筆記本實用無線充電器設(shè)計

1、實用無線充電器設(shè)計附電路圖 ?基本功能是通過線圈將電能以無線方式傳輸給電池。 只需把電池和接收設(shè)備放在充電平臺上即可對其進(jìn)行充電。實驗證明雖然該系統(tǒng)還不能充電于無形之中但已能做到將多個校電器放置于同一充電平臺上同時充電。免去接線的煩惱。1 無線充電器原理與結(jié)構(gòu)無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理，通過線圈進(jìn)行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞。如圖1 所示，系統(tǒng)工作時輸入端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用24V 直流電端直接為系統(tǒng)供電。經(jīng)過電源管理 模塊后輸出的直流電通過2M有源晶振逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給初級繞組。通過2 個電感線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經(jīng)接受轉(zhuǎn)換電路變化成直流電為電池充電。

2、?2 2 發(fā)射電路模塊如圖 3，主振電路采用 2 MHz 有源晶振作為振蕩器。有源晶振輸出的方波，經(jīng)過二階低通濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的正弦波輸出，經(jīng)三極管 13003 及其外圍電路組成的丙類放大電路后輸出至線圈與電容組成的并聯(lián)諧振回路輻射出去為接收部分提供能量。?2 2接收電路模塊測得與電容組成的并聯(lián)諧振回路的空芯耦合線圈的線徑為O5 mm，直徑為7 cm，電感為47 uH ，載波頻率為2 MHz。根據(jù)并聯(lián)諧振公式得匹配電容C 約為140 pF 。因而發(fā)射部分采用2MHz有源晶振產(chǎn)生與諧振頻率接近的能源載波頻率。2.3充電電路?筆記本電腦無線電源的制作?筆記本電腦 無線電源 面臨的問題筆

3、記本電腦的有線電源通常為 20V/3A 左右。對于一般常見的 開關(guān)電源 來說，加上一些損耗，這個電源的貯備 功率要求在 70W以上，這是一個瓶頸值。在這個有線電源的功率接近極限值的情況下，要用無線電源來實現(xiàn)與有線電源相同的供電和充電功能，無疑是一個極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，將面臨以下多方面的技術(shù)問題：1. 功率問題2. 效率問題3. 渦流問題4. EMC問題5. 結(jié)構(gòu)問題無線供電與有線供電在物理上的主要區(qū)別是：無線供電不與用電器有物理上的連接，如果把有線供電的變壓器耦合看作一個封閉系統(tǒng)，那么無線供電必須是一個開放式系統(tǒng)，即能量不是通過變壓器磁芯來耦合，而是以電磁波輻射的方式由發(fā)射端經(jīng)過一段距離后傳到接收

4、端，因此損耗比有線電源大得多，效率也低得多， 更為麻煩的是隨之而來的渦流問題、EMI和 EMC問題就顯得十分突出在這樣強大功率的磁場下，渦流可能會導(dǎo)致筆記本電腦內(nèi)部的元件尤其是芯片類（包括CPU）嚴(yán)重發(fā)熱，甚至損壞；同時，由于巨大的電磁輻射，可能會對筆記本電腦本身、電源網(wǎng)絡(luò)以及周邊環(huán)境造成嚴(yán)重干擾，甚至威脅。 另外，筆記本電腦是一個集成度很高的便攜式 產(chǎn)品，內(nèi)部空間極為有限，因此，要求無線電源必須重量輕、體積小，才有可能嵌入筆記本電腦內(nèi)部。圖 1點磁共振芯片介紹所幸的是，芯片VOX330MP05S和 VOX20K3A使筆記本電腦的無線供電成為可能。這是一對基于電磁共振的專用大功率發(fā)射和大功率接

5、收IC，具有較高的發(fā)射和接收效率，其外觀見圖1。?VOX330MP05S是一塊 3 腳封裝（與TO-220 相當(dāng)）的電磁共振專用發(fā)射芯片，具有高達(dá)100W的發(fā)射能力，而體積只有 22mm×12mm×9.5mm，它的第1 腳為電源端，工作電壓912V，3 腳為地， 2 腳為輸出端，IC 內(nèi)建振蕩器、電壓比較器、功率限幅器、推動電路和功率輸出管，其輸出端可承受1000V 以上的高壓脈沖，非常適用于高壓驅(qū)動的應(yīng)用。圖2 就是利用 220V整流后給電磁共振回路供電的一個實例。圖中 C4、T1 和 C3 組成濾波網(wǎng)絡(luò)，串聯(lián)于電網(wǎng)與發(fā)射電路之間，作用是用于吸收發(fā)射電路中的諧波反饋到電網(wǎng)

