手機(jī)無(wú)線充電器設(shè)計(jì)

1、手機(jī)無(wú)線充電器設(shè)計(jì) 摘 要隨著科技的進(jìn)步，智能手機(jī)得到了普及，極大地豐富了人們的日常生活，帶來了許多樂趣。但是智能手機(jī)在使用的過程當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)手機(jī)耗電快，電池續(xù)航短，連續(xù)充電給手機(jī)造成損害以及充電寶過于笨重?cái)y帶不方便的現(xiàn)象。所以急需要對(duì)手機(jī)充電器進(jìn)行優(yōu)化，本文主要研究了手機(jī)無(wú)線充電器的設(shè)計(jì)，主要從電能發(fā)射部分、充電部分、以及電能接收部分來設(shè)計(jì)，其次還包括各個(gè)電路模塊設(shè)計(jì)，綜合應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的作用，旨在給人們提供更優(yōu)質(zhì)的手機(jī)體驗(yàn)。關(guān)鍵詞：手機(jī)，無(wú)線充電器，電磁感應(yīng)，調(diào)試目 錄摘 要2第1章 緒論51.1 研究現(xiàn)狀51.2 功能及意義5第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)62.1 工作原理62.1.1

2、 電磁感應(yīng)式無(wú)線充電62.1.2 磁共振式無(wú)線充電62.1.3 無(wú)線電波方式72.1.4 電場(chǎng)耦合式72.2 解決方案選擇83.1 無(wú)線充電器原理與結(jié)構(gòu)93.2 電能發(fā)送部分電路設(shè)計(jì)93.2.1 高頻振蕩電路模塊93.2.2 功率放大模塊93.2.3 發(fā)射模塊103.2.4 電路設(shè)計(jì)103.3 電能接收轉(zhuǎn)換以及充電部分電路設(shè)計(jì)113.3.1 接收電路113.3.2 控制電路113.3.3 電路設(shè)計(jì)124.1 電能發(fā)射部分134.2 電能接收與充電部分134.2.1 充電過程134.2.2 停止充電過程14第5章 系統(tǒng)測(cè)試與分析155.1 調(diào)試155.1.1 調(diào)工作頻率155.1.2 調(diào)基準(zhǔn)電壓

3、155.1.3 調(diào)充電控制155.1.4 調(diào)充滿顯示155.2 硬件調(diào)試155.3功能顯示18總結(jié)與展望20一、總結(jié)20二、今后研究方向20參考文獻(xiàn)21附件:原理圖22第1章 緒論1.1 研究現(xiàn)狀隨著科技進(jìn)步，智能手機(jī)，手表，平板電腦等各種各樣的電子產(chǎn)品逐漸進(jìn)入到大眾的視野當(dāng)中，給人們的生活帶來了極大的樂趣，但是在使用的過程當(dāng)中也存在諸多問題。其中最突出的就是各種電子產(chǎn)品的電池續(xù)航時(shí)間較短的情況影響了用戶的體驗(yàn)，主要是由于人們使用手機(jī)的頻率過高，手機(jī)內(nèi)部各種軟件和硬件耗電量大等等。而且電子產(chǎn)品適用的有限充電方式也會(huì)存在許多問題，在環(huán)境潮濕的情況之下更會(huì)產(chǎn)生漏電的情況，甚至還存在諸多由于充電時(shí)使

4、用手機(jī)而損害人體安全的現(xiàn)象。而且有線充電必須依賴充電線，但是不同的電子產(chǎn)品之間充電線的規(guī)格不同，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)一線多充，給人們的生活帶來了極大的不便利。在這種情況之下，無(wú)線充電就進(jìn)入到大眾視野當(dāng)中，雖然它不是一項(xiàng)新技術(shù)，但是在我國(guó)還沒有得到十分廣泛的應(yīng)用，所以無(wú)線充電有著十分廣闊的發(fā)展前景。1.2 功能及意義無(wú)線充電代表的不僅僅是市場(chǎng)的發(fā)展，同時(shí)還代表了科技的進(jìn)步，它能夠讓人們隨時(shí)隨地的進(jìn)行充電。目前我國(guó)的無(wú)線充電主要還停留在接觸式充電方面，在未來可能發(fā)展為隔空充電，所以實(shí)現(xiàn)這些功能的最主要前提就是要解決充電效率低下的問題。本文主要研究的目的就是充分地發(fā)掘我國(guó)無(wú)線充電行業(yè)的發(fā)展?jié)摿?，提高?wù)國(guó)企業(yè)

