無(wú)線型手機(jī)充電器設(shè)計(jì)

1、否及科技士學(xué)學(xué)位論文誠(chéng)信聲明書(shū)本人重聲明：所呈交的學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究（設(shè)計(jì)） 工作及取得的研究（設(shè)計(jì)）成果。除了文中加以標(biāo)注和致的地方外，論文（設(shè)計(jì)）中不 包含其他人或集體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究（設(shè)計(jì)）成果，也不包含本人或其他人 在其它單位已申請(qǐng)學(xué)位或?yàn)槠渌猛臼褂眠^(guò)的成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究（設(shè) 計(jì)）所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了致。申請(qǐng)學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）與資料若有不實(shí)之處，本人愿承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：日期：學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明書(shū)本人完全了解學(xué)校有關(guān)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：在校期間所做論文（設(shè)計(jì)）工作 的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬

2、科技大學(xué)所有。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件 和電子版。本人允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨急緦W(xué)位論文（設(shè)計(jì)）的 全部或部分容并將有關(guān)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手 段保存和匯編本學(xué)位論文。論文待解密后適用本聲明。學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）作者簽名:指導(dǎo)教師簽名：年 月論文題目：無(wú)線型手機(jī)充電器設(shè)計(jì)專 業(yè)：自動(dòng)化本科生：添成（簽名）指導(dǎo)教師：王媛彬（簽名）摘要進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著智能手機(jī)功能越來(lái)越多，屏幕也越來(lái)越大，耗電量也就越來(lái) 越大，手機(jī)充電的頻率也就越來(lái)越高。數(shù)據(jù)線頻繁插拔讓人在充電過(guò)程中不勝其煩，不 僅如此，頻繁插拔容易引起充電接口損壞，

3、因此，需要更加便捷的手機(jī)充電方式。無(wú)線 充電是依靠磁場(chǎng)耦合原理將供電端電能傳給電池從而實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)的充電，這是一種新的 充電方式，克服傳統(tǒng)有線手機(jī)充電方式的弊端，可以讓充電更加的方便。本文對(duì)手機(jī)無(wú)線充電的原理、電路、磁場(chǎng)耦合進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種基于磁場(chǎng)耦合 諧振無(wú)線型手機(jī)充電器。本文研究的主要工作有：闡述用555定時(shí)器和初級(jí)耦合線圈組 成諧振電路，分析手機(jī)無(wú)線充電的需求，提出系統(tǒng)的主要的設(shè)計(jì)要求；設(shè)計(jì)手機(jī)無(wú)線充 電的主電路與諧振電路，選擇控制芯片的型號(hào)，并闡述手機(jī)無(wú)線充電的控制方法與流程; 提高手機(jī)無(wú)線充電的可靠性，本設(shè)計(jì)采用無(wú)線手機(jī)充電的方式是電磁感應(yīng)，系統(tǒng)有兩部 分組成發(fā)射部分與接收部分。本

4、設(shè)計(jì)在12V供電點(diǎn)電源，接收端可以在1.5cm左右輸出穩(wěn)定在4.2v電壓充電，從 而實(shí)現(xiàn)手機(jī)無(wú)線充電。并且，電路的發(fā)射端有保護(hù)功能，防止MOS被電壓擊穿與短路等 問(wèn)題。整個(gè)充電電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，基本的應(yīng)用水平已經(jīng)達(dá)到。關(guān)鍵詞：無(wú)線充電，磁場(chǎng)耦合，電路保護(hù)Subject： Design of the Wireless Charging System for Mobile PhonesSpecialty ： AutomationName： Cao Tiancheng(Signature) Instructor： Wang Yuanbin(Signature) ABSTRACTSince en

5、tering in twenty-first Century, with more and more smart phones, more and more screens, power consumption is also increasing, the frequency of mobile phone charging is also getting higher and higher. Data line of frequent plugging and let a person in charge of troublesome, not only so, frequent plug

6、ging is easy cause charging interface damage. Therefore, it is necessary to more convenient mobile phone charging. Wireless charging is to rely on the principle of magnetic coupling will power supply end of the power transmission to the battery so as to realize the charging of mobile phone, which is

7、 a new way of charging, overcome traditional wired mobile phone charging shortcomings, so that the charging more convenient.In this paper, the principle, circuit and magnetic field coupling of mobile phone wireless charging are studied, and a wireless phone charger based on magnetic field coupled re

8、sonance is designed. The main work of this paper: describes how to use 555 timer and primary coupling coil to form a resonant circuit. Analysis the needs of mobile wireless charging, put forward the system of the main design requirements; design mobile wireless charging main circuit and resonant cir

9、cuit, choose the model control chip, and expounds the mobile wireless charging control method and procedure; improve the reliability of the mobile wireless charging, this design uses the mobile wireless charging is electromagnetic induction. The system has two parts form the transmitting part and re

10、ceiving part.At 12V power supply point, the receiving end can be stable in the 1.5cm output voltage of 4.2V charging, so as to realize the wireless charging of mobile phone. In addition, the emission end of the circuit has the protection function, and prevents the MOS from being damaged by voltage a

11、nd short circuit. The whole charging circuit is simple in structure, stable in operation, and the basic application level has been reached.Key words： wireless charging, magnetic coupling, Magnetic couplin第一章緒論11.1 課題研究背景及意義 11.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 11.3 課題的主要研究容21.4 本章小結(jié)3第二章電磁感應(yīng)電能傳輸基本理論42.1 手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的基本原理42.

12、2 手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)52.2.1 能量發(fā)射端52.2.2 能量接收端62.3 需求分析及設(shè)計(jì)要求62.3.1 需求分析62.3.2 主要設(shè)計(jì)要求72.4 本章小結(jié)7第三章 手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 83.1 輔助電源83.2 手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)發(fā)射端83.2.1 震蕩電路設(shè)計(jì)83.3 手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)接收端113.3.1 整流變換電路113.3.2 手機(jī)無(wú)線充電接收端控制123.3.3 手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)耦合線圈143.4 本章小結(jié)14第四章 手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)仿真 164.1 信號(hào)調(diào)制電路的仿真驗(yàn)證164.2 本章小結(jié)19第五章手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)原邊線圈與副邊線圈設(shè)計(jì)205.1 線圈自感

13、的影響因素分析205.1.1 線圈尺寸分析 205.1.2 線圈線寬和線間距分析215.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證255.4 本章小結(jié)25第六章總結(jié)與展望266.1 全文總結(jié)266.2 展望26 27 28Bf寸 >3 31附錄B 33第1章緒論在大多數(shù)的電能應(yīng)用場(chǎng)合，主要還是經(jīng)過(guò)金屬導(dǎo)線直接傳輸，而目前.，另一種傳輸 方式:無(wú)線電能傳輸，正在慢慢的得到了應(yīng)用。1 . 1課題研究背景及意義進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著電子產(chǎn)品的增多，而每個(gè)電子產(chǎn)品都有自己有線充電器，非 常麻煩，而且充電的接口也容易壞。如果無(wú)線的方式進(jìn)行設(shè)備充電，既可以節(jié)約資源而 且便利，還減少設(shè)備的損壞率。同時(shí)，電子醫(yī)療的技術(shù)也不斷發(fā)展，研

