无线型手机充电器设计

1、.学 位 论 文 诚 信 声 明 书本人郑重声明：所呈交的学位论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究（设计）工作及取得的研究（设计）成果。除了文中加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究（设计）成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究（设计）所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文（设计）与资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。学位论文（设计）作者签名： 日期： 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：在校期间所做论

2、文（设计）工作的知识产权属西安科技大学所有。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公布本学位论文（设计）的全部或部分内容并将有关内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适用本声明。学位论文（设计）作者签名： 指导教师签名： 年 月 日. v.论文题目： 无线型手机充电器设计专 业： 自动化本 科 生： 曹添成（签名）指导教师： 王媛彬（签名）摘 要进入21世纪以来，随着智能手机功能越来越多，屏幕也越来越大，耗电量也就越来越大，手机充电的频率也就越来越高。数据线频繁插拔让人在

3、充电过程中不胜其烦，不仅如此，频繁插拔容易引起充电接口损坏，因此，需要更加便捷的手机充电方式。无线充电是依靠磁场耦合原理将供电端电能传给电池从而实现对手机的充电，这是一种新的充电方式，克服传统有线手机充电方式的弊端，可以让充电更加的方便。本文对手机无线充电的原理、电路、磁场耦合进行研究，设计了一种基于磁场耦合谐振无线型手机充电器。本文研究的主要工作有：阐述用555定时器和初级耦合线圈组成谐振电路，分析手机无线充电的需求，提出系统的主要的设计要求；设计手机无线充电的主电路与谐振电路，选择控制芯片的型号，并阐述手机无线充电的控制方法与流程；提高手机无线充电的可靠性，本设计采用无线手机充电的方式是电

4、磁感应，系统有两部分组成发射部分与接收部分。本设计在12v供电点电源，接收端可以在1.5cm左右输出稳定在4.2v电压充电，从而实现手机无线充电。并且，电路的发射端有保护功能，防止MOS被电压击穿与短路等问题。整个充电电路结构简单，工作稳定，基本的应用水平已经达到。关键词：无线充电,磁场耦合，电路保护. v.Subject：Design of the Wireless Charging System for Mobile PhonesSpecialty： AutomationName：Cao Tiancheng （Signature）Instructor：Wang Yuanbin （Signa

5、ture） ABSTRACT Since entering 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

6、 only so, frequent plugging 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

7、 mobile phone, which is 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 m

8、agnetic field coupled resonance 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

9、circuit and resonant circuit, 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

10、transmitting part and receiving 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 b

11、eing damaged by voltage and 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. v.目录第一章 绪论11.1课题研究背景及意义11.2 国内外研究现状和发展趋势11.3课题的主要研究内容21.4本章小结3第二章 电磁感

12、应电能传输基本理论42.1手机无线充电系统的基本原理42.2 手机无线充电系统的基本结构52.2.1能量发射端52.2.2能量接收端62.3 需求分析及设计要求62.3.1需求分析62.3.2主要设计要求72.4 本章小结7第三章 手机无线充电系统主电路设计83.1辅助电源83.2手机无线充电系统发射端83.2.1震荡电路设计83.3手机无线充电系统接收端113.3.1整流变换电路113.3.2手机无线充电接收端控制123.3.3手机无线充电系统耦合线圈143.4本章小结14第四章 手机无线充电系统仿真164.1信号调制电路的仿真验证164.2本章小结19第五章 手机无线充电系统原边线圈与副边

13、线圈设计205.1线圈自感的影响因素分析205.1.1线圈尺寸分析205.1.2线圈线宽和线间距分析215.3实验验证255.4本章小结25第六章 总结与展望266.1全文总结266.2展望26致 27参考文献28附录A31附录B33. v.第1章 绪论在大多数的电能应用场合，主要还是经过金属导线直接传输，而目前，另一种传输方式:无线电能传输，正在慢慢的得到了应用。1.1课题研究背景及意义 进入21世纪以后，随着电子产品的增多，而每个电子产品都有自己有线充电器，非常麻烦，而且充电的接口也容易坏。如果无线的方式进行设备充电，既可以节约资源而且便利，还减少设备的损坏率。同时，电子医疗的技术也不断发