5、產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力，帶動(dòng)市場(chǎng)的消費(fèi)能力。第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 工作原理2.1.1 電磁感應(yīng)式無(wú)線充電目前電磁感應(yīng)是技術(shù)發(fā)展最成熟也是最受大眾歡迎的一種技術(shù)，它主要利用電磁感應(yīng)原理，與變壓器類似，發(fā)送端和接收端分別是線圈，在發(fā)送線圈上固定頻率的交流電依賴線圈之間互感耦合的作用于次級(jí)線圈中產(chǎn)生交流電。電磁感應(yīng)在手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)當(dāng)中也有著十分廣泛并且簡(jiǎn)單的應(yīng)用。主要是利用近場(chǎng)感應(yīng)原理將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，通過放大攻略實(shí)現(xiàn)線圈之間的互感耦合，來幫助電流無(wú)線傳送，其次經(jīng)過整流濾波，穩(wěn)壓以及充電管理，實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的目的。主要方案圖如下所示：圖2.1 電磁感應(yīng)式無(wú)線充電器原理由圖可知充電器被分為兩

6、個(gè)部分：發(fā)送部分和接受部分，分別與電源和鋰電池相連接。2.1.2 磁共振式無(wú)線充電磁共振又被稱為近場(chǎng)諧振式，它的主要工作原理就是利用發(fā)送和接收的兩個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)共振傳導(dǎo)能量，在同一頻率之內(nèi)發(fā)生共振，利用共振來實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，其原理跟聲音的共振一樣。利用這種無(wú)線充電方案最關(guān)鍵的就是高效率和小型化的實(shí)現(xiàn)。其主要充電系統(tǒng)示意圖如圖所示，它的本質(zhì)就是依賴線圈之間產(chǎn)生共振來實(shí)現(xiàn)能量傳遞的。圖2.2 磁共振式無(wú)線充電系統(tǒng)2.1.3 無(wú)線電波方式無(wú)線電波方式與礦石收音機(jī)類似，都是由微波發(fā)射與接收裝置構(gòu)成，如下圖所示。傳輸系統(tǒng)由微波源、發(fā)射與接收天線共同組成，微波源內(nèi)部設(shè)有磁控管，可以控制2.45GHZ頻段功率輸

7、出，接收天線的收集以及轉(zhuǎn)換的功率為25%。圖2.3 無(wú)線電波式電能傳輸2.1.4 電場(chǎng)耦合式電場(chǎng)耦合式的感應(yīng)電場(chǎng)主要來源于沿垂直方向耦合的量做非對(duì)稱偶極子產(chǎn)生的，它能夠進(jìn)行電能的傳輸，將其傳送給發(fā)送端到接收端。主要原理如下圖所示，其中有供電模塊以及供電電極共同構(gòu)成供電部分，接收模塊，接收電極以及轉(zhuǎn)換器共同組成接收部分。利用電源電路設(shè)計(jì)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電源電路的供電模塊，并且還能夠有效地保障產(chǎn)品的安全。圖2.4 電場(chǎng)耦合式充電示意圖2.2 解決方案選擇每種無(wú)線充電方式都有自己的特征，其中電磁感應(yīng)式無(wú)線充電方式是目前社會(huì)中最受歡迎的一種充電方式，也是很多充電產(chǎn)品應(yīng)用最廣泛的方法。主要原理是利用電磁在線

8、圈當(dāng)中產(chǎn)生的磁場(chǎng)，對(duì)附近的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以此來產(chǎn)生感應(yīng)電流。它的主要優(yōu)點(diǎn)適合充電距離較短，并且轉(zhuǎn)換效率較高的充電場(chǎng)所，但是它的充電位置比較固定，而且在充電的過程當(dāng)中不能隨便的改變位置，同時(shí)金屬在感應(yīng)的過程當(dāng)中容易出現(xiàn)發(fā)熱的情況。磁共振式無(wú)線充電是當(dāng)今社會(huì)中許多學(xué)者深入研究的一種技術(shù)，在未來發(fā)展過程當(dāng)中有著十分廣闊的發(fā)展前景。主要原理是利用發(fā)送端的能量與共振頻率相同的接收端產(chǎn)生共振來實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。這種充電方式比較適用于大功率，并且距離較遠(yuǎn)的充電，同時(shí)它的轉(zhuǎn)換功率介于較高和較低之間。主要缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)換的效率比較低，同時(shí)在使用的過程當(dāng)中還能對(duì)人體產(chǎn)生一定的輻射危害。無(wú)線電波式充電的主要原理是將