14、制出了放在人體 的電子設(shè)備，進(jìn)行對(duì)人體的治療以及恢復(fù)，若是能夠以無(wú)線的方式，在體外安裝設(shè)備供 電，以避免重復(fù)手術(shù)給病人而帶來(lái)得痛苦，提高病人的生活質(zhì)量。隨著手機(jī)的功能越來(lái)越多，屏幕的尺寸也越來(lái)越大，耗電量也隨之增加。但是電池 卻跟不上電子設(shè)備的步伐。所以當(dāng)人們享受著電子設(shè)備所帶來(lái)便利的同時(shí)，還因?yàn)槌潆?的問(wèn)題而煩惱。隨之無(wú)線充電將會(huì)使消費(fèi)者歡迎。因?yàn)槊總€(gè)電子產(chǎn)品都會(huì)有自己的配備 充電器，充電器和數(shù)據(jù)線多，所以在充電器與數(shù)據(jù)線上消費(fèi)也是非常巨大，但是用無(wú)線 充電器就可以減少部分損失。另外，由于有線充電需要在電子設(shè)備上有充電口，經(jīng)過(guò)多 次插拔容易損壞，不僅是這樣，這個(gè)充電口還容易進(jìn)去一些雜物，在水

15、環(huán)境中容易發(fā)生 故障。而若采用無(wú)線充電，就可以避免這些問(wèn)題，廠家可以直接將接收端封裝在電子設(shè) 備里邊，實(shí)現(xiàn)手機(jī)安全、可靠、的充電，從而完美的簡(jiǎn)化人的生活，給消費(fèi)者更加生活 體驗(yàn)。無(wú)線充電的技術(shù)，是利用空間磁場(chǎng)的場(chǎng)感應(yīng)，也是電感耦合，將電能從發(fā)射端傳 送到手機(jī)用戶，通過(guò)多年發(fā)展推廣后，現(xiàn)在也很受關(guān)注。到二十世紀(jì)末期，隨著電子產(chǎn)品技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們更需要一種新的電 能傳輸方式，可以預(yù)見(jiàn)，隨著無(wú)線電傳輸技術(shù)不斷的成熟，會(huì)在生產(chǎn)和生活中得到更多 的應(yīng)用。1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)無(wú)線充電有廣闊的發(fā)展前景，無(wú)線充電幾乎可以應(yīng)用到人類的生活領(lǐng)域。首先，應(yīng) 用到小功率用電設(shè)備上MP3, MP4,

16、照相機(jī)，手機(jī)等等；應(yīng)用到家電設(shè)備上冰箱，電視 機(jī)，浴霸，抽油煙機(jī)等，都可以用無(wú)線充電來(lái)實(shí)現(xiàn)；然后，如電動(dòng)自行車，電動(dòng)公交車 和地鐵；最后，將無(wú)線充電技術(shù)與風(fēng)能，太陽(yáng)能，潮汐能等能源技術(shù)相結(jié)合起來(lái)。人類 對(duì)無(wú)線供電技術(shù)的設(shè)想，是出現(xiàn)在一百多年前，發(fā)明交流電機(jī)，著名克羅地亞物理學(xué)家 特斯拉當(dāng)初設(shè)想，用電磁共振技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸，而不是現(xiàn)在常用到的電磁感應(yīng) 達(dá)到無(wú)線供電，可惜由于當(dāng)時(shí)無(wú)線供電會(huì)大量的損失發(fā)電廠的利益，所以當(dāng)時(shí)都不同意 特斯拉研究無(wú)線供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。但是，人們對(duì)于無(wú)線電能傳輸都有無(wú)限的渴望。許多公司也看中了無(wú)線充電的市場(chǎng)。例如，美國(guó)的Palm公司推出了一種無(wú)線充電設(shè) 備“點(diǎn)金石”，“

17、點(diǎn)金石”是通過(guò)兩個(gè)線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，利用電磁感應(yīng)原理來(lái)實(shí) 現(xiàn)無(wú)線充電。當(dāng)今國(guó)的一些研究者還是在研究如何提高無(wú)線充電的電能傳輸?shù)男剩?如何提高無(wú)線供電的輸出功率。目前，無(wú)線供電技術(shù)沒(méi)有很大圍使用，因?yàn)檫€有比較多的的技術(shù)難題還沒(méi)有攻克：1 .相對(duì)于有線供電來(lái)說(shuō)，無(wú)線供電電能的傳輸?shù)男侍汀o(wú)線供電是因?yàn)闆](méi)有 用金屬導(dǎo)體直接作為電能的傳輸介質(zhì)，而是以空氣為介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。并且，其 中設(shè)計(jì)到電能和磁能的相互轉(zhuǎn)化，交流電和直流電的相互轉(zhuǎn)化，在這些電能與磁能轉(zhuǎn)化 的過(guò)程中與空氣介質(zhì)中損失的能量比較多。在理想情況下，能達(dá)到最大能量傳輸效率有 70%, 一般情況下無(wú)線電能傳輸效率可以達(dá)到50%

18、-60%或是更低。2 .有線供電傳輸距離可以達(dá)到幾百公里，但是無(wú)線供電不能達(dá)到這么遠(yuǎn)距離的供電, 現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)中可以達(dá)到最大的電能供電距離是2m左右。3 .想要大規(guī)模來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電，那么就會(huì)使人們生活四周都會(huì)有遍布電場(chǎng)與磁場(chǎng)。 人們長(zhǎng)時(shí)間在這樣的電場(chǎng)與磁場(chǎng)中會(huì)不會(huì)存在安全隱患，科學(xué)上還沒(méi)有給出一個(gè)確定的 答案。很多的科研單位與科研機(jī)構(gòu)已開(kāi)始研究這種新的能量傳輸，但是讓人遺憾的是， 無(wú)線供電還仍在剛剛起步階段。無(wú)線供電將會(huì)為人們解決一些目前遇到的一些能源問(wèn)題, 但想要將無(wú)線供電技術(shù)真正普及化，還需要一段路要走。盡管如此，現(xiàn)有一些實(shí)驗(yàn)的成 果讓人歡欣鼓舞，但是至少說(shuō)明在短距離，小功率用電設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)

