多種無(wú)線充電模塊電子電路設(shè)計(jì)組合

TOP1 采用MSP430F2274超低功耗單片機(jī)作為無(wú)線傳能充電器

　　采用MSP430F2274超低功耗單片機(jī)作為無(wú)線傳能充電器的監(jiān)測(cè)控制核心，通過開關(guān)選擇充電的速度，實(shí)現(xiàn)快速充電和常態(tài)充電功能，電能充滿后給出充滿提示且自動(dòng)停止充電。無(wú)線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理，通過線圈進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。系統(tǒng)工作時(shí)輸入端將交流市電經(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。交直流輸入采用單刀雙閘繼電器，交流上電常開閉合，常閉打開實(shí)現(xiàn)交流優(yōu)先，交流斷電繼電器斷電， 常閉閉合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。在切換時(shí)，時(shí)間很短，C1可提供一定時(shí)間的電量，可以實(shí)現(xiàn)不斷電切換，不影響充電。

　　發(fā)射電路：由振蕩信號(hào)發(fā)生器和諧振功率放大器兩部分組成。采用NE555構(gòu)成振蕩頻率約為510KHZ信號(hào)發(fā)生器，為功放電路提供激勵(lì)信號(hào)；諧振功率放大器由LC并聯(lián)諧振回路和開關(guān)管IRF840構(gòu)成。振蕩線圈按要求用直徑為0．80mm的漆包線密繞20圈，直徑約為6．5cm，實(shí)測(cè)電感值約為 142uH，當(dāng)諧振在510KHZ時(shí)，與其并聯(lián)的電容C5、C6約為680p，可用470pF的固定，電容并聯(lián)一個(gè)200PF的可調(diào)電容，可方便調(diào)節(jié)諧振頻率。 大功率管TRF840最大電流為8A、完全開啟時(shí)內(nèi)阻為0．85歐，管子發(fā)熱量大，所以需要加裝散熱片。當(dāng)功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵(lì)信號(hào)頻率相同時(shí)，功率放大器發(fā)生諧振，此時(shí)線圈中的電壓和電流達(dá)最大值，從而產(chǎn)生最大的交變電磁場(chǎng)。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。實(shí)際上，發(fā)射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態(tài)時(shí)，具有最好的能量傳輸效果。

　　振蕩信號(hào)發(fā)生器：

　　諧振功率放大器：

　　接收電路：電能經(jīng)過線圈接收后，高頻交流電壓經(jīng)快速二極1N4148進(jìn)行全波整流，3300F的電容濾波， 再用5．1V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，輸出直流電為充電器提供較為穩(wěn)定的工作電壓。因?yàn)閁c（t）= 1 C ∫i（t）dt， 為了準(zhǔn)確控制充電時(shí)間，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用恒流充電的方法，可以保證充電電流大致為一常數(shù)I，上述電容電壓與時(shí)間的關(guān)系可表示為：Uc（t）= I C t。根據(jù)題設(shè)要求，充電時(shí)間應(yīng)滿足快充小于30S， 慢充控制在120±20S，計(jì)算出快充、慢充所需電流大小快I1、慢I2分別為：I1=22000μF&TImes;3V/30S≈2．2mAI2=22000μF&TImes;3V/120S≈0．55mA ，二極管D1、D2的導(dǎo)通電壓基本不變，故可作為電壓基準(zhǔn)，約為1．4V。各電壓關(guān)系為：UR+UEB=UD1+UD2≈1．4V

　
　 TOP2　基于NE555D芯片無(wú)線充電模塊電路

　　系統(tǒng)模塊

　　無(wú)線充電器利用電磁感應(yīng)原理。通過NE555D芯片產(chǎn)生一個(gè)36.7K的脈沖頻率（因?yàn)榻?jīng)過調(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，通過運(yùn)放把0.33歐的負(fù)載電壓23倍放大，再經(jīng)過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)。