9、環(huán)境當(dāng)中的電磁波轉(zhuǎn)化為電流，通過電路來進(jìn)行電流的傳輸。它的主要優(yōu)點(diǎn)是比較適合一些較遠(yuǎn)，但是功率較小的充電，同時(shí)還能夠滿足隨時(shí)隨地充電的要求。但是它的主要缺點(diǎn)就是傳輸?shù)墓β时容^小，充電耗費(fèi)的時(shí)間比較長(zhǎng)。電場(chǎng)耦合式無(wú)線充電，目前專家面臨最重要的難題就是充電時(shí)距離的問題，同時(shí)如何使它變得更加小型、大功率是發(fā)展的關(guān)鍵。充電原理是沿著垂直方向耦合的兩組非對(duì)稱偶極子產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。優(yōu)點(diǎn)是比較適合一些距離較短，但是功率較小的充電，而且它的轉(zhuǎn)換功率比較高，同時(shí)不容易產(chǎn)生發(fā)熱的情況，而且可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地充電的要求。但是主要缺點(diǎn)就是充電系統(tǒng)比較大，產(chǎn)生的功率較小，充電耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

10、3.1 無(wú)線充電器原理與結(jié)構(gòu)本文利用無(wú)線傳感原理來實(shí)現(xiàn)手機(jī)無(wú)線充電的功能，其中既可以使用交流電作為供電電源，同時(shí)也可以使用直流電。如果是用交流電，那么就會(huì)經(jīng)過繼電器接入整流電路而變成直流電。初級(jí)線圈輻射的電磁波通過接收線圈而產(chǎn)生交變電流，再經(jīng)過流濾波、控制充電以及充電模塊來實(shí)現(xiàn)電池的充電功能，整體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下所示。圖3.1 無(wú)線充電系統(tǒng)圖3.2 電能發(fā)送部分電路設(shè)計(jì)3.2.1 高頻振蕩電路模塊如圖，使用了CDC4069三個(gè)反相器，第一個(gè)主要是用來產(chǎn)生振蕩頻率，其他兩個(gè)起到了緩沖的作用。關(guān)鍵的差別在于石英晶體的接法，因此產(chǎn)生了不同的效果，使用b圖中的方式起振更簡(jiǎn)單。圖3.2 高頻振蕩電路圖3

11、.2.2 功率放大模塊場(chǎng)效應(yīng)晶體管具的主要優(yōu)勢(shì)在于功耗較小、穩(wěn)定性強(qiáng)、信號(hào)準(zhǔn)確、噪音小，同時(shí)也具有較好的放大特征，如下圖所示。R1、R2、R3與場(chǎng)效應(yīng)管柵極并聯(lián)，S接地，D級(jí)接LC電路，G前級(jí)接G原級(jí)。圖3.3 功率放大電路圖3.2.3 發(fā)射模塊本文使用的都是直徑為0.5ram的漆包線繞12匝，直徑為80r的線圈。發(fā)射模塊的主要功能就是把直流能量高效率的轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓艌?chǎng)，這樣才能夠保障接收電路充分地發(fā)揮作用。圖3.4 發(fā)射模塊電路3.2.4 電路設(shè)計(jì)供電電源主要可以分為220V交流電源以及24V直流電源，依據(jù)交流電源優(yōu)先的原則，如下圖所示，繼電器J常閉觸點(diǎn)和直流電源相連接，除非特殊情況，否則s3

