【创意无线】无线充电原理解析及经典设计方案集锦

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无线充电技术的原理研究可以追溯到19世纪30年代，科学家迈克尔•法拉第首先发现了电磁感应原理，即周围磁场的变化将使电线中产生电流。到了 19世纪 90年代，爱迪生光谱辐射能研究项目的一名助手，也是后来的科学家尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla) 证实了无线传输电波的可能性，并申请了首个专利。目前无线充电存在四种不同的商用技术，电磁感应技术、无线电波技术和电磁共振技术、电场耦合技术，几种技术各有特点。

　　无线充电是指利用电磁波感应原理进行充电的设备，原理类似于变压器。在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。

　　实现无线充电技术主要通过四种方式：电磁感应式、磁场共振式、无线电波式、电场耦合式。

　　1.电磁感应式充电：初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈钟产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电垫解决方案就采用了电磁感应，事实上，电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感，中国本土的比亚迪公司，早在2005年12月申请的非接触感应式充电器专利，就使用了电磁感应技术。




电磁感应式无线充电产品示意图

　　2.磁场共振充电：由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，是目前正在研究的一种技术，由麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡，并将其取名为WiTricity。该实验中使用的线圈直径达到50cm，还无法实现商用化，如果要缩小线圈尺寸，接收功率自然也会下降。相比电磁感应方式，利用共振可延长传输距离。磁共振方式不同于电磁感应方式，无需使线圈间的位置完全吻合。

      

　　3.无线电波式充电：这是发展较为成熟的技术，类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器。

      

　　4. 电场耦合式充电：充电模块是由2个非对称偶极子按垂直方向排列而成的，这组偶极子各由供电部分和接收部分的活性炭电极和接地电极组成。无线供电模块就是通过这2个非对称偶极子的电场耦合而产生的感应电场来供电的。电场耦合方式的特点大致有三：①充电时可实现位置自由，②电极薄，③电极部的温度不会上升。因此不仅能够提供便利性，而且还可降低系统成本。目前已试制完成为平板终端及电子书等便携终端进行无线供电的供电台。

      
         经典微距离无线充电器创新设计方案

    本设计方案主要介绍了微距离无线充电器设计的基本方案，主要分析无线电能发送单元电路、无线电能接收器电路等。

　　将直流电转换成高频交流电，然后通过没有任何有有线连接的原、副线圈之间的互感耦合实现电能的无线馈送。基本方案如图1所示。

      

　　本无线充电器由电能发送电路和电能接收与充电控制电路两部分构成。电能的无线传送实际上是通过发射线圈L1和接收线圈L2的互感作用实现的，这里L1与L2构成一个无磁芯的变压器的原、副线圈。为保证足够的功率和尽可能高的效率，应选择较高的调制频率，同时要考虑到器件的高频特性，经实验选择1.6MHz较为合适。

        

　　图2无线电能发送单元电路图


       图3无线电能接收器电路图

       电磁感应式智能无线充电器设计方案

　　智能无线充电器利用电磁感应原理，是非接触充电系统，不再通过导线(充电线)传输电能，而是无线传输方式充电。没有充电所用的物理接口，与一般充电器相比，避免了插线或拔电池的麻烦，具有一般充电器的工作原理;作品采用一(充电器)对多(感应负载)充电、智能充电的设计思想;无线充电器对负载充电时，指示灯将由绿灯转换为七彩灯，手机也正确显示充电状态并智能完成充过程(实验产品为手机)。本充电器可以同时对多个负载充电，可以自动感应是否有负载充电，达到自动充电，充满电后10秒自动断电，达到智能化;从而大大方便了用户。