19、無(wú)線充電。隨著科 學(xué)技術(shù)的不斷的發(fā)展與進(jìn)步，我相信，無(wú)線供電技術(shù)將會(huì)突破每一個(gè)難關(guān)，使人們用到 更節(jié)能的無(wú)線供電為人們提供更加便捷的生活方式。相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)，國(guó)的無(wú)線供電技術(shù)研究起步較晚。無(wú)線供電技術(shù)利用感應(yīng)耦合非 接觸式的電能傳輸，國(guó)有研究該技術(shù)主要有大學(xué)、郵電大學(xué)、電子科技大學(xué)、大學(xué)、工業(yè) 大學(xué)、海爾集團(tuán)等高校和企業(yè)。主要是對(duì)無(wú)線充電器電路結(jié)構(gòu)與補(bǔ)償電路做較詳細(xì)分析, 建立發(fā)射端回路閉環(huán)控制以使電路一直可以工作在諧振點(diǎn)的附近，從而提升整個(gè)無(wú)線電 能傳輸?shù)男省?duì)整個(gè)系統(tǒng)在單個(gè)負(fù)載與多個(gè)負(fù)載情況下而進(jìn)行建模的分析，并且用線 性負(fù)載為例對(duì)這個(gè)系統(tǒng)電路的參數(shù)變化與系統(tǒng)電壓增益變化之間的關(guān)系進(jìn)行探

20、究，給出 一種基于電壓的增益系統(tǒng)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)。對(duì)于無(wú)線充電的能量發(fā)射的線圈進(jìn)行分析研究， 分析線寬、線圈大小、線間距、匝數(shù)等對(duì)線圈自感與互感影響。1.3 課題的主要研究容交流220V市電整流濾波后進(jìn)行高頻逆變，逆變后高頻電壓在經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后線圈作用下 感應(yīng)耦合到二次接收線圈，在進(jìn)行整流濾波輸出直流電壓，該直流電壓進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換輸 出穩(wěn)定電流信號(hào)給手進(jìn)行充電。研究容具體如下：1) 一次側(cè)、二次側(cè)線圈采用加載電容補(bǔ)償方式；2)對(duì)一次側(cè)、二次側(cè)線圈電感及補(bǔ)償電容參數(shù)并進(jìn)行計(jì)算使一次、二次線圈諧振， 使傳輸效率最大化：3）充電負(fù)載變化時(shí)，諧振頻率保持穩(wěn)定，輸出電流保持恒流。1.4 本章小結(jié)本章主要描述本次課

21、題研究背景和研究意義，并且對(duì)目前國(guó)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 作詳細(xì)論述，由此得出本次課題研究的方向和目標(biāo)。同時(shí).,對(duì)本次課題的主要研究容作 了詳細(xì)的介紹。第2章電磁感應(yīng)電能傳輸基本理論本文在對(duì)手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的基本原理、基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中需求進(jìn)行分析，并提出主要的設(shè)計(jì)要求，為后面的研究和設(shè)計(jì)。2.1手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的基本原理本文研究手機(jī)無(wú)線充電技術(shù)是不通過(guò)物理連接，而是通過(guò)空間中的電磁場(chǎng)的變化來(lái) 將供電端的電能傳輸給手機(jī)電池的技術(shù)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)理論可知，導(dǎo)體在磁通量 變化的磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果該導(dǎo)體是閉合回路中的一部分，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電 流。電磁耦合式手機(jī)無(wú)線充電技術(shù)就

22、是根據(jù)這個(gè)原理工作的，與傳統(tǒng)變壓器工作原理類 似，區(qū)別在于變壓器的原邊線圈與副邊線圈之間耦合為緊耦合，即原邊線圈與副邊之間 耦合非常緊密，往往將原邊線圈與副邊線圈繞在同一個(gè)磁芯上，磁芯可以增加磁導(dǎo)通率 減少損耗，故變壓器的傳輸效率較高傳輸功率也可以做得很大，但是也正是由于原邊線 圈與副邊繞在同一個(gè)磁芯上，使得變壓器的原邊線圈與副邊位置相對(duì)固定，靈活性差； 而手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的原邊線圈與副邊之間采用松耦合，即原邊線圈與副邊線圈之間的 耦合比較弱，為了減小系統(tǒng)的體積和重量，通常不采用磁芯，而且原邊線圈與副邊線圈 之間位置不固定，副邊可以在一定圍自由移動(dòng)，但是由于空氣磁阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁芯，很大 一部分磁

23、動(dòng)勢(shì)降分布在空氣磁路上，導(dǎo)致傳輸效率偏低。由于松耦合結(jié)構(gòu)漏磁大、原邊 線圈和副邊線圈之間耦合系數(shù)小，所以不滿足變壓器原邊線圈與副邊線圈電壓和電流的 匝比關(guān)系。根據(jù)楞次定律和電磁感應(yīng)理論可知，可以通過(guò)提高原邊線圈電流變化率，即 提高原邊線圈電流頻率，來(lái)增強(qiáng)原邊線圈與副邊線圈之間的電磁感應(yīng)強(qiáng)度，以提高傳輸 功率密度，降低損耗，提高系統(tǒng)效率。但是頻率過(guò)高乂會(huì)增強(qiáng)電磁輻射，給電磁屏蔽設(shè) 計(jì)造成困難，所以一般還需對(duì)原邊能量發(fā)射機(jī)構(gòu)和副邊能量接收機(jī)構(gòu)的耦合線圈進(jìn)行補(bǔ) 償。因此，感應(yīng)耦合式無(wú)線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比普通變壓器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，其結(jié)構(gòu) 示意圖如圖2.1所示。圖2.1手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2.

24、1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖主要分為兩個(gè)部分，即能量發(fā)射部分和能量接收部分。 能量發(fā)射部分包括整流濾波環(huán)節(jié)、DC-DC變換環(huán)節(jié)高頻逆變環(huán)節(jié)和能量發(fā)射機(jī)構(gòu)。220V 的工頻交流電經(jīng)過(guò)整流濾波環(huán)節(jié)變換成穩(wěn)定的直流電，然后經(jīng)過(guò)DC-DC變換環(huán)節(jié)將電壓 調(diào)節(jié)到一個(gè)固定值供給高頻逆變電路，本文研究的手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)經(jīng)DC-DC變換后的 電壓為12V。高頻逆變電路將12V的直流電逆變成高頻交流電，供給能量發(fā)射機(jī)構(gòu)。能 量發(fā)射機(jī)構(gòu)由一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)組成，高頻電信號(hào)經(jīng)過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)后產(chǎn)生交變磁場(chǎng)分布在耦合 電感（線圈）附近的空間中，離耦合電感越近磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng)。能量接收端包括能量 接收機(jī)構(gòu)、能量換環(huán)節(jié)和用電設(shè)備。能量接收