12、一直在接通狀態(tài)。當(dāng)交流電源供電的時(shí)候，首先要經(jīng)過整流濾波得到26V直流電，開關(guān)由繼電器選擇，通常的導(dǎo)通電壓不小于26V，導(dǎo)通繼電器，閉合開關(guān)J，在這種情況之下發(fā)送單元的電路是交流供電，電能發(fā)送電路斷開與BT1的連接，此時(shí)LED1導(dǎo)通。繼電器J選擇的24V電流供電對(duì)象是發(fā)射線圈L1，通過IC1降壓給IC2提供電流，為了確保J不會(huì)對(duì)發(fā)送電路產(chǎn)生影響，規(guī)定C2的容量應(yīng)該大于等于2200uF。本文的無(wú)線充電主要依賴兩個(gè)線圈的互相耦合，所以為了是使得有更高的傳輸功率，就必須將頻率調(diào)制的更高，但是又因?yàn)槠骷母哳l特征，本文最終選取了1.6MHz。圖3.5 無(wú)線電能發(fā)送部分電路圖3.3 電能接收轉(zhuǎn)換以及充電

13、部分電路設(shè)計(jì)3.3.1 接收電路該部分主要是接收線圈以及發(fā)送線圈的互感作用來實(shí)現(xiàn)電能的接收，再通過橋式整流電路進(jìn)行整流，其次經(jīng)過電容濾波、充電控制電路以及充電電路實(shí)現(xiàn)電源的供給。圖3.6 接收轉(zhuǎn)換電路圖3.3.2 控制電路本設(shè)計(jì)的控制電路主要包括三極管、指示燈、集成運(yùn)放以及TL431集成電路。其中TL431負(fù)責(zé)電壓參考，集成運(yùn)放負(fù)責(zé)三極管工作的控制，以此來控制指示燈，能夠直觀地反映出是否正在充電。圖3.7 控制電路圖3.3.3 電路設(shè)計(jì)圖3.8 電能接收與充電部分第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 電能發(fā)射部分圖4.1 電能發(fā)射部分工作流程4.2 電能接收與充電部分4.2.1 充電過程電流通過接收線圈

14、形成交流電，然后經(jīng)過整流濾波，給其他部件輸送電源。在充電時(shí)，TL431輸出的電壓為4.15V，與集成運(yùn)放的正輸入端相連接，充電電池的正極與集成運(yùn)放的負(fù)輸入端相連接，其輸出的電壓也為4.15V，每個(gè)三極管的工作狀態(tài)都不一樣。如圖：圖4.2 充電過程流程圖4.2.2 停止充電過程當(dāng)電池的電量充滿之后，集成運(yùn)放的負(fù)向輸入端的輸入電壓大于4.5V，每個(gè)三極管的工作狀態(tài)發(fā)生了改變。如圖4.3。圖4.3 停止充電流程圖第5章 系統(tǒng)測(cè)試與分析5.1 調(diào)試5.1.1 調(diào)工作頻率為了將F1，F(xiàn)2產(chǎn)生的頻率與c8l1一保持一致，可以調(diào)節(jié)PR1，這個(gè)時(shí)候電流表顯示的數(shù)據(jù)是最小的，而且L2所測(cè)得的電壓是最大的，此時(shí)保

15、證充電池bt2不被連接。5.1.2 調(diào)基準(zhǔn)電壓確保L1與L2之間的距離為2厘米，C5兩邊的應(yīng)為18-20V的直流電壓，調(diào)節(jié)PR2，保障兩端的電壓是4.15V，此時(shí)停止電池的充電工作。加大或縮小L1與L2之間的距離，基準(zhǔn)電壓在0-6厘米之間，應(yīng)當(dāng)為4.15V。5.1.3 調(diào)充電控制加大L1和L2之間的距離，直到為55厘米，降低C5兩端的電壓到8V。在集成運(yùn)放的輸出端處于一個(gè)高電位的同時(shí)，把R10轉(zhuǎn)變?yōu)?M的電位器，將其從大調(diào)到小，不僅保證Q4處于一個(gè)完全飽和的狀態(tài)，還能保障整個(gè)過程功耗較小。5.1.4 調(diào)充滿顯示當(dāng)集成運(yùn)放輸出的是高電壓的時(shí)候，要在led3熄滅的狀態(tài)之下，將R5調(diào)到最大。當(dāng)集成運(yùn)

