一種便攜式無線充電器的設計

蔡伊莎 黃海松 羊宇翔 周清琳 趙琨楊

【摘?要】本文介紹了一種便攜式的無線充電器的設計。該充電器的電路實現部分分為四個模塊單元，即電源模塊單元、LCD顯示模塊單元、發送模塊單元以及接收模塊單元，同時利用STC89C52微控制器對所設計的電路進行控制。其中，發送模塊與接收模塊單元之間利用線圈的電磁互感耦合作用傳送電能，供電部分以及用電部分用沒有任何束縛性的有線連接，能保證充電及控制電路單元的全部供電，同時設備的充電電流達到實用要求。

【英文摘要】This?paper?introduces?the?design?of?a?portable?wireless?charger.?The?circuit?realization?part?of?the?charger?is?divided?into?four?module?units，namely?the?power?module?unit，LCD?display?module?unit，sending?module?unit?and?receiving?module?unit.?At?the?same?time，the?STC89C52?microcontroller?is?used?to?control?the?circuit?designed.?Among?them，the?sending?module?and?the?receiving?module?unit?use?the?electromagnetic?mutual?inductance?coupling?action?of?the?coil?to?transmit?electric?energy，the?power?supply?part?and?the?power?consumption?part?are?connected?without?any?bound?wire，which?can?ensure?all?the?power?supply?of?the?charging?and?control?circuit?unit，while?the?charging?current?of?the?equipment?meets?the?practical?requirements.

【關鍵詞】微控制器;電磁感應;無線傳能;充電器;互感耦合

1 引言

隨著科技的不斷發展，智能手機日益普遍化，其在我們的日常生活中也扮演著至關重要的角色，人們對手機的續航能力以及充電效率也有了更高的要求。基于此，充電寶應運而生，且得到了極大普及與應用，還呈現出規模化的發展趨勢，進而逐漸形成了健全的產業結構。然而隨著頻繁的插拔對手機進行充電，除了會帶來一定的安全隱患，還會降低充電器及手機電池的使用壽命。為解決這一困擾，手機無線充電技術迎來了龐大的發展市場以及廣袤的研究空間。但從技術以及專利角度來講，我國對無線充電技術的研究起步較晚，尚未研發出比較成熟的，極具特色的產品，大部分都停留在實驗和理論階段。

不容忽視的是手機無線充電設備的制造與維修成本都遠高于普通充電設備，目前普及范圍不高，僅被運用于少數領域，而且由于是非接觸式充電，它在電能傳輸損耗上也遠高于普通充電器，整體而言充電效率要低一些，所以過高的能量損耗成為了無線充電技術普及化急需攻克的一道難題。若這一問題得以解決，無線充電產品將迎來巨大的銷售市場。基于此，本文以電磁耦合感應原理為基礎，完成了一款無線充電器的設計。

2 工作原理

無線充電系統即利用電磁感應原理以及相應的交流感應技術，如下圖1所示，系統工作時輸入端用24V直流電直接為系統供電。經過電源管理模塊后輸出的直流電通過有源晶振逆變轉換成高頻交流電供給初級繞組。再通過在發送和接收端用2個無線連接的原、副線圈進行互感耦合產生感應的交流信號，次級線圈輸出的電流經接受轉換電路變化成直流電為電池充電，進行電能傳送。

本無線充電系統主要分為四個功能模塊，即電源模塊、顯示模塊、發送模塊和接收模塊。無線充電器的發送端由穩壓電路、控制電路和發送電路以及一個電磁感應的發射線圈組成，接收端由一個電磁感應的接收線圈、能量轉換電路、整流穩壓電路以及充電電池組成。

2.1電源電路功能模塊

如圖2所示電源電路模塊，發送模塊單元有兩種供電電源（220V交流和24V直流），由原理圖可以看到，該模塊是由24V的電源進行供電，在該模塊中運用到了穩壓電路。穩壓電路由穩壓管、電感、電容以及LM2596組成，其中LM2596是降壓型電源管理單片集成電路的開關電壓調節器，能夠輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性。

2.2發送電路功能模塊

圖3發為送電路模塊，由STC89C52芯片、74HC00與非門和比較電路組成。其中STC89C52芯片主要用于對電路的控制，74HC00與非門的作用有兩點，第一是驅動功率管IRF530，因為單片機IO驅動力不足以直接驅動IRF530，所以加74HC00作為驅動，從而起到放大的作用。第二是IO關斷時，IRF530輸出截止，因為單片機IO關斷時，該特殊引腳輸出高電平，經過74HC00后，變為低電平，IRF530則截止，保證電路不發生短路。而比較電路由運放LM358組成，通過采樣電阻把電流轉換為電壓，與基準電壓比較，即可得出當前有無負載的情況。

2.3 LCD顯示電路功能模塊

圖4為LCD顯示電路，該LCD可顯示無線充電前的各種信息數據，例如手機電量等信息，在LCD顯示電路中會安裝風扇如圖5所示，其作用是為功率管IRF530提供散熱冷風。

2.4接收電路功能模塊

圖6為接收電路單元模塊，從左向右，由四個二極管組成整流電路，把高頻的交流電整流變為直流電，經過電容濾波穩壓，成為較為平穩的直流電，接著再由LM2596電壓調節器進行電壓的調節、穩壓二極管和電感組成的穩壓電路將經過整流橋整流后的直流電，穩壓成穩定的5V直流電經過USB輸出。

3 主要元器件選擇

電壓調節器LM2596，可輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性;

STC89C52芯片，主要用于對電路的控制;74HC00與非門，用于驅動功率管IRF530工作和當單片機IO關斷時，使IRF530截止，以保證電路不會發生短路;運放LM358，構成比較電路;LCD1602，用于構成顯示電路;功率管IRF530;散熱風扇。

4系統軟件實現

系統軟件設計主要包括LCD1602初始化，定時器的初始化，顯示提示字符，判斷是否打開發射裝置、有無負載，當檔位大于三、擋位等于零、有加檔時，再次判斷是否打開發射裝置;根據是否打開發射裝置，有無負載及檔位的大小設定不同的脈沖寬度。軟件流程框圖如圖7所示。

在按下開關后，無線充電裝置可自動檢測負載是否存在，如果在5秒內無檢測到負載，則自動關閉發射開關，如果負載存在則保存開關繼續充電，如果負載移開，且在1秒內負載不存在，則發射裝置自動關閉。整個系統軟件在Keil MDK集成環境下采用C語言編寫而成。

5 結束語

便攜式無線傳能充電器的主要設計目的是使得人們的生活更加便捷，即擺脫了原始的各種數據線的束縛。在信息的無線傳送盛行了百年之后，更加便捷的電能無線傳送將會開始流行。本文的設計思路將在電能無線傳送方面提供一定的引導和啟發作用。

作為可行性探索實驗，本文的設計思路適用于MP3、MP4和藍牙耳機等袖珍式數碼產品。然而將本文的設計思路推廣到大容量電池，也不會存在原則性的障礙。當然，從實驗室的探索設計到市場中的產品，可能還有比較漫長和艱難的工作。

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基金項目：

江西理工大學創新創業訓練計劃立項項目-DC2019-104;項目負責人：黃海松。