無(wú)線充電原理解析及經(jīng)典設(shè)計(jì)方案集錦

無(wú)線充電技術(shù)的原理研究可以追溯到19世紀(jì)30年代，科學(xué)家邁克爾?法拉第首先發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理，即周圍磁場(chǎng)的變化將使電線中產(chǎn)生電流。到了 19世紀(jì) 90年代，愛(ài)迪生光譜輻射能研究項(xiàng)目的一名助手，也是后來(lái)的科學(xué)家尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla) 證實(shí)了無(wú)線傳輸電波的可能性，并申請(qǐng)了首個(gè)專利。目前無(wú)線充電存在四種不同的商用技術(shù)，電磁感應(yīng)技術(shù)、無(wú)線電波技術(shù)和電磁共振技術(shù)、電場(chǎng)耦合技術(shù)，幾種技術(shù)各有特點(diǎn)。

　　無(wú)線充電是指利用電磁波感應(yīng)原理進(jìn)行充電的設(shè)備，原理類似于變壓器。在發(fā)送和接收端各有一個(gè)線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號(hào)，接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號(hào)從而產(chǎn)生電流給電池充電。

　　實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電技術(shù)主要通過(guò)四種方式：電磁感應(yīng)式、磁場(chǎng)共振式、無(wú)線電波式、電場(chǎng)耦合式。

　　1.電磁感應(yīng)式充電：初級(jí)線圈一定頻率的交流電，通過(guò)電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈鐘產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。目前最為常見(jiàn)的充電墊解決方案就采用了電磁感應(yīng)，事實(shí)上，電磁感應(yīng)解決方案在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上并無(wú)太多神秘感，中國(guó)本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請(qǐng)的非接觸感應(yīng)式充電器專利，就使用了電磁感應(yīng)技術(shù)。

電磁感應(yīng)式無(wú)線充電產(chǎn)品示意圖

　　2.磁場(chǎng)共振充電：由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說(shuō)在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術(shù)，由麻省理工學(xué)院(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)點(diǎn)亮了兩米外的一盞60瓦燈泡，并將其取名為WiTricity。該實(shí)驗(yàn)中使用的線圈直徑達(dá)到50cm，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會(huì)下降。相比電磁感應(yīng)方式，利用共振可延長(zhǎng)傳輸距離。磁共振方式不同于電磁感應(yīng)方式，無(wú)需使線圈間的位置完全吻合。

　　3.無(wú)線電波式充電：這是發(fā)展較為成熟的技術(shù)，類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無(wú)線電波能量，在隨負(fù)載作出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。此種方式只需一個(gè)安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器。

　　4. 電場(chǎng)耦合式充電：充電模塊是由2個(gè)非對(duì)稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無(wú)線供電模塊就是通過(guò)這2個(gè)非對(duì)稱偶極子的電場(chǎng)耦合而產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)來(lái)供電的。電場(chǎng)耦合方式的特點(diǎn)大致有三：①充電時(shí)可實(shí)現(xiàn)位置自由，②電極薄，③電極部的溫度不會(huì)上升。因此不僅能夠提供便利性，而且還可降低系統(tǒng)成本。目前已試制完成為平板終端及電子書(shū)等便攜終端進(jìn)行無(wú)線供電的供電臺(tái)。

經(jīng)典微距離無(wú)線充電器創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案主要介紹了微距離無(wú)線充電器設(shè)計(jì)的基本方案，主要分析無(wú)線電能發(fā)送單元電路、無(wú)線電能接收器電路等。

　　將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，然后通過(guò)沒(méi)有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線饋送?；痉桨溉鐖D1所示。

　　本無(wú)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。電能的無(wú)線傳送實(shí)際上是通過(guò)發(fā)射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實(shí)現(xiàn)的，這里L(fēng)1與L2構(gòu)成一個(gè)無(wú)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(yīng)選擇較高的調(diào)制頻率，同時(shí)要考慮到器件的高頻特性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)選擇1.6MHz較為合適。

　　圖2無(wú)線電能發(fā)送單元電路圖

圖3無(wú)線電能接收器電路圖

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電磁感應(yīng)式智能無(wú)線充電器設(shè)計(jì)方案

　　智能無(wú)線充電器利用電磁感應(yīng)原理，是非接觸充電系統(tǒng)，不再通過(guò)導(dǎo)線(充電線)傳輸電能，而是無(wú)線傳輸方式充電。沒(méi)有充電所用的物理接口，與一般充電器相比，避免了插線或拔電池的麻煩，具有一般充電器的工作原理;作品采用一(充電器)對(duì)多(感應(yīng)負(fù)載)充電、智能充電的設(shè)計(jì)思想;無(wú)線充電器對(duì)負(fù)載充電時(shí)，指示燈將由綠燈轉(zhuǎn)換為七彩燈，手機(jī)也正確顯示充電狀態(tài)并智能完成充過(guò)程(實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品為手機(jī))。本充電器可以同時(shí)對(duì)多個(gè)負(fù)載充電，可以自動(dòng)感應(yīng)是否有負(fù)載充電，達(dá)到自動(dòng)充電，充滿電后10秒自動(dòng)斷電，達(dá)到智能化;從而大大方便了用戶。