6、上，也可以防止電網(wǎng)上的浪涌電壓對發(fā)射電路的影響。4 個二極管和C2 為整流、濾波電路，直接將220V的市電整流得到一個約300V 的直流電壓，這個電壓經(jīng)L1 和 C1 組成的并聯(lián)諧振回路加到VOX330MP05S的輸出端，圖中DC為一個 12V/100mA的電源轉(zhuǎn)換模塊，為IC1 提供工作電壓。VOX20K3A是一塊五腳厚膜封裝電路，尺寸為33mm×30mm×6.3mm， 內(nèi)部集中了電磁共振所需要的相位檢測、電壓檢測、電流檢測、功率校正等功能，其應(yīng)用的工作原理圖見圖3。VOX20K3A需要提供一個5V 的工作電壓，工作電流約30mA，可由LM78L05提供， 2 腳上的硅穩(wěn)

7、壓管決定了整個電源的輸出電壓，關(guān)系為：Vout = DW+ 1.2V，因此，不同的穩(wěn)壓管將得到不同的輸出電壓，但穩(wěn)壓管必須在924V 之間選擇。A1 和A2 分別為補償輸入和輸出端，C1 為輸入電容，L1 和 L2 為兩個串聯(lián)的接收線圈，也可以用一個線圈代替，VD1和VD2為整流管，選用快速管或肖特基管，電流大于3A 即可。 L3、 L4 及C4 C9為濾波電路，用于減少紋波，穩(wěn)定電壓。發(fā)射電路圖 2接收電路圖 3發(fā)射和接收的層次關(guān)系底座與筆記本電腦的關(guān)系圖 5圖 4?筆記本電腦無線電源的規(guī)劃無線電源可以免除電源線頻繁插拔的麻煩，也可以隨時給筆記本電腦電池充電，為使用者帶來方便。但要使用無線電

8、源，必須解決上面提及的多方問題。1. 空間結(jié)構(gòu)問題筆記本電腦在使用中，有一定的發(fā)熱， 尤其是在夏天， 發(fā)熱更為明顯， 不少使用者均為之配上一個底座，以幫助散熱。無線電源分為兩部分，發(fā)射部分可以裝在底座上，接收部分置于筆記本電腦內(nèi)部，中間有通風(fēng)層以便空氣對流，結(jié)構(gòu)分布見圖 4。筆記本電腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)是很充實的，根本沒有空間來放置無線電源的接收電路，因此，若要實用，必須通過工程設(shè)計來調(diào)整筆記本電腦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但作為實驗，可以作如下調(diào)整：將筆記本電腦的光驅(qū)取出，將無線電源的接收部分置于光驅(qū)的位置。2. 渦流的解決方法當(dāng)大面積的金屬（電和熱的良導(dǎo)體）置于電磁波中，就會產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，電磁爐就是利用這個原理

9、做成的。在筆記本電腦中，是絕對不允許這種情況存在的。筆記本電腦中的高密度電路，特別是 CPU等內(nèi)部有許多回路，若將它們置于電磁場中，無異于一塊大面積金屬，勢必發(fā)熱嚴(yán)重！如何解決它？要消除渦流，關(guān)鍵是不能讓CPU等高密度器件工作于電磁場中，因此必須在接收線圈的上方增加一層隔離層，阻止電磁波進(jìn)一步往上面?zhèn)鞑ィ綦x層可以用反波材料，要求有一定的厚度，如圖5 所示。防護(hù)層可以是金屬片，以吸收經(jīng)過隔離層后的剩余電磁波，當(dāng)然它會因此發(fā)熱，所以隔離層的品質(zhì)不僅影響發(fā)熱，也嚴(yán)重影響電源的整體效率。防護(hù)層兼做散熱片，所有發(fā)熱元件全部用散熱膠貼于上面。EMI 和 EMC解決方法3.EMI 主要有兩方面，即傳導(dǎo)干擾

10、和輻射干擾，圖2 中的 C4、 T1 和 C3 可以很好地消除前者。至于后者，也可在發(fā)射線圈的下方，增加隔離層和防護(hù)層，以最大限度地減少電磁波的對外輻射。當(dāng)然，接收電路的品質(zhì)，特別是材料的品質(zhì)，是減少電磁輻射、提高效率的關(guān)鍵，而PCB的質(zhì)量與線圈的品質(zhì)在減少二次諧振和諧振輻射方面起著重要的作用。發(fā)射板（仰視） 發(fā)射板（俯視） 圖 7圖 6?筆記本電腦無線電源的制作1. 發(fā)射器和底座的制作發(fā)射器主要由發(fā)射線路板和發(fā)射線圈板兩部分組成。發(fā)射線圈板共有4 層，從上到下分別是：表面絕緣防護(hù)層、線圈層、隔離層和底面金屬防護(hù)層，每一層之間均用膠粘劑貼牢。發(fā)射線圈板的大小約為 10cm見方，但底部的金屬隔離

