手机无线充电器设计

1、手机无线充电器设计 摘 要随着科技的进步，智能手机得到了普及，极大地丰富了人们的日常生活，带来了许多乐趣。但是智能手机在使用的过程当中，经常会出现手机耗电快，电池续航短，连续充电给手机造成损害以及充电宝过于笨重携带不方便的现象。所以急需要对手机充电器进行优化，本文主要研究了手机无线充电器的设计，主要从电能发射部分、充电部分、以及电能接收部分来设计，其次还包括各个电路模块设计，综合应用来实现无线充电的作用，旨在给人们提供更优质的手机体验。关键词：手机，无线充电器，电磁感应，调试目 录摘 要2第1章 绪论51.1 研究现状51.2 功能及意义5第2章 系统总体方案设计62.1 工作原理62.1.1

2、 电磁感应式无线充电62.1.2 磁共振式无线充电62.1.3 无线电波方式72.1.4 电场耦合式72.2 解决方案选择83.1 无线充电器原理与结构93.2 电能发送部分电路设计93.2.1 高频振荡电路模块93.2.2 功率放大模块93.2.3 发射模块103.2.4 电路设计103.3 电能接收转换以及充电部分电路设计113.3.1 接收电路113.3.2 控制电路113.3.3 电路设计124.1 电能发射部分134.2 电能接收与充电部分134.2.1 充电过程134.2.2 停止充电过程14第5章 系统测试与分析155.1 调试155.1.1 调工作频率155.1.2 调基准电压

3、155.1.3 调充电控制155.1.4 调充满显示155.2 硬件调试155.3功能显示18总结与展望20一、总结20二、今后研究方向20参考文献21附件:原理图22第1章 绪论1.1 研究现状随着科技进步，智能手机，手表，平板电脑等各种各样的电子产品逐渐进入到大众的视野当中，给人们的生活带来了极大的乐趣，但是在使用的过程当中也存在诸多问题。其中最突出的就是各种电子产品的电池续航时间较短的情况影响了用户的体验，主要是由于人们使用手机的频率过高，手机内部各种软件和硬件耗电量大等等。而且电子产品适用的有限充电方式也会存在许多问题，在环境潮湿的情况之下更会产生漏电的情况，甚至还存在诸多由于充电时使

4、用手机而损害人体安全的现象。而且有线充电必须依赖充电线，但是不同的电子产品之间充电线的规格不同，所以无法实现一线多充，给人们的生活带来了极大的不便利。在这种情况之下，无线充电就进入到大众视野当中，虽然它不是一项新技术，但是在我国还没有得到十分广泛的应用，所以无线充电有着十分广阔的发展前景。1.2 功能及意义无线充电代表的不仅仅是市场的发展，同时还代表了科技的进步，它能够让人们随时随地的进行充电。目前我国的无线充电主要还停留在接触式充电方面，在未来可能发展为隔空充电，所以实现这些功能的最主要前提就是要解决充电效率低下的问题。本文主要研究的目的就是充分地发掘我国无线充电行业的发展潜力，提高务国企业

5、产品的竞争能力，带动市场的消费能力。第2章 系统总体方案设计2.1 工作原理2.1.1 电磁感应式无线充电目前电磁感应是技术发展最成熟也是最受大众欢迎的一种技术，它主要利用电磁感应原理，与变压器类似，发送端和接收端分别是线圈，在发送线圈上固定频率的交流电依赖线圈之间互感耦合的作用于次级线圈中产生交流电。电磁感应在手机无线充电系统当中也有着十分广泛并且简单的应用。主要是利用近场感应原理将直流电转换为高频交流电，通过放大攻略实现线圈之间的互感耦合，来帮助电流无线传送，其次经过整流滤波，稳压以及充电管理，实现无线充电的目的。主要方案图如下所示：图2.1 电磁感应式无线充电器原理由图可知充电器被分为两

6、个部分：发送部分和接受部分，分别与电源和锂电池相连接。2.1.2 磁共振式无线充电磁共振又被称为近场谐振式，它的主要工作原理就是利用发送和接收的两个装置实现共振传导能量，在同一频率之内发生共振，利用共振来实现能量的传递，其原理跟声音的共振一样。利用这种无线充电方案最关键的就是高效率和小型化的实现。其主要充电系统示意图如图所示，它的本质就是依赖线圈之间产生共振来实现能量传递的。图2.2 磁共振式无线充电系统2.1.3 无线电波方式无线电波方式与矿石收音机类似，都是由微波发射与接收装置构成，如下图所示。传输系统由微波源、发射与接收天线共同组成，微波源内部设有磁控管，可以控制2.45GHZ频段功率输