25、機(jī)構(gòu)一般由一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)組成，該諧振網(wǎng) 絡(luò)中的振電感可以在發(fā)射端產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中拾取電能，轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的交流電，該電經(jīng) 過(guò)能量變換環(huán)節(jié)（如整流、濾波等）后，供給用電設(shè)備，本文中的用電設(shè)備手機(jī)電池。2. 2手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鋰電池?zé)o線充電是將現(xiàn)有的無(wú)線供電技術(shù)中的電磁感應(yīng)方式與現(xiàn)有的鋰 電池充電技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)兩個(gè)耦合線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的發(fā)送和接收。在電磁感應(yīng)方式實(shí) 現(xiàn)無(wú)線電能傳輸?shù)倪^(guò)程中，電能的發(fā)送和接收需要形成快速變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，快速變 化的電場(chǎng)是通過(guò)電能發(fā)射端所生成的高頻交流電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而高頻交流電是通過(guò)將市電 轉(zhuǎn)換為直流電再通過(guò)高頻逆變產(chǎn)生的。而在電能接收端，根據(jù)現(xiàn)有的鋰電池

26、充電理論， 本設(shè)計(jì)加入了一個(gè)鋰電池充電的控制電路，以確保鋰電池只能在處于合適的狀態(tài)下才能 進(jìn)行充電，并且在充電過(guò)程中，控制電路會(huì)根據(jù)充電過(guò)程是否出現(xiàn)異常以及電池是否已 經(jīng)充滿等具體情況控制整個(gè)充電過(guò)程。2.2 . 1能量發(fā)射端手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的能量發(fā)射端由整流濾波環(huán)節(jié)、DC-DC變換環(huán)節(jié)、高頻逆變環(huán)節(jié)、 諧振網(wǎng)絡(luò)、檢測(cè)電路和控制器組成。整流濾波環(huán)節(jié)由整流橋和濾波電路組成，整流橋的 作用是220V的工頻交流電轉(zhuǎn)換成單向波動(dòng)的直流電，其波動(dòng)的幅值仍然非常大。濾波電 路的作用就是將波動(dòng)較大的直流電轉(zhuǎn)換成比較平穩(wěn)的直流電。經(jīng)過(guò)整流濾波后的直流電還需經(jīng)過(guò)DC-DC變換電路后才能供給高頻逆變電路。 DC-

27、DC變換電路一方面使輸入到高頻逆變電路的電壓為設(shè)定的某一固定值，另一方面使 該電壓更加穩(wěn)定可控。手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)中使用的DC-DC變換電路實(shí)現(xiàn)的功能主要是 降壓，將經(jīng)過(guò)整流濾波后的直流電降為12V的穩(wěn)定直流電。把DC-DC變換電路的輸出（12V直流電）作為高頻逆變電路的輸入。高頻逆變電路 的作用是在控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，將12V直流電變換頻率為高頻交流電。這種高頻交流電 作用于諧振網(wǎng)絡(luò)后就會(huì)產(chǎn)生高頻的交變磁場(chǎng)，能量發(fā)射機(jī)構(gòu)和接受機(jī)構(gòu)之間的電能感應(yīng) 耦合就是通過(guò)這種高頻的磁場(chǎng)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此為能量發(fā)射機(jī)構(gòu)提供高頻交流信號(hào)的 逆變電路就是系統(tǒng)電路的關(guān)鍵部分之一，同時(shí)該逆變電路的效率和穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)

28、的 性能也有很大的影響。因此，要求逆變電路有如下特征：能為能量發(fā)射機(jī)構(gòu)提供足夠大的勵(lì)磁電流。只有發(fā)射機(jī)構(gòu)上的勵(lì)磁電流足夠大才 能允許發(fā)射端和接收端之間有一定的傳輸距離。具有較低的瞬間電壓峰值、損耗值。保持較低的瞬間電壓峰值有利于保證系統(tǒng)的 穩(wěn)定性，保持較低的損耗值有利于提高系統(tǒng)的傳輸效率。12V直流電經(jīng)過(guò)高頻逆變電路后輸出給發(fā)射端諧振網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射端的諧振網(wǎng)絡(luò)由耦合 電感和補(bǔ)償電容組成。由于手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的發(fā)射端線圈和接收端線圈耦合方式為松 耦合，兩個(gè)線圈之間存在一段空氣間隙，為了使系統(tǒng)保持較高的傳輸效率，減少損耗， 除了采用高頻逆變電路提高發(fā)射線圈電流頻率外，還需采用電容補(bǔ)償，補(bǔ)償電容可以與

29、發(fā)射線圈串聯(lián)或并聯(lián)。檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)DC-DC變換電路的輸出電壓，檢測(cè)結(jié)果傳送到控制器，使控制 器根據(jù)當(dāng)前的檢測(cè)結(jié)果做出合適的控制決策；檢測(cè)電路主要檢測(cè)發(fā)射線圈工作電流，檢 測(cè)結(jié)果傳輸?shù)娇刂?。檢測(cè)發(fā)射線圈的工作電流一方面可以了解發(fā)射端電路當(dāng)前的工作狀 態(tài)，便于控制器計(jì)算控制誤差，以實(shí)現(xiàn)更精確的控制；另一方面可以了解系統(tǒng)的工作是 否正常，一旦檢測(cè)到發(fā)射線圈電流超過(guò)正常圍，則可以馬上使系統(tǒng)停止工作。因此對(duì)于 發(fā)射線圈電流的檢測(cè)要求有較高的快速性和準(zhǔn)確性。除了以上介紹的幾個(gè)模塊之外，發(fā)射端還有一個(gè)非常重要的模塊，即控制模塊。發(fā) 射端電路控制模塊包含兩個(gè)控制器，LM317為DC-DC變換電路的控制器，

30、通過(guò)控制 DC-DC變換電路控制器用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，使其穩(wěn)定在12Vo2.3 .2能量接收端由2.1節(jié)可知，能量接收端由諧振網(wǎng)絡(luò)、AC-DC變換模塊、控制模塊和用電設(shè)備組 成。接收端的諧振網(wǎng)絡(luò)主要作用為從發(fā)射端諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中拾取電能，并將 該電能轉(zhuǎn)換為高頻交變電流。與電能發(fā)射端的諧振網(wǎng)絡(luò)類似，為了增強(qiáng)電能拾取能力， 提高系統(tǒng)傳輸效率，電能接收端的諧振網(wǎng)絡(luò)也采用了補(bǔ)償電容，即該諧振網(wǎng)絡(luò)也由一個(gè) 耦合電感和補(bǔ)償電容組。AC-DC變換模塊用于將接收線圈接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)換成較為平穩(wěn)的直流電，并 輸送給用電設(shè)備。隨信號(hào)波形的變化而變化。常用的信號(hào)調(diào)制電路有電容式調(diào)制電路和電阻式調(diào)制電