16、放輸出的是低電位的時(shí)候，要把電流表串入在led3中，調(diào)節(jié)R8，使電流表顯示的數(shù)據(jù)為0.5毫安，這個(gè)時(shí)候led3就會(huì)亮起，這樣一來就會(huì)大大減少整個(gè)電路的消耗。5.2 硬件調(diào)試 （1）完整無(wú)線充電器由硬件顯示圖，如圖5。 （2）將12v輸入電流充電器和USB充電線接入無(wú)線充電模塊，液晶屏亮起并顯示當(dāng)前輸出電壓，電流數(shù)據(jù)為0表示正常，如圖6。 （3）兩個(gè)無(wú)線充電線圈模塊靠近感應(yīng)，左邊為12V輸入，右邊為5V輸出，靠的越近電流電壓則越高，如圖7,8。圖5 完整硬件顯示圖6 液晶屏顯示正常圖7 充電功能正常圖8 無(wú)線模塊正常5.3功能顯示將手機(jī)通過數(shù)據(jù)線接入硬件的USB口，兩個(gè)無(wú)線模塊靠近，給手機(jī)進(jìn)行充

17、電。藍(lán)色指示燈亮，手機(jī)充電符號(hào)亮起表示充電狀態(tài)。通過ADC0832模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器采集手機(jī)的充電電壓與充電電流，經(jīng)過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，在液晶屏上顯示當(dāng)前電壓電流，如圖9。當(dāng)兩個(gè)無(wú)線模塊分開，便結(jié)束充電，如圖10，結(jié)果顯示系統(tǒng)各功能都正常運(yùn)行。圖9無(wú)線充電顯示圖10 結(jié)束充電顯示總結(jié)與展望一、總結(jié)在本次寫作以及設(shè)計(jì)實(shí)務(wù)的過程當(dāng)中，由于個(gè)人的知識(shí)掌握不足，以及缺乏實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備，導(dǎo)致在最后的調(diào)試階段頻繁出現(xiàn)問題。在本文的設(shè)計(jì)當(dāng)中所使用的元器件都十分常見，而且不會(huì)消耗過多的成本。 本文的無(wú)線充電器系統(tǒng)主要利用的是電磁感應(yīng)的原理，所以在使用的過程當(dāng)中仍然會(huì)受到傳輸距離一起傳輸功率的限制，目前只對(duì)一些體格

18、較小的電子設(shè)備適用。但是在本文的設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要缺點(diǎn)就是沒有在充電的過程當(dāng)中，利用軟件來進(jìn)行控制，而是全部采用硬件電路。這樣一來就大大的限制了充電的對(duì)象 ，而且在電路的設(shè)計(jì)中也沒有使其他檢測(cè)元件接入。主要是由于缺乏足夠的知識(shí)和技術(shù)，否則就可以利用單片機(jī)來進(jìn)行充電的設(shè)計(jì)，但是利用單片機(jī)也會(huì)有更加復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)方案。二、今后研究方向隨著目前無(wú)線充電器的市場(chǎng)逐漸興起，盡管大多數(shù)消費(fèi)者依然選擇利用有線充電器，但是在未來的研究當(dāng)中，相關(guān)學(xué)者和專家會(huì)在無(wú)線充電器的研發(fā)中投入大量的精力。目前無(wú)線充電器的主要缺陷是傳輸效率以及損耗的限制，并且還需要消費(fèi)者的接受能力。而且在我國(guó)無(wú)線充電器研究市場(chǎng)當(dāng)中，沒有制定一個(gè)統(tǒng)一的充電標(biāo)準(zhǔn)，所以各個(gè)電子產(chǎn)品之間會(huì)存在不兼容的現(xiàn)象。在未來的研究當(dāng)中，應(yīng)該注意這些問題，促進(jìn)無(wú)線充電器的發(fā)展。參考文獻(xiàn)1于思博.手機(jī)無(wú)線充電器的設(shè)計(jì)J.電子技術(shù)與軟件工程,2019,154(08):112.2李建華,陳水妹.手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.咸寧學(xué)院學(xué)報(bào),2015(12):72-73.3李昌仕.手機(jī)無(wú)線充電器設(shè)計(jì)J.科教導(dǎo)刊（電子版）,2015(24):152-152.4陳中瑾.基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線傳能充電器設(shè)計(jì)J.科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2018,No.236(16):99-100.5劉正全.低功耗