　　無(wú)線充電器利用電磁感應(yīng)原理。通過(guò)NE555D芯片產(chǎn)生一個(gè)36.7K的脈沖頻率(因?yàn)榻?jīng)過(guò)調(diào)試在36.7K頻率時(shí)，效率達(dá)到最高)，IRFP460功率放大，使發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)接收線圈靠近時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過(guò)全波整流和穩(wěn)壓，得到負(fù)載 (手機(jī))所需要的充電電壓和電流。發(fā)射線圈的電流會(huì)隨著感應(yīng)負(fù)載的增加而增大，通過(guò)運(yùn)放把0.33歐的負(fù)載電壓23倍放大，再經(jīng)過(guò)1N4148整流濾波得到電壓U1與基準(zhǔn)源Uo比較。充電時(shí)，U1大于Uo七彩燈閃亮，表示正在充電;空負(fù)載或充滿電時(shí)，U1小于Uo，綠燈亮，若10秒鐘后沒(méi)有感應(yīng)負(fù)載，自動(dòng)斷電;按一下復(fù)位鍵則充電器重新啟動(dòng)。 本設(shè)計(jì)方案主要從NE555D脈沖發(fā)生器模塊、功率放大及無(wú)線發(fā)射模塊、感應(yīng)線圈模塊、充電檢測(cè)模塊、充電檢測(cè)模塊進(jìn)行分析。部分電路分析及工作流程圖如下：

　　如圖1，根據(jù)T=(R1+Rp)C1，f=1/T，調(diào)節(jié)Rp使NE555D輸出一個(gè)36.7KHZ的脈沖頻率。

　　設(shè)計(jì)、制作智能無(wú)線充電器，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)成本低廉

　　電路由脈沖產(chǎn)生部分、功率放大部分，濾波部分、比較部分及發(fā)射和接收部分組成，每部分只是幾個(gè)小元件組成，制作簡(jiǎn)單。

　　(2)一對(duì)多充電

　　一臺(tái)充電器可以對(duì)多個(gè)負(fù)載充，一個(gè)家庭購(gòu)買一臺(tái)充電器就可以滿足全家人使用，隨著負(fù)載的增加，工作效率也會(huì)增高，因此可以節(jié)約用電同時(shí)亦可減少不必要的開(kāi)銷。

　　(3)方便性

　　與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時(shí)亦避免了接口不適用，接觸不良等現(xiàn)象，老年人也能很方便地使用。

　　(4)智能化

　　只要把感應(yīng)負(fù)載往充電器上面放，就可以自動(dòng)感應(yīng)充電，通過(guò)信息反饋，當(dāng)感應(yīng)負(fù)載滿電后，自動(dòng)斷電，實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程智能化。

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基于MSP43O單片機(jī)的無(wú)線充電器設(shè)計(jì)

　　無(wú)線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)線圈進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。如圖1所示，系統(tǒng)工作時(shí)輸人端將交流市 電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用24V直流電端直接為系統(tǒng)供電。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈靠近時(shí)，在接收線圈中產(chǎn)生感生電壓，當(dāng)接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時(shí)產(chǎn)生諧振，電壓達(dá)最大值，具有最好的能量傳輸效果。通過(guò) 2個(gè)電感線圈耦合能量，次級(jí)線圈輸出的電流經(jīng)接受轉(zhuǎn)換電路變化成直流電為電池充電。

　　本設(shè)計(jì)方案就是一個(gè)由能量發(fā)送單元和能量接收單元兩大部分組成，利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能無(wú)線傳遞的充電器。如下圖是整機(jī)電路原理圖。

　　文章詳情：基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線充電器設(shè)計(jì)

便攜醫(yī)療設(shè)備的無(wú)線充電設(shè)計(jì)

　　本文主要介紹便攜醫(yī)療設(shè)備的無(wú)線充電設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　想象一下，你是一家大城市急救室的醫(yī)療技師。你在各個(gè)病房之間穿梭，使用便攜式診斷設(shè)備協(xié)助醫(yī)護(hù)人員做診斷。工作壓力大，病人源源不斷，你根本沒(méi)時(shí)間去找插座，把你的設(shè)備插上去。你大概愿意把設(shè)備放到一個(gè)地方，讓它自動(dòng)充電。這樣你就能到下一個(gè)病人或傷者那里，他們需要?jiǎng)幼餮杆俸透咝У尼t(yī)護(hù)人員。對(duì)你和病人來(lái)說(shuō)幸運(yùn)的是，無(wú)線充電已經(jīng)是一種現(xiàn)成的技術(shù)。

　　行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范正在引領(lǐng)無(wú)線充電的發(fā)展。無(wú)線充電聯(lián)盟(WPC)的標(biāo)準(zhǔn)也被稱為Qi(發(fā)音“奇”)。這個(gè)規(guī)范又分為系統(tǒng)的三個(gè)核心部分：功率發(fā)射器、功率接收器以及這兩個(gè)器件之間的通信協(xié)議。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)是(見(jiàn)圖1)：

　　圖1：無(wú)線充電系統(tǒng)方塊圖(來(lái)源：無(wú)線充電聯(lián)盟網(wǎng)站)

　　(1)一種從底座到便攜式設(shè)備的非接觸式功率傳輸方法，這種方法的物理基礎(chǔ)是線圈之間的近場(chǎng)電磁感應(yīng)。

　　(2)使用一個(gè)次級(jí)(或接收)線圈傳輸大約5W功率。

　　(3)工作頻率范圍為110Hz至 205kHz。

　　(4)在底座表面擺放便攜式設(shè)備的方式有兩種：一種方式是在底座表面的指定位置擺放便攜式設(shè)備，底座通過(guò)該表面的一個(gè)或幾個(gè)固定的位置提供能量;自由定位允許便攜式設(shè)備隨意擺放在充電站表面，從該表面的任何地方提供能量。

　　(5)可以達(dá)到非常低的待機(jī)功耗，這取決于具體的實(shí)現(xiàn)方法。

　　(6)能夠靈活地把系統(tǒng)集成到便攜式設(shè)備。