31、 路。接收端的控制器是接收端的重要組成部分，監(jiān)視用電設(shè)備電池的充電狀態(tài)，并根據(jù) 這些狀態(tài)做出相應(yīng)的反應(yīng)，控制接收端的指示燈的工作狀態(tài)。2. 3需求分析及設(shè)計(jì)要求2.3.1需求分析如今隨著智能手機(jī)的普及，手機(jī)電量消耗快，充電次數(shù)逐漸增多，每次都要使用 數(shù)據(jù)線進(jìn)行充電不免有些麻煩，本文研究的手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)可以隨放隨充，隨取隨 停，大方便了充電過(guò)程，不需要用手機(jī)的時(shí)候就把手機(jī)放在充電板上進(jìn)行充電，需要 用的時(shí)候只要拿起來(lái)可以停止充電過(guò)程，不僅可以保證手機(jī)電量 充足，也可以讓人免 受邊充電邊打所遭受的輻射。本文設(shè)計(jì)的手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)要求電能發(fā)射端小巧、輕薄，放置在桌面上不占空間, 或者可以方便的嵌入

32、安裝在公共場(chǎng)合的桌面上；要求電能接收端嵌入到手機(jī)部而不明 顯地增加手機(jī)的體積和重量；要求手機(jī)無(wú)線充電器發(fā)射端可以自動(dòng)識(shí)別手機(jī)并對(duì)其進(jìn) 行充電，當(dāng)不需要充電時(shí)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式；要求手機(jī)充電異常時(shí)有適當(dāng)?shù)奶崾荆灰?充電過(guò)程中輸出電壓穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)手機(jī)電池造成損害；要求在充電過(guò)程中，線圈溫度不 能過(guò)I司O2. 3. 2主要設(shè)計(jì)要求設(shè)手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下： 發(fā)射端的輸入為220V工頻交流電； 接收端輸出電壓為穩(wěn)定的4.2V直流電，額定輸出電流為0.5A；工作在額定狀態(tài)時(shí)，有較高的傳輸效率； 不同的工作狀態(tài)有不同的指示燈提示；2. 4本章小結(jié)本章首先對(duì)手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的基本工作原理進(jìn)行分析，然

33、后分別介紹了手機(jī)無(wú)線 充電器發(fā)射端和接收端的基本結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的功能，最后對(duì)手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的需求進(jìn)行 了分析并闡述了系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)要求。第3章 手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)主要分為發(fā)射端和接收端兩部分，發(fā)射電路主要是由整流濾波電 路、DC-DC變換電路、高頻逆變電路和諧振網(wǎng)絡(luò)組成，接收端電路主要由諧振網(wǎng)絡(luò)、整 流濾波電路和負(fù)載組成。整流濾波技術(shù)和DC-DC變換技術(shù)已比較成熟，故本文電路設(shè) 計(jì)的重點(diǎn)為高頻逆變電路和諧振網(wǎng)絡(luò)電路。2.1 輔助電源正常穩(wěn)定的工作，都需要使用合適的直流電為其供電，因此，有必要在對(duì)主體電路 需要經(jīng)過(guò)整流、濾波等階段，并且，還應(yīng)考慮到電壓的穩(wěn)定性問(wèn)題，因此還必

34、須有合適 的變壓電路和穩(wěn)壓電路等。人們習(xí)慣上把實(shí)現(xiàn)這種穩(wěn)定供應(yīng)直流電壓和電流功能的電路 通稱直流穩(wěn)壓電路?，F(xiàn)在常用的直流穩(wěn)壓電路有兩個(gè)種類，一類是調(diào)整管工作在線性狀 態(tài)下，成本低，紋波小，但是工作效率也較低的線性穩(wěn)壓電源。另一類叫做開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓 電源。本課題所設(shè)計(jì)的電源主要有給振蕩電路提供的5V直流電和給功放電路提供的12V 直流電。其主要組成部分有變壓器、橋式整流電路和濾波電路。首先接220V交流電，經(jīng) 變壓器降壓，然后由橋式整流電路進(jìn)行全波整流，經(jīng)電容濾波后，將得到的直流進(jìn)行穩(wěn) 壓（DCDC轉(zhuǎn)換）。由于振蕩電路的工作電壓為5V，且功放電路的工作電壓為12V。變 壓器選擇輸出100W, 15V

35、和8V的環(huán)形變壓器；整流管選擇3A肖特基二極管IN4007； 電源轉(zhuǎn)換芯片可選用三端可調(diào)的穩(wěn)壓器LM317。輔助電源（以正12V穩(wěn)壓為例）的系框 圖如圖3.1所示。GNT圖3.1穩(wěn)壓電源原理圖3. 2手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)發(fā)射端3.1.1 震蕩電路設(shè)計(jì)采用NE555構(gòu)成頻率可調(diào)的多諧振蕩器。555計(jì)時(shí)IC芯片是一款使用時(shí)間十分久遠(yuǎn), 使用圍十分廣泛,設(shè)計(jì)方案十分成熟的計(jì)時(shí)IC芯片。而NE5十是555計(jì)時(shí)IC芯片大家 族中的一個(gè)型號(hào)。與其它的計(jì)時(shí)IC芯片相比，NE555有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。比如，NE555 不僅可以作為定時(shí)器使用，還可以作為施密特觸發(fā)器使用，并且還不需另外的元器件。 此外，當(dāng)NE555用來(lái)

36、輸出PWM波時(shí)其外圍電路十分簡(jiǎn)單，其本身的工作也十分穩(wěn)定。 NE555可穩(wěn)定輸出1MHz以下的方波，并且占空比可調(diào)，電路調(diào)試容易，成本較低。NE555 的缺點(diǎn)是不帶電路保護(hù)功能，PWM波輸出需另接驅(qū)動(dòng)電路，且不具備任何擴(kuò)展功能。NE555計(jì)時(shí)IC芯片一共有8個(gè)引腳。1腳是芯片的公共地端；2腳是一個(gè)觸發(fā)端，當(dāng)2腳電壓處于VCC/3到2VCC/3之間時(shí)，NE555才能啟動(dòng)其 時(shí)間周期；3腳是輸出端，在本設(shè)計(jì)中最終輸出的PWM波信號(hào)就是經(jīng)由3腳輸出的；4腳是重新置位端，其工作原理是當(dāng)輸入此端口的電平是一個(gè)低電平時(shí)，系統(tǒng)置位;5腳是控制電壓端口，此端口的作用是通過(guò)調(diào)整輸入到此端口的電壓，可以調(diào)整輸 出

37、PWM波的頻率；6腳是重置鎖定端口；7腳是放電端口；8腳則是整個(gè)系統(tǒng)的供電端口，當(dāng)VCC的值為4.5V76V之間時(shí)，芯片才能正常工 作。本設(shè)計(jì)是想利用NE555芯片輸出PWM波，從而驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)MOS管的開(kāi)閉。而PWM 波可以看作是無(wú)數(shù)個(gè)高電平和低電平相互轉(zhuǎn)換所形成的一種波形。因而此時(shí)NE555不應(yīng) 工作在穩(wěn)態(tài)而是應(yīng)該工作在振蕩狀態(tài)。此外，系統(tǒng)在輸出高電平和輸出低電平兩個(gè)狀態(tài) 下來(lái)回切換，是依靠其自身的激勵(lì)，系統(tǒng)最后呈現(xiàn)出的實(shí)際上是一種無(wú)穩(wěn)態(tài)的電路，一 旦上電開(kāi)始工作，系統(tǒng)就通過(guò)在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的不停切換中輸出PWM波。僅僅需要兩個(gè) 電阻和兩個(gè)電容，NE555汁時(shí)IC芯片就能構(gòu)成振蕩器電路結(jié)構(gòu)。此時(shí)振