14、展，研制出了放在人体内的电子设备，进行对人体的治疗以及恢复，若是能够以无线的方式，在体外安装设备供电，以避免重复手术给病人而带来得痛苦，提高病人的生活质量。 随着手机的功能越来越多，屏幕的尺寸也越来越大，耗电量也随之增加。但是电池却跟不上电子设备的步伐。所以当人们享受着电子设备所带来便利的同时，还因为充电的问题而烦恼。随之无线充电将会使消费者欢迎。 因为每个电子产品都会有自己的配备充电器，充电器和数据线多，所以在充电器与数据线上消费也是非常巨大，但是用无线充电器就可以减少部分损失。另外，由于有线充电需要在电子设备上有充电口，经过多次插拔容易损坏，不仅是这样，这个充电口还容易进去一些杂物，在水环

15、境中容易发生故障。而若采用无线充电，就可以避免这些问题，厂家可以直接将接收端封装在电子设备里边，实现手机安全、可靠、的充电，从而完美的简化人的生活，给消费者更加生活体验。 无线充电的技术，是利用空间磁场的场感应，也是电感耦合，将电能从发射端传送到手机用户，通过多年发展推广后，现在也很受关注。到二十世纪末期，随着电子产品技术与计算机技术的发展，人们更需要一种新的电能传输方式，可以预见，随着无线电传输技术不断的成熟，会在生产和生活中得到更多的应用。1.2 国内外研究现状和发展趋势无线充电有广阔的发展前景，无线充电几乎可以应用到人类的生活领域。首先，应用到小功率用电设备上MP3，MP4，照相机，手机

16、等等；应用到家电设备上冰箱，电视机，浴霸，抽油烟机等，都可以用无线充电来实现；然后，如电动自行车，电动公交车和地铁；最后，将无线充电技术与风能，太阳能，潮汐能等能源技术相结合起来。 人类对无线供电技术的设想，是出现在一百多年前，发明交流电机，著名克罗地亚物理学家特斯拉当初设想，用电磁共振技术来实现无线电能传输，而不是现在常用到的电磁感应达到无线供电，可惜由于当时无线供电会大量的损失发电厂的利益，所以当时都不同意特斯拉研究无线供电系统实验。但是，人们对于无线电能传输都有无限的渴望。许多公司也看中了无线充电的市场。例如，美国的Palm公司推出了一种无线充电设备“点金石”，“点金石”是通过两个线圈来

17、实现电能的传输，利用电磁感应原理来实现无线充电。当今国内的一些研究者还是在研究如何提高无线充电的电能传输的效率，和如何提高无线供电的输出功率。 目前，无线供电技术没有很大范围使用，因为还有比较多的的技术难题还没有攻克： 1相对于有线供电来说，无线供电电能的传输的效率太低。无线供电是因为没有用金属导体直接作为电能的传输介质，而是以空气为介质来实现能量的传输。并且，其中设计到电能和磁能的相互转化，交流电和直流电的相互转化，在这些电能与磁能转化的过程中与空气介质中损失的能量比较多。在理想情况下，能达到最大能量传输效率有70%，一般情况下无线电能传输效率可以达到50%-60%或是更低。 2有线供电传输

18、距离可以达到几百公里，但是无线供电不能达到这么远距离的供电，现有的实验中可以达到最大的电能供电距离是2m左右。3想要大规模来实现无线供电，那么就会使人们生活四周都会有遍布电场与磁场。人们长时间在这样的电场与磁场中会不会存在安全隐患，科学上还没有给出一个确定的答案。很多的科研单位与科研机构已开始研究这种新的能量传输，但是让人遗憾的是，无线供电还仍在刚刚起步阶段。无线供电将会为人们解决一些目前遇到的一些能源问题，但想要将无线供电技术真正普及化，还需要一段路要走。尽管如此，现有一些实验的成果让人欢欣鼓舞，但是至少说明在短距离，小功率用电设备可以实现无线充电。随着科学技术的不断的发展与进步，我相信，无