11、層必須長些，為 13cm左右，多出的面積主要用于安裝發(fā)射芯片 VOX330MP05S并作為芯片的散熱器。發(fā)射線路板上的DC模塊選用體積小的AC/DC，AC220V輸入， 12V/200mA輸出即可， 這個電源除了為發(fā)射芯片提供2030mA工作電流，也是外接風(fēng)扇的電源。發(fā)射芯片必須臥裝，以便全面貼在散熱片上，即底面金屬防護(hù)層上，如圖6和圖 7所示。發(fā)射底座（仰視） 發(fā)射底座（俯視） 圖 9圖 8取一塊塑料板，大小與筆記本電腦相當(dāng)，在對應(yīng)于光驅(qū)的位置，用螺絲將發(fā)射板固定于下方，在靠近發(fā)射板的附近挖一個孔，用于安裝風(fēng)扇。當(dāng)然還得裝上 4 個膠質(zhì)腳墊，同時別忘了將電源線的輸入端固定，以免使用中脫落或斷

12、裂而導(dǎo)致事故，如圖 8 和圖 9 所示。2. 接收器的制作接收器也由接收線路板和接收線圈板兩部分組成。接收線路板的尺寸約為10cm×3cm，板上有幾個元器件必須安裝在散熱器上，即整流管VD1、VD2和接收芯片VOX20K3A。如圖 10 和圖 11 所示。接收線路板（俯視）接收線路板（仰視）圖 11圖 10接收線圈板的結(jié)構(gòu)與發(fā)射線圈板相同，也分為4 層，但排列方向剛好相反，從上到下分別是：頂面金屬防護(hù)層、隔離層、線圈層和表面絕緣防護(hù)層。金屬防護(hù)層也用作散熱片，幾個易熱的元件緊貼其上，見圖12。接收板（俯視）圖 12?3. 筆記本電腦的改造筆記本電腦內(nèi)部需要作以下兩方面的改造：首先將筆

13、記本電腦的外殼開啟，將光驅(qū)的固定螺絲取下，這樣光驅(qū)可以隨時取下，以便為接收模塊留出空間，要使用光驅(qū)時，重新插回去即可。模塊與光驅(qū)的大小如圖13 所示。另外，筆記本電腦的外殼的內(nèi)側(cè)有一層電鍍層，是用來防止外部電磁干擾的，電磁波是不能（或不易）透過的，必須將光驅(qū)對應(yīng)位置的電鍍層刮去，以適合于無線供電的要求。這個位置的電鍍層被刮去后不會影響筆記本電腦的使用，因為光驅(qū)本身是金屬結(jié)構(gòu)，當(dāng)光驅(qū)插回去后，就彌補了原來的電鍍層的位置。上述處理能最大限度地保持筆記本電腦的原有外觀和性能，不致于因為這個實驗而被破壞。最后將接收模塊插入筆記本電腦中，將電源輸出端與筆記本電腦插好，并將筆記本電腦置于發(fā)射底座上，讓發(fā)射

14、模塊和接收模塊上下對齊，保持約 2cm 距離（注：距離太大，幅射增大，效率降低；距離太小，筆記本電腦與底座之間沒有間隙，不利于散熱）即可通電工作，見圖14。用無線電源的筆記本電腦模塊與光驅(qū)的比較圖 14圖 13總結(jié)筆記本電腦無線電源實際上是一個集功率問題、效率問題、渦流問題、EMC問題和結(jié)構(gòu)問題于一體的綜合解決方案，這些問題是相互影響、相互制約的，單獨考慮其中的任何一個問題都是沒有實際意義的。比如，渦流的處理實際上是減少輻射、提高效率的過程，二次輻射少了，渦流也就小了，效率就相應(yīng)提高了；而結(jié)構(gòu)問題是一個首要問題，因為結(jié)構(gòu)直接影響到無線電源的的實用性，如果結(jié)構(gòu)不合理，可能導(dǎo)致筆記本電腦內(nèi)部器件被干擾、發(fā)熱，甚至于燒毀。經(jīng)過上述處理后的筆記本電腦無線電源，接收模塊可以直接插入筆記本電腦內(nèi)部（先將光驅(qū)拔出），實現(xiàn)了無線供電和無線充電的功能。實測結(jié)果見附表。附 表項目參數(shù)備注天線厚度5mm包括隔離層和防護(hù)層在內(nèi)PCB厚度15mm含