(biāo)準(zhǔn)率先引入中國。無線充電是一種不需要通過導(dǎo)體連接，或者插接其他輔助充電設(shè)施的新型充電技術(shù)。

現(xiàn)在市場中也存在著類似的充電設(shè)備：如勁量、LG電子、諾基亞等品牌的部分產(chǎn)品，其原理是1831年，英國物理學(xué)家邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)原理。人們通過兩線圈相互感應(yīng)并進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的形式實(shí)現(xiàn)所謂的無線充電。但是這種充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)充電的前提是兩線圈必須相靠極近，且傳輸效率也不是太理想。此外，這種無線充電器的使用有著十分大的局限性就注定這款設(shè)備的使用范圍非常有限，使得它不能大范圍推廣并被大眾接受。

由此，現(xiàn)在的無線電力裝置技術(shù)中，能傳達(dá)的距離短，但其不能離發(fā)射器太遠(yuǎn)，根本發(fā)揮不到無線的作用，而且其輸出的能量小，只適用于電量需求小的電器，還有待于進(jìn)一步提高。因?yàn)橐恢睙o法突破效率和距離這個(gè)瓶頸,使它一直不進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域。

1 無線充電的基本原理

在現(xiàn)今的科技領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)無線充電的目的，有兩種原理可以利用，一種是電磁共振原理，使初級繞組和次級繞組達(dá)到同樣的頻率進(jìn)行能量傳輸；另一種是電磁耦合原理，通過初次級繞組的磁感應(yīng)現(xiàn)象達(dá)到能量傳輸?shù)哪康摹?/p>

但是前者實(shí)現(xiàn)較難，且不適合大范圍使用，所以我們采用第二種實(shí)現(xiàn)路徑。Qi 國際無線充電標(biāo)準(zhǔn)就是用的這一技術(shù)，基本原理是在發(fā)送和接收端都設(shè)一個(gè)線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源，并產(chǎn)生電磁信號，接收端線圈感受到這個(gè)電磁信號，從而傳輸給設(shè)備電池充電。

本裝置外加太陽能供電模塊，使其打破了充電器電源單一性現(xiàn)狀。太陽能發(fā)電的原理主要是太陽能電池板接收太陽光，并產(chǎn)生光電效應(yīng)，從而產(chǎn)生電能。使無線充電與太陽能合理使用理想的結(jié)合到一起，大大提高了本裝置的可用性。

2 無線充電的結(jié)構(gòu)參數(shù)

本裝置采用電磁耦合原理，將電能通過無線電磁能的形式傳輸給待充電設(shè)備。其結(jié)構(gòu)主要由電源管理模塊、發(fā)射電路模塊、接收轉(zhuǎn)換模塊、充電模塊和太陽能供電模塊組成，功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 功能模塊結(jié)構(gòu)

電磁能通過功能電路處理經(jīng)過電磁發(fā)射平臺，實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)一對多充電。較市場上針對性無線充電，本裝置采用有磁芯線圈充電效率更高。而且本裝置將電路優(yōu)化做的十分徹底，采用A3941299、TD1410、肖特基二極管等優(yōu)質(zhì)元件使充電范圍更大，更具有通用性，性能更好。本裝置更是將太陽能考慮為第二電能供應(yīng)模塊，既符合了現(xiàn)社會(huì)節(jié)能的主流思想又為作品增加了使用環(huán)境，這都是現(xiàn)在市場上的產(chǎn)品不曾具有的。

在電路結(jié)構(gòu)方面，交流電經(jīng)橋式整流（由4只1N4148高頻開關(guān)二極管構(gòu)成）和濾波電路濾波，得到約20V的直流。作為充電控制部分的電源。此外經(jīng)78L12 降壓后為集成電路供電，為了保證管理電源模塊可以正常工作，電路的匹配電容的大小應(yīng)小于2200μF。部分電路如圖2所示。

圖2 部分電路結(jié)構(gòu)

電能的無線傳輸實(shí)際上是通過發(fā)射線圈和接收線圈的耦合作用實(shí)現(xiàn)的，這里發(fā)射線圈和接收線圈共同構(gòu)成一個(gè)有磁芯的變壓器的原副線圈。為了保證足夠的功率和盡可能高的效率，應(yīng)選擇較高的調(diào)制頻率，同時(shí)要考慮器件的高頻特性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)選擇2.0MHz 晶振為最佳。

3 無線充電效果說明

（1）在接收單元空載（不接被充電池）情況下,保持發(fā)射線圈和接收線圈同軸,改變發(fā)射線圈和接收線圈間距,測量接收單元兩端電壓DCV，數(shù)據(jù)見表1。

表1 D C V 輸出與線圈間距說明表

由本裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，空載無線充電效率較市場現(xiàn)有的無線充電產(chǎn)品DCV 輸出更高，可用距離更理想。

（2）有載情況下的實(shí)驗(yàn)。仍保持發(fā)射線圈和接收線圈同軸相距5mm,充電器分別工作于快充和停充,進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)見表2。

表2 充電狀態(tài)電流數(shù)據(jù)表

負(fù)載功率=負(fù)載電流×接收端電壓；功率=發(fā)射端電流×電源電壓5V；效率=負(fù)載功率/發(fā)射消耗功率。通過上述數(shù)據(jù)說明，本裝置的技術(shù)參數(shù)更加符合現(xiàn)代人們生活的需求，真正可以為人們的社會(huì)做出實(shí)質(zhì)性服務(wù)。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，各種新興產(chǎn)品接蹤而來，使我們的生活更加的方便快捷。正如本作品的出現(xiàn)為手機(jī)用戶帶來無盡方便和樂趣。作品克服了傳統(tǒng)有線連接的缺點(diǎn)，更是采用磁耦合技術(shù)作為連接充電基站和設(shè)備的紐帶，實(shí)現(xiàn)了一對多充電的目的，消除了各種安全隱患，掃除了人們生活中的顧慮。相信本作品在不久的將來必會(huì)出現(xiàn)在人們的生活中，為我們幸福和諧的社會(huì)生活錦上添花。

[1] 姜立中.無線充電實(shí)驗(yàn)/無線供電的顯示離我們有多遠(yuǎn)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2] 無線充電技術(shù)的三大標(biāo)準(zhǔn)：PLA、Qi 和A4WP.iPhone中文網(wǎng)，2012，11.