7、出，接收天线的收集以及转换的功率为25%。图2.3 无线电波式电能传输2.1.4 电场耦合式电场耦合式的感应电场主要来源于沿垂直方向耦合的量做非对称偶极子产生的，它能够进行电能的传输，将其传送给发送端到接收端。主要原理如下图所示，其中有供电模块以及供电电极共同构成供电部分，接收模块，接收电极以及转换器共同组成接收部分。利用电源电路设计技术可以实现电源电路的供电模块，并且还能够有效地保障产品的安全。图2.4 电场耦合式充电示意图2.2 解决方案选择每种无线充电方式都有自己的特征，其中电磁感应式无线充电方式是目前社会中最受欢迎的一种充电方式，也是很多充电产品应用最广泛的方法。主要原理是利用电磁在线

8、圈当中产生的磁场，对附近的线圈产生感应电动势，以此来产生感应电流。它的主要优点适合充电距离较短，并且转换效率较高的充电场所，但是它的充电位置比较固定，而且在充电的过程当中不能随便的改变位置，同时金属在感应的过程当中容易出现发热的情况。磁共振式无线充电是当今社会中许多学者深入研究的一种技术，在未来发展过程当中有着十分广阔的发展前景。主要原理是利用发送端的能量与共振频率相同的接收端产生共振来实现能量的传递。这种充电方式比较适用于大功率，并且距离较远的充电，同时它的转换功率介于较高和较低之间。主要缺点就是转换的效率比较低，同时在使用的过程当中还能对人体产生一定的辐射危害。无线电波式充电的主要原理是将

9、环境当中的电磁波转化为电流，通过电路来进行电流的传输。它的主要优点是比较适合一些较远，但是功率较小的充电，同时还能够满足随时随地充电的要求。但是它的主要缺点就是传输的功率比较小，充电耗费的时间比较长。电场耦合式无线充电，目前专家面临最重要的难题就是充电时距离的问题，同时如何使它变得更加小型、大功率是发展的关键。充电原理是沿着垂直方向耦合的两组非对称偶极子产生感应电场来实现能量的传输。优点是比较适合一些距离较短，但是功率较小的充电，而且它的转换功率比较高，同时不容易产生发热的情况，而且可以实现随时随地充电的要求。但是主要缺点就是充电系统比较大，产生的功率较小，充电耗费时间长。第3章 系统硬件设计

10、3.1 无线充电器原理与结构本文利用无线传感原理来实现手机无线充电的功能，其中既可以使用交流电作为供电电源，同时也可以使用直流电。如果是用交流电，那么就会经过继电器接入整流电路而变成直流电。初级线圈辐射的电磁波通过接收线圈而产生交变电流，再经过流滤波、控制充电以及充电模块来实现电池的充电功能，整体系统的结构图如下所示。图3.1 无线充电系统图3.2 电能发送部分电路设计3.2.1 高频振荡电路模块如图，使用了CDC4069三个反相器，第一个主要是用来产生振荡频率，其他两个起到了缓冲的作用。关键的差别在于石英晶体的接法，因此产生了不同的效果，使用b图中的方式起振更简单。图3.2 高频振荡电路图3

11、.2.2 功率放大模块场效应晶体管具的主要优势在于功耗较小、稳定性强、信号准确、噪音小，同时也具有较好的放大特征，如下图所示。R1、R2、R3与场效应管栅极并联，S接地，D级接LC电路，G前级接G原级。图3.3 功率放大电路图3.2.3 发射模块本文使用的都是直径为0.5ram的漆包线绕12匝，直径为80r的线圈。发射模块的主要功能就是把直流能量高效率的转变为变化磁场，这样才能够保障接收电路充分地发挥作用。图3.4 发射模块电路3.2.4 电路设计供电电源主要可以分为220V交流电源以及24V直流电源，依据交流电源优先的原则，如下图所示，继电器J常闭触点和直流电源相连接，除非特殊情况，否则s3

12、一直在接通状态。当交流电源供电的时候，首先要经过整流滤波得到26V直流电，开关由继电器选择，通常的导通电压不小于26V，导通继电器，闭合开关J，在这种情况之下发送单元的电路是交流供电，电能发送电路断开与BT1的连接，此时LED1导通。继电器J选择的24V电流供电对象是发射线圈L1，通过IC1降压给IC2提供电流，为了确保J不会对发送电路产生影响，规定C2的容量应该大于等于2200uF。本文的无线充电主要依赖两个线圈的互相耦合，所以为了是使得有更高的传输功率，就必须将频率调制的更高，但是又因为器件的高频特征，本文最终选取了1.6MHz。图3.5 无线电能发送部分电路图3.3 电能接收转换以及充电

13、部分电路设计3.3.1 接收电路该部分主要是接收线圈以及发送线圈的互感作用来实现电能的接收，再通过桥式整流电路进行整流，其次经过电容滤波、充电控制电路以及充电电路实现电源的供给。图3.6 接收转换电路图3.3.2 控制电路本设计的控制电路主要包括三极管、指示灯、集成运放以及TL431集成电路。其中TL431负责电压参考，集成运放负责三极管工作的控制，以此来控制指示灯，能够直观地反映出是否正在充电。图3.7 控制电路图3.3.3 电路设计图3.8 电能接收与充电部分第4章 系统软件设计4.1 电能发射部分图4.1 电能发射部分工作流程4.2 电能接收与充电部分4.2.1 充电过程电流通过接收线圈