19、线供电技术将会突破每一个难关，使人们用到更节能的无线供电为人们提供更加便捷的生活方式。相对于国外来说，国内的无线供电技术研究起步较晚。无线供电技术利用感应耦合非接触式的电能传输，国内有研究该技术主要有重庆大学、北京邮电大学、电子科技大学、浙江大学、哈尔滨工 业大学、海尔集团等高校和企业。主要是对无线充电器电路结构与补偿电路做较详细分析，建立发射端回路闭环控制以使电路一直可以工作在谐振点的附近，从而提升整个无线电能传输的效率。对整个系统在单个负载与多个负载情况下而进行建模的分析，并且用线性负载为例对这个系统电路的参数变化与系统电压增益变化之间的关系进行探究，给出一种基于电压的增益系统参数来设计。

20、对于无线充电的能量发射的线圈进行分析研究，分析线宽、线圈大小、线间距、匝数等对线圈自感与互感影响。1.3课题的主要研究内容交流220V市电整流滤波后进行高频逆变，逆变后高频电压在经过补偿后线圈作用下感应耦合到二次接收线圈，在进行整流滤波输出直流电压，该直流电压进行V/I转换输出稳定电流信号给手进行充电。研究内容具体如下： 1）一次侧、二次侧线圈采用加载电容补偿方式； 2)对一次侧、二次侧线圈电感及补偿电容参数并进行计算使一次、二次线圈谐振，使传输效率最大化； 3）充电负载变化时，谐振频率保持稳定，输出电流保持恒流。1.4本章小结本章主要描述本次课题研究背景和研究意义，并且对目前国内外研究现状和

21、发展趋势作详细论述，由此得出本次课题研究的方向和目标。同时，对本次课题的主要研究内容作了详细的介绍。第2章 电磁感应电能传输基本理论本文在对手机无线充电系统的基本原理、基本结构进行介绍，对其在实际应用中需求进行分析，并提出主要的设计要求，为后面的研究和设计。2.1手机无线充电系统的基本原理本文研究手机无线充电技术是不通过物理连接，而是通过空间中的电磁场的变化来将供电端的电能传输给手机电池的技术。根据法拉第电磁感应理论可知，导体在磁通量变化的磁场中会产生感应电动势，如果该导体是闭合回路中的一部分，则会产生感应电流。电磁耦合式手机无线充电技术就是根据这个原理工作的，与传统变压器工作原理类似，区别在

22、于变压器的原边线圈与副边线圈之间耦合为紧耦合，即原边线圈与副边之间耦合非常紧密，往往将原边线圈与副边线圈绕在同一个磁芯上，磁芯可以增加磁导通率减少损耗，故变压器的传输效率较高传输功率也可以做得很大，但是也正是由于原边线圈与副边绕在同一个磁芯上，使得变压器的原边线圈与副边位置相对固定，灵活性差；而手机无线充电系统的原边线圈与副边之间采用松耦合，即原边线圈与副边线圈之间的耦合比较弱，为了减小系统的体积和重量，通常不采用磁芯，而且原边线圈与副边线圈之间位置不固定，副边可以在一定范围内自由移动，但是由于空气磁阻远远大于磁芯，很大一部分磁动势降分布在空气磁路上，导致传输效率偏低。由于松耦合结构漏磁大、原