　　无线充电器利用电磁感应原理。通过NE555D芯片产生一个36.7K的脉冲频率(因为经过调试在36.7K频率时，效率达到最高)，IRFP460功率放大，使发射线圈产生磁场，当接收线圈靠近时，产生感应电流，经过全波整流和稳压，得到负载 (手机)所需要的充电电压和电流。发射线圈的电流会随着感应负载的增加而增大，通过运放把0.33欧的负载电压23倍放大，再经过1N4148整流滤波得到电压U1与基准源Uo比较。充电时，U1大于Uo七彩灯闪亮，表示正在充电;空负载或充满电时，U1小于Uo，绿灯亮，若10秒钟后没有感应负载，自动断电;按一下复位键则充电器重新启动。 本设计方案主要从NE555D脉冲发生器模块、功率放大及无线发射模块、感应线圈模块、充电检测模块、充电检测模块进行分析。部分电路分析及工作流程图如下：

　　如图1，根据T=(R1+Rp)C1，f=1/T，调节Rp使NE555D输出一个36.7KHZ的脉冲频率。




　　设计、制作智能无线充电器，它具有如下优点：

　　(1)成本低廉

　　电路由脉冲产生部分、功率放大部分，滤波部分、比较部分及发射和接收部分组成，每部分只是几个小元件组成，制作简单。

　　(2)一对多充电

　　一台充电器可以对多个负载充，一个家庭购买一台充电器就可以满足全家人使用，随着负载的增加，工作效率也会增高，因此可以节约用电同时亦可减少不必要的开销。

　　(3)方便性

　　与一般充电器相比，减少了插拔的麻烦，同时亦避免了接口不适用，接触不良等现象，老年人也能很方便地使用。

　　(4)智能化

　　只要把感应负载往充电器上面放，就可以自动感应充电，通过信息反馈，当感应负载满电后，自动断电，实现充电过程智能化
        
       基于MSP43O单片机的无线充电器设计

　　无线充电系统主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图1所示，系统工作时输人端将交流市 电经全桥整流电路变换成直流电，或用24V直流电端直接为系统供电。当接收线圈与发射线圈靠近时，在接收线圈中产生感生电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达最大值，具有最好的能量传输效果。通过 2个电感线圈耦合能量，次级线圈输出的电流经接受转换电路变化成直流电为电池充电。

　　本设计方案就是一个由能量发送单元和能量接收单元两大部分组成，利用电磁感应原理实现电能无线传递的充电器。如下图是整机电路原理图。



　　文章详情：基于MSP430单片机的无线充电器设计
      

        便携医疗设备的无线充电设计  

　　本文主要介绍便携医疗设备的无线充电设计与实现。

　　想象一下，你是一家大城市急救室的医疗技师。你在各个病房之间穿梭，使用便携式诊断设备协助医护人员做诊断。工作压力大，病人源源不断，你根本没时间去找插座，把你的设备插上去。你大概愿意把设备放到一个地方，让它自动充电。这样你就能到下一个病人或伤者那里，他们需要动作迅速和高效的医护人员。对你和病人来说幸运的是，无线充电已经是一种现成的技术。

　　行业标准规范正在引领无线充电的发展。无线充电联盟(WPC)的标准也被称为Qi(发音“奇”)。这个规范又分为系统的三个核心部分：功率发射器、功率接收器以及这两个器件之间的通信协议。这个标准的主要特点是(见图1)：

         

　　图1：无线充电系统方块图(来源：无线充电联盟网站)

　　(1)一种从底座到便携式设备的非接触式功率传输方法，这种方法的物理基础是线圈之间的近场电磁感应。

　　(2)使用一个次级(或接收)线圈传输大约5W功率。

　　(3)工作频率范围为110Hz至 205kHz。

　　(4)在底座表面摆放便携式设备的方式有两种：一种方式是在底座表面的指定位置摆放便携式设备，底座通过该表面的一个或几个固定的位置提供能量;自由定位允许便携式设备随意摆放在充电站表面，从该表面的任何地方提供能量。

　　(5)可以达到非常低的待机功耗，这取决于具体的实现方法。

　　(6)能够灵活地把系统集成到便携式设备。

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三石呀

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