筆記本實(shí)用無線充電器設(shè)計(jì)

1、實(shí)用無線充電器設(shè)計(jì)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(tái)上即可對其進(jìn)行充電。實(shí)驗(yàn)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(gè)校電器放置于同一充電平臺(tái)上同時(shí)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(shí)現(xiàn)能量的傳遞。如圖1 所示，系統(tǒng)工作時(shí)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(jí)繞組。通過2 個(gè)電感線圈耦合能量，次級(jí)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(gè)電源的貯備 功率要求在 70W以上，這是一個(gè)瓶頸值。在這個(gè)有線電源的功率接近極限值的情況下，要用無線電源來實(shí)現(xiàn)與有線電源相同的供電和充電功能，無疑是一個(gè)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(gè)封閉系統(tǒng)，那么無線供電必須是一個(gè)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(qiáng)大功率的磁場下，渦流可能會(huì)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(shí)，由于巨大的電磁輻射，可能會(huì)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(gè)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(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(gè)實(shí)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(gè)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(gè)約300V 的直流電壓，這個(gè)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(gè) 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(gè)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(gè)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(bǔ)償輸入和輸出端，C1 為輸入電容，L1 和 L2 為兩個(gè)串聯(lián)的接收線圈，也可以用一個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)的，根本沒有空間來放置無線電源的接收電路，因此，若要實(shí)用，必須通過工程設(shè)計(jì)來調(diào)整筆記本電腦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但作為實(shí)驗(yàn)，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(huì)產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，電磁爐就是利用這個(gè)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?，隔離層可以用反波材料，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(huì)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(gè)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(gè)孔，用于安裝風(fēng)扇。當(dāng)然還得裝上 4 個(gè)膠質(zhì)腳墊，同時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)取下，以便為接收模塊留出空間，要使用光驅(qū)時(shí)，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(gè)位置的電鍍層被刮去后不會(huì)影響筆記本電腦的使用，因?yàn)楣怛?qū)本身是金屬結(jié)構(gòu)，當(dāng)光驅(qū)插回去后，就彌補(bǔ)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?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)際上是一個(gè)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(dú)考慮其中的任何一個(gè)問題都是沒有實(shí)際意義的。比如，渦流的處理實(shí)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(gè)首要問題，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)直接影響到無線電源的的實(shí)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(shí)現(xiàn)了無線供電和無線充電的功能。實(shí)測結(jié)果見附表。附 表項(xiàng)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