23、边线圈和副边线圈之间耦合系数小，所以不满足变压器原边线圈与副边线圈电压和电流的匝比关系。根据楞次定律和电磁感应理论可知，可以通过提高原边线圈电流变化率，即提高原边线圈电流频率，来增强原边线圈与副边线圈之间的电磁感应强度，以提高传输功率密度，降低损耗，提高系统效率。但是频率过高又会增强电磁辐射，给电磁屏蔽设计造成困难，所以一般还需对原边能量发射机构和副边能量接收机构的耦合线圈进行补偿。因此，感应耦合式无线充电系统的结构就比普通变压器系统结构更加复杂，其结构示意图如图2.1所示。整流滤波DC-DC变换AC高频逆变整流滤波负载图 2.1手机无线充电系统结构示意图图2.1所示的系统结构示意图主要分为两

24、个部分，即能量发射部分和能量接收部分。能量发射部分包括整流滤波环节、DC-DC变换环节高频逆变环节和能量发射机构。220V的工频交流电经过整流滤波环节变换成稳定的直流电，然后经过DC-DC变换环节将电压调节到一个固定值供给高频逆变电路，本文研究的手机无线充电系统经DC-DC变换后的电压为12V。高频逆变电路将12V的直流电逆变成高频交流电，供给能量发射机构。能量发射机构由一个谐振网络组成，高频电信号经过谐振网络后产生交变磁场分布在耦合电感（线圈）附近的空间中，离耦合电感越近磁感应强度就越强。能量接收端包括能量接收机构、能量换环节和用电设备。能量接收机构一般由一个谐振网络组成，该谐振网络中的振电

25、感可以在发射端产生的交变磁场中拾取电能，转变为高频的交流电，该电经过能量变换环节（如整流、滤波等）后，供给用电设备，本文中的用电设备手机电池。2.2 手机无线充电系统的基本结构 本设计实现锂电池无线充电是将现有的无线供电技术中的电磁感应方式与现有的锂电池充电技术相结合，通过两个耦合线圈来实现电能的发送和接收。在电磁感应方式实现无线电能传输的过程中，电能的发送和接收需要形成快速变化的电场和磁场，快速变化的电场是通过电能发射端所生成的高频交流电来实现的，而高频交流电是通过将市电转换为直流电再通过高频逆变产生的。而在电能接收端，根据现有的锂电池充电理论，本设计加入了一个锂电池充电的控制电路，以确保锂

26、电池只能在处于合适的状态下才能进行充电，并且在充电过程中，控制电路会根据充电过程是否出现异常以及电池是否已经充满等具体情况控制整个充电过程。2.2.1能量发射端手机无线充电系统的能量发射端由整流滤波环节、DC-DC变换环节、高频逆变环节、谐振网络、检测电路和控制器组成。整流滤波环节由整流桥和滤波电路组成，整流桥的作用是220V的工频交流电转换成单向波动的直流电，其波动的幅值仍然非常大。滤波电路的作用就是将波动较大的直流电转换成比较平稳的直流电。经过整流滤波后的直流电还需经过DC-DC变换电路后才能供给高频逆变电路。DC-DC变换电路一方面使输入到高频逆变电路的电压为设定的某一固定值，另一方面使

27、该电压更加稳定可控。手机无线充电系统中使用的 DC-DC变换电路实现的功能主要是降压，将经过整流滤波后的直流电降为12V的稳定直流电。把DC-DC变换电路的输出（12V直流电）作为高频逆变电路的输入。高频逆变电路的作用是在控制信号的驱动下，将12V直流电变换频率为高频交流电。这种高频交流电作用于谐振网络后就会产生高频的交变磁场，能量发射机构和接受机构之间的电能感应耦合就是通过这种高频的磁场变化来实现的，因此为能量发射机构提供高频交流信号的逆变电路就是系统电路的关键部分之一，同时该逆变电路的效率和稳定性对整个系统的性能也有很大的影响。因此，要求逆变电路有如下特征： 能为能量发射机构提供足够大的励