38、蕩器能夠自激工 作是通過(guò)向振蕩電容C來(lái)回的充電和放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)，將NE555的2腳和6腳相連 并與振蕩電容的非接低端連在一起，這樣就能通過(guò)振蕩電容電壓的變化使系統(tǒng)在2/3 Vcc 觸發(fā)和1/3 Vcc觸發(fā)來(lái)回轉(zhuǎn)換。一開(kāi)始，當(dāng)系統(tǒng)剛剛上電時(shí)，VCC通過(guò)電阻向振蕩電容 充電，此NE555輸出端口輸出為高電平；當(dāng)振蕩電容的電壓達(dá)到高電平出發(fā)的閥值時(shí)， 振蕩電容該由通過(guò)電阻R2進(jìn)行放電，此時(shí)NE555輸出端口輸出為低電平，如此來(lái)回反 復(fù)，從而達(dá)到振蕩的效果，電路圖如3.3所示。R5D1 IkQn 1N4733A , R6I ' ' - VA ioon12.0V欄：R3 2200Q1

39、8050Q28550 1/I 0RST OW7.&：5TTRTHZ . Alcoxvcc : D fi E kLicon：圖3.4 NE555構(gòu)成發(fā)射端電路圖 3.6 所示，已知 f=1.44/(Rl+2R2)Cl,設(shè)：f=128KHz,確定 RI； R2； C1 之值信號(hào), 輸出占空比約等于2/3的方波，所以使高頻振蕩電路的工作與間歇時(shí)間比也等于2/3。為 了能在小功率的推動(dòng)下也能輸出足夠大的高頻功率，輸出級(jí)選用場(chǎng)效應(yīng)管IRF460,場(chǎng)效 應(yīng)管是一種電壓控制器件，原則上不消耗激勵(lì)功率，但它的極間輸入、輸出電容很大， 如果直接接到555的輸出端，會(huì)因?yàn)?55電路的輸出電流很小而使波形的

40、上升時(shí)間和下 降時(shí)間變大，而導(dǎo)致效率下降。所以我還在555電路的后面加了一對(duì)互補(bǔ)的三極管，此 互補(bǔ)管接成射極輸出，具有極小的輸出電阻，可以使方波的上升和下降時(shí)間大大減小。 加上了這級(jí)電路后效率提高。555產(chǎn)生的高頻信號(hào)再通過(guò)C3和R3組成的耦合電路之后 被功率開(kāi)關(guān)管功放放大后，的高頻信號(hào)通過(guò)LI C8組成的諧振電路發(fā)射出去，諧振功率 放大器由LC并聯(lián)諧振回路和開(kāi)關(guān)管IRF460構(gòu)成。當(dāng)源、漏極接有電感性負(fù)教時(shí)，管 子截止時(shí)電感電流不能突變，D2用這個(gè)二極管續(xù)流。防止高壓擊穿管子。由NE555構(gòu) 成多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率為400KHz,占空比為60%的方波信號(hào)，通過(guò)MOS管的開(kāi)關(guān)作 用，將+12V

41、直流信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流信號(hào)，再通過(guò)LC諧振網(wǎng)絡(luò)將能發(fā)射出去。3. 3手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)接收端3.3.1 整流變換電路對(duì)于無(wú)線電能傳輸?shù)慕邮斩司€圈的整流變換電路結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。其工作原理與前 文的整流濾波電路相同，同樣采用單相橋式整流電路，后接濾波電容。利用二極管的單 向?qū)ㄌ匦?，用四個(gè)相同的二極管排列成橋式結(jié)構(gòu)，達(dá)到將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷哪康?。圖3.5整流變換電路結(jié)構(gòu)圖3. 3. 2手機(jī)無(wú)線充電接收端控制整流濾波后的電壓經(jīng)過(guò)TL413和Q18050組成恒壓充電電路給手機(jī)充電。TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩 個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從2.5V到36V國(guó)

42、的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2 Q , 在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源， 開(kāi)關(guān)電源等等。封裝引腳圖如圖3.6所示。SymboliReference(R)CtncaeRepresentative Block Diagram圖3.6TL431符號(hào)及部方框圖Caihode的負(fù)極TL431特點(diǎn): 可編程輸出電壓為36V 電壓參考誤差：±0.4% 低動(dòng)態(tài)輸出阻抗，典型0.22 Q 負(fù)載電流能力1.0mA到100mA 等效全圍溫度系數(shù)50ppm/C典型 溫度補(bǔ)償操作全額定工作溫度圍 低輸出噪聲電壓圖3.7接收端電路接收端電路圖如圖3.7所示，L

43、2是次級(jí)耦合線圈，（1mm漆包線密繞15圈實(shí)測(cè)電感 值約為66uH）的耦合被無(wú)線傳送到次級(jí)接收電路，高頻交流信號(hào)通過(guò)FR107高速整流管 整流后，c4/c5濾波，D1穩(wěn)壓后變成5V直流電能電壓,TL413和Q18O5O組成恒壓充電電 路給3.7V的鋰電池進(jìn)行充電，充電指示紅LED燈亮TL413為Q1基極提供基準(zhǔn)電壓當(dāng) 充電池充滿時(shí)電壓超過(guò)一定量鳧，Q1導(dǎo)通Q2也導(dǎo)通從而點(diǎn)亮led綠燈。R1是取樣電阻, R2R4分壓電阻調(diào)整R4阻值值到基準(zhǔn)電壓，R5為限流電阻，調(diào)整它可以得到不同的充 電電流.3. 3. 3手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)耦合線圈振蕩線圈按要求用直徑13cm 1mm的漆包線密繞10圈，接收線圈1

44、3cm 1mm的漆 包線密繞15圈實(shí)測(cè)電感值約為32uH。當(dāng)功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵(lì)信號(hào) 頻率相同時(shí).，功率放大器發(fā)生諧振，此時(shí)線圈中的電壓和電流達(dá)最大值，從而產(chǎn)生最大 的交變電磁場(chǎng)。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈靠近時(shí)，在接收線圈中產(chǎn)生感生電壓，當(dāng)接收線 圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時(shí)產(chǎn)生諧振，電壓達(dá)最大值。實(shí)際上，發(fā)射線圈回路 與接收線圈回路均處于諧振狀態(tài)時(shí)，具有最好的能量傳輸效果。4. 4本章小結(jié)本章首先介紹了常用的高頻逆變電路和諧振網(wǎng)絡(luò)，分析了各種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，并根據(jù) 手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的實(shí)際需求確定了合適的電路分析。完成了發(fā)射端和接收端的控制芯 片選型，闡述了手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的控制方