14、形成交流电，然后经过整流滤波，给其他部件输送电源。在充电时，TL431输出的电压为4.15V，与集成运放的正输入端相连接，充电电池的正极与集成运放的负输入端相连接，其输出的电压也为4.15V，每个三极管的工作状态都不一样。如图：图4.2 充电过程流程图4.2.2 停止充电过程当电池的电量充满之后，集成运放的负向输入端的输入电压大于4.5V，每个三极管的工作状态发生了改变。如图4.3。图4.3 停止充电流程图第5章 系统测试与分析5.1 调试5.1.1 调工作频率为了将F1，F2产生的频率与c8l1一保持一致，可以调节PR1，这个时候电流表显示的数据是最小的，而且L2所测得的电压是最大的，此时保

15、证充电池bt2不被连接。5.1.2 调基准电压确保L1与L2之间的距离为2厘米，C5两边的应为18-20V的直流电压，调节PR2，保障两端的电压是4.15V，此时停止电池的充电工作。加大或缩小L1与L2之间的距离，基准电压在0-6厘米之间，应当为4.15V。5.1.3 调充电控制加大L1和L2之间的距离，直到为55厘米，降低C5两端的电压到8V。在集成运放的输出端处于一个高电位的同时，把R10转变为5M的电位器，将其从大调到小，不仅保证Q4处于一个完全饱和的状态，还能保障整个过程功耗较小。5.1.4 调充满显示当集成运放输出的是高电压的时候，要在led3熄灭的状态之下，将R5调到最大。当集成运

16、放输出的是低电位的时候，要把电流表串入在led3中，调节R8，使电流表显示的数据为0.5毫安，这个时候led3就会亮起，这样一来就会大大减少整个电路的消耗。5.2 硬件调试 （1）完整无线充电器由硬件显示图，如图5。 （2）将12v输入电流充电器和USB充电线接入无线充电模块，液晶屏亮起并显示当前输出电压，电流数据为0表示正常，如图6。 （3）两个无线充电线圈模块靠近感应，左边为12V输入，右边为5V输出，靠的越近电流电压则越高，如图7,8。图5 完整硬件显示图6 液晶屏显示正常图7 充电功能正常图8 无线模块正常5.3功能显示将手机通过数据线接入硬件的USB口，两个无线模块靠近，给手机进行充

17、电。蓝色指示灯亮，手机充电符号亮起表示充电状态。通过ADC0832模数据转化器采集手机的充电电压与充电电流，经过单片机的数据处理，在液晶屏上显示当前电压电流，如图9。当两个无线模块分开，便结束充电，如图10，结果显示系统各功能都正常运行。图9无线充电显示图10 结束充电显示总结与展望一、总结在本次写作以及设计实务的过程当中，由于个人的知识掌握不足，以及缺乏实验的经验和设备，导致在最后的调试阶段频繁出现问题。在本文的设计当中所使用的元器件都十分常见，而且不会消耗过多的成本。 本文的无线充电器系统主要利用的是电磁感应的原理，所以在使用的过程当中仍然会受到传输距离一起传输功率的限制，目前只对一些体格

18、较小的电子设备适用。但是在本文的设计当中，主要缺点就是没有在充电的过程当中，利用软件来进行控制，而是全部采用硬件电路。这样一来就大大的限制了充电的对象 ，而且在电路的设计中也没有使其他检测元件接入。主要是由于缺乏足够的知识和技术，否则就可以利用单片机来进行充电的设计，但是利用单片机也会有更加复杂的电路设计方案。二、今后研究方向随着目前无线充电器的市场逐渐兴起，尽管大多数消费者依然选择利用有线充电器，但是在未来的研究当中，相关学者和专家会在无线充电器的研发中投入大量的精力。目前无线充电器的主要缺陷是传输效率以及损耗的限制，并且还需要消费者的接受能力。而且在我国无线充电器研究市场当中，没有制定一个统一的充电标准，所以各个电子产品之间会存在不兼容的现象。在未来的研究当中，应该注意这些问题，促进无线充电器的发展。参考文献1于思博.手机无线充电器的设计J.电子技术与软件工程,2019,154(08):112.2李建华,陈水妹.手机无线充电系统设计J.咸宁学院学报,2015(12):72-73.3李昌仕.手机无线充电器设计J.科教导刊（电子版）,2015(24):152-152.4陈中瑾.基于MSP430单片机的无线传能充电器设计J.科技创新与应用,2018,No.236(16):99-100.5刘正全.低功耗