28、磁电流。只有发射机构上的励磁电流足够大才能允许发射端和接收端之间有一定的传输距离。具有较低的瞬间电压峰值、损耗值。保持较低的瞬间电压峰值有利于保证系统的稳定性，保持较低的损耗值有利于提高系统的传输效率。12V直流电经过高频逆变电路后输出给发射端谐振网络，发射端的谐振网络由耦合电感和补偿电容组成。由于手机无线充电系统的发射端线圈和接收端线圈耦合方式为松耦合，两个线圈之间存在一段空气间隙，为了使系统保持较高的传输效率，减少损耗，除了采用高频逆变电路提高发射线圈电流频率外，还需采用电容补偿，补偿电容可以与发射线圈串联或并联。检测电路用来检测 DC-DC变换电路的输出电压，检测结果传送到控制器，使控制

29、器根据当前的检测结果做出合适的控制决策；检测电路主要检测发射线圈工作电流，检测结果传输到控制。检测发射线圈的工作电流一方面可以了解发射端电路当前的工作状态，便于控制器计算控制误差，以实现更精确的控制；另一方面可以了解系统的工作是否正常，一旦检测到发射线圈电流超过正常范围，则可以马上使系统停止工作。因此对于发射线圈电流的检测要求有较高的快速性和准确性。 除了以上介绍的几个模块之外，发射端还有一个非常重要的模块，即控制模块。发射端电路控制模块包含两个控制器，LM317为DC-DC变换电路的控制器，通过控制 DC-DC变换电路控制器用来调节输出电压的大小，使其稳定在12V。2.2.2能量接收端由2.

30、1节可知，能量接收端由谐振网络、AC-DC变换模块、控制模块和用电设备组成。接收端的谐振网络主要作用为从发射端谐振网络产生的交变磁场中拾取电能，并将该电能转换为高频交变电流。与电能发射端的谐振网络类似，为了增强电能拾取能力，提高系统传输效率，电能接收端的谐振网络也采用了补偿电容，即该谐振网络也由一个耦合电感和补偿电容组。AC-DC变换模块用于将接收线圈接收到的高频交流电转换成较为平稳的直流电，并输送给用电设备。随信号波形的变化而变化。常用的信号调制电路有电容式调制电路和电阻式调制电路。接收端的控制器是接收端的重要组成部分，监视用电设备电池的充电状态，并根据这些状态做出相应的反应，控制接收端的指

31、示灯的工作状态。2.3 需求分析及设计要求2.3.1需求分析如今随着智能手机的普及，手机电量消耗快，充电次数逐渐增多，每次都要使 用数据线进行充电不免有些麻烦，本文研究的手机无线充电系统可以随放随充， 随取随停，大大地方便了充电过程，不需要用手机的时候就把手机放在充电板上 进行充电，需要用的时候只要拿起来可以停止充电过程，不仅可以保证手机电量 充足，也可以让人免受边充电边打电话所遭受的辐射。本文设计的手机无线充电系统要求电能发射端小巧、轻薄，放置在桌面上不占空间，或者可以方便的嵌入安装在公共场合的桌面上；要求电能接收端嵌入到手 机内部而不明显地增加手机的体积和重量；要求手机无线充电器发射端可以

32、自动 识别手机并对其进行充电，当不需要充电时自动进入待机模式；要求手机充电异常时有适当的提示；要求充电过程中输出电压稳定，不会对手机电池造成损害；要求在充电过程中，线圈温度不能过高。2.3.2主要设计要求 设手机无线充电系统的设计要求如下：1 发射端的输入为220V工频交流电；2 接收端输出电压为稳定的4.2V直流电，额定输出电流为0.5A；3 工作在额定状态时，有较高的传输效率； 4 不同的工作状态有不同的指示灯提示；2.4 本章小结本章首先对手机无线充电系统的基本工作原理进行分析，然后分别介绍了手机无线充电器发射端和接收端的基本结构和实现的功能，最后对手机无线充电系统的需求进行了分析并阐述