45、法以及電能傳輸各個(gè)階段的控制目標(biāo)，然后 詳細(xì)地分析了發(fā)射端的控制流程，設(shè)計(jì)了發(fā)射端的電源控制電路、發(fā)射線圈電路和逆變 器輸入電壓電路，最后詳細(xì)地分析了接收端的控制流程。第4章 手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)仿真為了使手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的接收端接收端之間有能量傳輸，為此，本章首先設(shè)計(jì)了 接收端的調(diào)制電路，最后用MULisiml3.0對(duì)信號(hào)調(diào)制電路進(jìn)行了仿真分析。4.1 信號(hào)調(diào)制電路的仿真驗(yàn)證由于這次仿真是電磁感應(yīng)結(jié)構(gòu)的仿真，為了得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果，在仿真時(shí)對(duì)一些 輔助電路做了處理。在電路的發(fā)射端，220V交流電經(jīng)過(guò)整流電路得到直流電的部分直接 用一個(gè)12V理想直流源代替。PWM波產(chǎn)生電路及驅(qū)動(dòng)電路用一個(gè)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)

46、方波的信號(hào) 發(fā)生器代替。在電路的接收端，電池部分由一個(gè)負(fù)載代替，仿真原理圖如下所示：為了 驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)制電路的調(diào)制效果，用MULisiml3.0對(duì)其進(jìn)行仿真，仿真模型如圖 4.1所示。圖4.1仿真圖在仿真中一個(gè)最讓人感興趣的問(wèn)題是例如像線圈相對(duì)位置，線圈相對(duì)距離等一系列 實(shí)際中可能出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)接收端能量接收的影響到底如何，而仿真軟件無(wú)法直接模擬這 些實(shí)際情況，因此，可以通過(guò)設(shè)定耦合系數(shù)的值來(lái)模擬這些現(xiàn)實(shí)中可能遇到的問(wèn)題。由 于電磁感應(yīng)方式屬于松耦合方式，松耦合方式的耦合系數(shù)一般在0.3-0.7之間，因此，在 所有的仿真結(jié)果中，取耦合系數(shù)k=0.3, k=0.7兩組數(shù)據(jù)來(lái)比較最具有代表意義

47、。仿真結(jié)果 如下：（1）取k=0.7此時(shí)，發(fā)射端電源功率如下所示:.FME圖4.2 k=0.7時(shí)發(fā)射端電源功率由圖可知，此時(shí)電源的瞬時(shí)功率會(huì)根據(jù)開(kāi)關(guān)管的閉合和斷開(kāi)而相應(yīng)變化。而接收端負(fù) 載功率為：圖4.3k=0.7時(shí)接收端端負(fù)載功率由圖可知，在12V直流供電下，開(kāi)關(guān)管頻率為40kHz時(shí)，當(dāng)電路工作穩(wěn)定后，接收 端負(fù)載的的負(fù)載功率約為1.45 Wo(2)取k=0.3此時(shí)，發(fā)射端電源功率如下所示:W(V2)TIME圖4.4 k=0.3時(shí)發(fā)射端電源功率由圖可知，此時(shí)電源的瞬時(shí)功率會(huì)根據(jù)開(kāi)關(guān)管的閉合和斷開(kāi)而相應(yīng)變化。而接收端 負(fù)載功率為：但 0.1s0.250.350.450.5s0.6s0 ,九0.

48、8s 0為 1.0sW(R2)TIME圖4.5 k=0.3時(shí)接收端負(fù)載功率當(dāng)電路工作穩(wěn)定后，接收端負(fù)載的的負(fù)載功率約為70mW,此時(shí)，接收端由于接收 到的功率太小，已經(jīng)無(wú)常工作。5. 2本章小結(jié)山電路仿真可以看出，通過(guò)電磁感應(yīng)方式實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸在理論上是可 行的。此外，線圈的耦合系數(shù)直接影響著接收端接收能量的效果，隨著耦合系數(shù) 的變小，電能傳輸效率會(huì)大幅度下降，在實(shí)際的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)盡可能的減小電能在 傳輸過(guò)程中的損耗。160101214161820內(nèi)徑(mm)圖5.2自感隨徑變化曲線2010/2 S 12/2714/2916/3118/322O/3S內(nèi)徑/外徑(mm)圖5.3自感隨線圈尺寸的

49、變化曲線由圖5.1, 5.2和5.3可以看出，當(dāng)線圈的徑不變時(shí)，隨著外徑的增大，線圈自感幾乎 保持不變；當(dāng)線圈外徑不變，隨著線圈徑的增大，線圈自感也隨之增大；當(dāng)線圈的徑和 外徑同步增大時(shí)，線圈的自感也隨之增大。由此可見(jiàn)線圈尺寸對(duì)自感的影響大于線圈外 尺寸，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般將允許的最大尺寸作為線圈的外尺寸，而尺寸則還需根據(jù)布 線的線寬、線間距和匝數(shù)來(lái)確定。6. 1.2線圈線寬和線間距分析本節(jié)分兩種情況對(duì)線圈的匝數(shù)影響進(jìn)行分析：線圈的尺寸和外尺寸保持不變，通過(guò) 改變線寬來(lái)改變?cè)褦?shù)；線圈的線寬保持不變，尺寸隨著匝數(shù)的增多而變小。分別對(duì)這兩 種情況進(jìn)行仿真分析，得到的結(jié)果如表5.1和5.2所示。仿真

50、模型為圓形線圈，其外半徑 固定為35mmo表5.1圓形線圈外半徑不變時(shí)線圈自感與線圈匝數(shù)的關(guān)系線寬（mm）內(nèi)徑（mm）匝數(shù)自感（uH）0.80201514.280.74201616.240.68201718.340.63201820.560.59201922.910.5520202538表5.2圓形線圈外徑和線寬不變時(shí)線圈自感與匝數(shù)的關(guān)系線寬（mm）內(nèi)徑（mm）匝數(shù)自感（uH）0.8201514.280.8191615.340.8181718.260.8171818.580.8161917.950.8152017.16由表5.1可以看出，當(dāng)線圈的外半徑固定不變，通過(guò)改變線圈的線寬來(lái)改變線圈匝數(shù)

