無線充電器的設計（原理圖+主材bom）

引言
　　無線電技術用于通信，已經(jīng)在全世界流行了近一百年。從當初的無線電廣播和無線電報，發(fā)展到現(xiàn)在的衛(wèi)星和微波通信，以及普及到全球幾乎每一個個人的移動通信、無線網(wǎng)絡、GPS等。無線通信極大地改變了人們的生產(chǎn)和生活方式，沒有無線通信，信息化社會的目標是不可議的。
　　然而，無線通信傳送的都是微弱的信息,而不是功率較大的/能量。因此許多使用極為方便的便攜式的移動產(chǎn)品，都要不定期地連接電網(wǎng)進行充電，也因此不得不留下各種插口和連接電纜。這就很難實現(xiàn)具有防水性能的密封工藝，而且這種個性化的線纜使得不同產(chǎn)品的充電器很難通用。如果徹底去掉這些尾巴,移動終端設備就可以獲得真正的自由。也易于實現(xiàn)密封和防水。這個目標必須要求能量也像信息一樣實現(xiàn)無線傳輸。
　　能量的傳送和信號的傳輸要求顯然不同，后者要求其內(nèi)容的完整和真實，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。雖然能量的無線傳送的想法早已有之，但因為一直無法突破效率這個瓶頸，使它一直不能進入實用領域。
　　目前，這個瓶頸仍然沒有實質(zhì)性的突破。但是如果對傳輸距離沒有嚴格要求（不跟無線通信比），比如在數(shù)cm（本文稱微距）的范圍內(nèi)，其傳輸效率就很容易提高到滿意的程度。如果能用比較簡單的設備實現(xiàn)微距條件下的無線傳能，并形成商業(yè)化的推廣應用，當今社會隨處可見的移動電子設備將有可能面臨一次新的變革。
　　 工作原理
　　將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，然后通過沒有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實現(xiàn)電能的無線饋送。基本方案如圖1所示。

　　本無線充電器由電能發(fā)送電路和電能接收與充電控制電路兩部分構(gòu)成。
　　1 電能發(fā)送部分
　　如圖2,無線電能發(fā)送單元的供電電源有兩種：220V交流和24V直流（如汽車電源），由繼電器J選擇。按照交流優(yōu)先的原則，圖中繼電器J的常閉觸點與直流（電池BT1）連接。正常情況下S3處于接通狀態(tài)。
　　無線充電模塊
　　當有交流供電時，整流濾波后的約26V直流使繼電器J吸合，發(fā)送電路單元便工作于交流供電方式，此時直流電源BT1與電能發(fā)送電路斷開，同時LED1（綠色）發(fā)光顯示這一狀態(tài)。
　　經(jīng)繼電器J選擇的+24V直流電主要為發(fā)射線圈L1供電，此外，經(jīng)IC1（78L12）降壓后為集成電路IC2供電，為保證J的動作不影響發(fā)送電路的穩(wěn)定工作，電容C3的容量不得小于2200uF。

圖2無線電能發(fā)送單元電路圖

　　電能的無線傳送實際上是通過發(fā)射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實現(xiàn)的，這里L1與L2構(gòu)成一個無磁芯的變壓器的原、副線圈。為保證足夠的功率和盡可能高的效率，應選擇較高的調(diào)制頻率，同時要考慮到器件的高頻特性，經(jīng)實驗選擇1.6MHz較為合適。
　　IC1為CMOS六非門CD4069,這里只用了三個非門，由F1,F2構(gòu)成方波振蕩器，產(chǎn)生約1.6MHz的方波，經(jīng)F3緩沖并整形，得到幅度約11V的方波來激勵VMOS功放管IRF640.足以使其工作在開關狀態(tài)（丁類），以保證盡可能高的轉(zhuǎn)換效率。為保證它與L1C8回路的諧振頻率一致?？蓪4定為100pF,R1待調(diào)。為此將R1暫定為3K,并串入可調(diào)電阻RP1。在諧振狀態(tài)，盡管激勵是方波，但L1中的電壓是同頻正弦波。
　　由此可見，這一部分實際上是個變頻器，它將50Hz的正弦轉(zhuǎn)變成1.6MHz的正弦。
　　2 電能接收與充電控制部分
　　正常情況下，接收線圈L2與發(fā)射線圈L1相距不過幾cm,且接近同軸，此時可獲得較高的傳輸效率。
　　電能接收與充電控制電路單元的原理如圖3所示。
　　L2感應得到的1.6MHz的正弦電壓有效值約有16V（空載）。經(jīng)橋式整流（由4只1N4148高頻開關二極管構(gòu)成）和C5濾波，得到約20V的直流。作為充電控制部分的唯一電源。
　　由R4,RP2和TL431構(gòu)成精密參考電壓4.15V（鋰離子電池的充電終止電壓）經(jīng)R12接到運放IC的同相輸入端3。當IC2的反相輸入端2低于4.15V時（充電過程中），IC3輸出的高電位一方面使Q4飽和從而在LED2兩端得到約2V的穩(wěn)定電壓（LED的正向?qū)ň哂蟹€(wěn)壓特性），Q5與R6、R7便據(jù)此構(gòu)成恒流電路I0=2-0.7R6+R7。另一方面R5使Q3截止，LED3不亮。

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　　 性能測試

　　應保證L1與L2附近沒有其他金屬或磁介質(zhì)。
　　1 耦合性能
　　在接收單元空載（不接被充電池）情況下，保持L1與L2同軸，改變L1-L2間距，測量接收單元C5兩端電壓DCV。
　　在5cm內(nèi)，充電控制電路能保證準確可靠的工作，6cm仍可充電。

　　2 充電控制

　　保持L1與L2同軸并固定于相距2cm,接上待充電池，并接上電壓表。
　　斷開SW,電流表讀數(shù)為10mA,此為慢充電工作方式；接通SW,電流表讀數(shù)為30mA,此為快充電工作方式。
　　當充電使電壓表讀數(shù)達到4.15V時，LED3熄且LED2亮，同時電流表讀數(shù)為零，表明電池BT2已被充滿并自動停止充電，并且顯示這一狀態(tài)。
　　測試時，被充電池可用一只20000uF電容代替，以縮短充電時間便于測試。
　　3 換能效率
　　仍保持L1與L2同軸相距2cm,充電器分別工作于快充、慢充和停充，測量。

　　4 電源切換
　　斷開S1,繼電器復位，由直流電源BT1供電；接通S1,繼電器吸合，由交流電源供電，此時BT1被斷開。
　　兩種供電方式對以上測試結(jié)果完全相同。
　　S3用于兩種供電方式的人工切換或強行用直流，一般處于接通狀態(tài)。
　　 結(jié)語
　　作為可行性探索實驗的樣機，本設計僅針對100mAh左右的小容量鋰離子電池和鋰聚合物電池，適用于MP3、MP4和藍牙耳機等袖珍式數(shù)碼產(chǎn)品。將它推廣到大容量電池，并不存在原則性的障礙。當然，從實驗室的樣機到市場中的產(chǎn)品，可能還有比較漫長和艱難的工作，如電磁輻射的泄漏問題，成本控制與產(chǎn)品工藝，以及市場切入與消費啟動等。