33、了系统的主要设计要求。第3章 手机无线充电系统主电路设计手机无线充电系统主要分为发射端和接收端两部分，发射电路主要是由整流滤波电路、DC-DC变换电路、高频逆变电路和谐振网络组成，接收端电路主要由谐振网络、整流滤波电路和负载组成。整流滤波技术和DC-DC 变换技术已比较成熟，故本文电路设计的重点为高频逆变电路和谐振网络电路。3.1辅助电源正常稳定的工作，都需要使用合适的直流电为其供电，因此，有必要在对主体电路需要经过整流、滤波等阶段，并且，还应考虑到电压的稳定性问题，因此还必须有合适的变压电路和稳压电路等。人们习惯上把实现这种稳定供应直流电压和电流功能的电路通称直流稳压电路。现在常用的直流稳压

34、电路有两个种类，一类是调整管工作在线性状态下，成本低，纹波小，但是工作效率也较低的线性稳压电源。另一类叫做开关型稳压电源。本课题所设计的电源主要有给振荡电路提供的5V直流电和给功放电路提供的12V直流电。其主要组成部分有变压器、桥式整流电路和滤波电路。首先接220V交流电，经变压器降压，然后由桥式整流电路进行全波整流，经电容滤波后，将得到的直流进行稳压（DCDC转换）。由于振荡电路的工作电压为5V,且功放电路的工作电压为12V。变压器选择输出100W，15V和8V的环形变压器；整流管选择3A肖特基二极管IN4007；电源转换芯片可选用三端可调的稳压器LM317。辅助电源（以正12V稳压为例）的

35、系框图如图3.1所示。 图3.1稳压电源原理图3.2手机无线充电系统发射端3.2.1震荡电路设计采用NE555构成频率可调的多谐振荡器。555计时IC芯片是一款使用时间十分久远，使用范围十分广泛，设计方案十分成熟的计时IC芯片。而NE555是555计时IC芯片大家族中的一个型号。与其它的计时IC芯片相比，NE555有其独特的优势。比如，NE555不仅可以作为定时器使用，还可以作为施密特触发器使用，并且还不需另外的元器件。此外，当NE555用来输出PWM波时其外围电路十分简单，其本身的工作也十分稳定。NE555可稳定输出1MHz以下的方波，并且占空比可调，电路调试容易，成本较低。NE555的缺点

36、是不带电路保护功能，PWM波输出需另接驱动电路，且不具备任何扩展功能。 NE555计时IC芯片一共有8个引脚。1脚是芯片的公共地端；2脚是一个触发端，当2脚电压处于VCC /3到2VCC /3之间时，NE555才能启动其时间周期；3脚是输出端，在本设计中最终输出的PWM波信号就是经由3脚输出的；4脚是重新置位端，其工作原理是当输入此端口的电平是一个低电平时，系统置位；5 脚是控制电压端口，此端口的作用是通过调整输入到此端口的电压，可以调整输出PWM波的频率；6脚是重置锁定端口；7脚是放电端口；8脚则是整个系统的供电端口，当VCC的值为4.5V16V之间时，芯片才能正常工作。本设计是想利用NE5

37、55芯片输出PWM波，从而驱动开关MOS管的开闭。而PWM波可以看作是无数个高电平和低电平相互转换所形成的一种波形。因而此时NE555不应工作在稳态而是应该工作在振荡状态。此外，系统在输出高电平和输出低电平两个状态下来回切换，是依靠其自身的激励，系统最后呈现出的实际上是一种无稳态的电路，一旦上电开始工作，系统就通过在两个暂稳态的不停切换中输出PWM波。仅仅需要两个电阻和两个电容，NE555计时IC芯片就能构成振荡器电路结构。此时振荡器能够自激工作是通过向振荡电容C来回的充电和放电来实现的。此时，将NE555的2脚和6脚相连并与振荡电容的非接低端连在一起，这样就能通过振荡电容电压的变化使系统在2/3 Vcc触发和1/3 Vcc触发来回转换。一开始，