51、 時(shí)（這里假設(shè)布線寬度可以隨意選擇，不用考慮線圈的載流能力），線圈的自感隨著線 圈的匝數(shù)增加而增大。由表5.2可以看出，當(dāng)線圈的外徑和線寬保持不變，通過(guò)使線圈的半徑減小來(lái)增加圈 數(shù)時(shí)，線圈的自感隨匝數(shù)的增加先變大后變小。其原因是由于線圈徑的減小會(huì)使其自感 值變小，當(dāng)徑小到一定程度后，其變化對(duì)自感的影響程度會(huì)超過(guò)匝數(shù)對(duì)自感的影響，因 而使線圈自感變小。5.2線圈之間互感的影響因素分析影響線圈之間的互感的主要因素為兩線圈之間垂直距離、中心點(diǎn)水平距離以及兩線 圈各自的自感。線圈間的垂直距離和中心點(diǎn)水平距離示意圖如圖5.4和5.5所示。T垂直距離圖5.4線圈間垂直距離水平距離圖5.5線圈間水平距離通過(guò)

52、對(duì)兩個(gè)參數(shù)完全相同且同軸的圓形線圈進(jìn)行仿真，可得線圈間的垂直距離與互 感的關(guān)系曲線如圖5.6所示。o O o OG5.00 3.30JU*4100 互感23456線圖間垂直距離/mm圖5.6垂直距離對(duì)互感的影響通過(guò)對(duì)兩個(gè)參數(shù)完全一樣的線圈進(jìn)行仿真，使它們之間的垂直距離固定為3mm,得 到中心點(diǎn)之間的水平距離和互感的關(guān)系曲線如圖5.7所示。OOOOOOOU 2O8G42OU0 5.工，4.44.73.圖5.7水平距離對(duì)互感的影響對(duì)兩個(gè)同軸放置且垂直距離固定為3mm的圓形線圈進(jìn)行仿真，得到其自感對(duì)互感的 影響曲線如圖5.7所示，仿真模型中兩個(gè)線圈的自感同時(shí)變化。111圖5.6, 5.7, 5.8可

53、以看出，線圈間的互感隨著線圈間垂直距離和水平距離的增大 而變小，隨著線圈自感的增大而增大。由于手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)在用過(guò)程中兩個(gè)線圈間的 垂直距離一般固定，其大小由發(fā)射端上表面的厚度和手機(jī)背的厚度確定，一般為3mm左 右，故在線圈設(shè)計(jì)時(shí)，一般按照垂直距離為3mm來(lái)考慮。由于線圈之間的水平距離對(duì)互 感也有較大影響，因此在充電系統(tǒng)發(fā)射端的表面應(yīng)該有明顯可見(jiàn)的標(biāo)記來(lái)引導(dǎo)用戶將接 收備放置在合理的位置（即發(fā)射線圈上方），而在設(shè)計(jì)時(shí)一般只考慮兩線圈同軸的情況。 當(dāng)線圈的垂直距離和水平距離都定了以后，主要考慮線圈自感對(duì)互感的影響，通過(guò)增大 線圈的自感來(lái)增加互感，直到線圈間的傳輸效率滿足要求。5. 3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)

54、射端的輸入為220V, 50Hz的交流電。放置在發(fā)射端上面的為接收端，接收端通 過(guò)接收線圈拾取到電能后，通過(guò)整流濾波形成穩(wěn)定的4.2V直流電給手機(jī)電池充電。圖5. 9充電實(shí)物圖圖5.9中的接收端帶有手機(jī)充電接口，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)一般將輸出端直接接到手機(jī) 上。5. 4本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了一種適用于手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的線圈。首先分析線圈的參數(shù)對(duì)其自感和 互感的影響，得出了線圈的自感和互感隨線圈的形狀、尺寸、線寬、線間距和匝數(shù)等參 數(shù)的變化曲線，并在此基礎(chǔ)上給出了線圈的設(shè)計(jì)流程，最后以手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的接收 端線圈為例，設(shè)計(jì)了一個(gè)具體的線圈。第6章總結(jié)與展望6. 1全文總結(jié)本文通過(guò)將電磁感應(yīng)原理，高頻開(kāi)關(guān)

55、技術(shù)與鋰電池充電技術(shù)相結(jié)合，成功設(shè)計(jì)出一種 適用于小功率，便攜式電子產(chǎn)品的鋰電池?zé)o線充電模塊。用NE555實(shí)現(xiàn)了頻率和占空 比可調(diào)的PWM波輸出功能。有效的避免了發(fā)射電路出現(xiàn)短路，電流過(guò)大，尖峰電壓擊 穿功率MOS管等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。在電路接收端，實(shí)現(xiàn)了充電電壓穩(wěn)壓，充電電流可調(diào) 功能，設(shè)計(jì)出的鋰電池?zé)o線充電模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，成本低廉，線充電和無(wú)線供 電技術(shù)現(xiàn)在還處于剛剛起步的階段，有許多現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題還沒(méi)有解決。例如傳輸距離問(wèn)題, 傳輸功率問(wèn)題，以及電磁輻射對(duì)人和其他物體是否有負(fù)面的危害等等都尚無(wú)定論。此外，成本過(guò)高以及工藝要求較高也對(duì)無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)商業(yè)化帶來(lái)了很大的 困難。但是盡管

56、如此，我們?nèi)阅芸吹綗o(wú)線充電技術(shù)帶來(lái)的技術(shù)革命和巨大的商業(yè)價(jià)值。 擺脫電線的束縛，實(shí)現(xiàn)接口的統(tǒng)一，在未來(lái)，當(dāng)智能控制系統(tǒng)，太陽(yáng)能供能技術(shù)以及無(wú) 線供電技術(shù)本身取得長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步之后，人類或許能實(shí)現(xiàn)直接從太陽(yáng)獲取可用能量 的夢(mèng)想。可以預(yù)見(jiàn)的是，無(wú)線供電技術(shù)將對(duì)人類的未來(lái)產(chǎn)生巨大的影響，將在各個(gè)人類 活動(dòng)的領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。7. 2展望雖然本文所設(shè)計(jì)的手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)已滿足工程要求，但仍有一些不足之處有待改 進(jìn)，后續(xù)可以改進(jìn)的地方主要有：通信信號(hào)調(diào)制問(wèn)題。本文采用幅值調(diào)制方法將通信信號(hào)調(diào)制到能量上進(jìn)行傳輸，這 難免會(huì)影響系統(tǒng)的傳輸效率，未來(lái)可以嘗試采用別的方法來(lái)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，使信號(hào)傳輸 對(duì)能量傳輸不產(chǎn)生影響；線圈的阻問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的線圈雖然已滿足設(shè)計(jì)要求，但其阻還是比繞線線圈大, 未來(lái)可以嘗試增加板的層數(shù)或改變各層銅箔之間的連接方式等來(lái)降線圈的阻并使其維持 一定的自感。致此次畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲，在這半年中，我有付出，也有收獲，經(jīng)歷了許多，學(xué)會(huì) 了許多，也成長(zhǎng)了許多。在此，我要感我的母校，感我的老師，感陪伴我的同學(xué)們，感 我的家人。我首先要感的是王媛彬老師。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，王媛彬老師傾注了