　　具體電路分析如下：

　　1 NE555D脈沖發(fā)生器模塊 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。

　　2 功率放大及無(wú)線發(fā)射模塊

　　主要把NE555D產(chǎn)生的一個(gè)36.7KHZ的脈沖功率放大，經(jīng)發(fā)射線圈發(fā)射出去。當(dāng)脈沖為高電平時(shí)，Q12柵極為高電平，Q12導(dǎo)通，此時(shí)Q8飽和，Uceq電壓只有0.67V，經(jīng)D10-4148后Q1柵極電壓為0，Q1截止。當(dāng)脈沖為低電平時(shí)，Q8、Q12同時(shí)截止，電流直接由R16 D10 Q1，Q1導(dǎo)通。整個(gè)過程中Q1與Q12均以一開一關(guān)的形式工作。

　 3 感應(yīng)線圈模塊 當(dāng)感應(yīng)線圈靠近發(fā)射線圈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過全波整流后，根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的充電電壓，可選擇不同的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，再經(jīng)三極管Q100放大電流后供給不同電子產(chǎn)品充電。

4 充電檢測(cè)模塊 當(dāng)有感應(yīng)負(fù)載時(shí)，R20（0.33歐）電阻上的電壓會(huì)增大，經(jīng)運(yùn)放U2A放大A=1+R5/R6=23倍后，電壓變化明顯，再經(jīng)過1N4148整流濾波，得電壓U1與基準(zhǔn)源U。比較，此時(shí)U1＞U。，運(yùn)放輸出Ui為高電平，七彩燈閃爍；當(dāng)感應(yīng)負(fù)載充滿電（或沒有感應(yīng)到負(fù)載），此時(shí)U1＜U。，運(yùn)放輸出Ui 為低電平，綠燈亮。

　　TOP3　無(wú)線充電振蕩電路選擇

　　1 電路的設(shè)計(jì)

　　對(duì)于無(wú)線充電電路來說，有三部分最主要的電路：振蕩電路、放大電路和無(wú)線接收電路。這里主要討論利用多諧振蕩器組成的無(wú)線充電電路。

　　2 振蕩電路

　　多諧振蕩器產(chǎn)生振蕩是最簡(jiǎn)單的振蕩電路，構(gòu)成振蕩電路有多種方法，常見的有用COMS門電路構(gòu)成的多諧振蕩器，電路簡(jiǎn)單省電，但在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)振蕩幅度不夠，高頻段更是如此。

　　用晶體管作多諧振蕩器有兩種電路：

　　第一種是集電極—基極耦合多諧振蕩器，這種多諧振蕩器在低頻段效果還可以，但在高頻段就無(wú)法應(yīng)用。因?yàn)榧姌O—基極耦合多諧振蕩器的輸出上升沿差，為使輸出幅度穩(wěn)定，兩只晶體三極管工作在飽和狀態(tài)，因而使電路的最高工作頻率受到限制。

　　第二種是發(fā)射極耦合多諧振蕩器，它可以克服第一種振蕩器的缺點(diǎn)，兩只晶體三極管工作在非飽和狀態(tài)，提高了三極管的開關(guān)速度，從而可以得到更高的振蕩頻率。耦合電容接在發(fā)射極上，能改善輸出波形。最后我們選用的晶體管多諧振蕩器就是發(fā)射極耦合多諧振蕩器，亦稱射極耦合多諧振蕩器。

　
　 TOP4　太陽(yáng)能無(wú)線充電電路設(shè)計(jì)

　　太陽(yáng)能發(fā)電的原理主要是由太陽(yáng)能電池板接收太陽(yáng)光，在太陽(yáng)能電池板的基板上發(fā)生光電效應(yīng)，從而將光能轉(zhuǎn)換成電能，然后將電能通過蓄電池儲(chǔ)存起來。

　　太陽(yáng)能無(wú)線充電電路可以設(shè)計(jì)成如圖4電路。 在圖4中我們選用的晶體管發(fā)射極耦合多諧振蕩器和模擬達(dá)林頓管組成無(wú)線充電電路，發(fā)射極耦合多諧振蕩器用兩個(gè)小功率三極管組成，按圖4中的元器件數(shù)據(jù)，振蕩頻率約為350kHz。元器件中僅最后一級(jí)三極管VT4的耗散功率大些，其他的都是比較簡(jiǎn)單并且容易得到的元器件。

　　12V的電源由太陽(yáng)能充電電路提供，電源信號(hào)通過射極耦合多諧振蕩電路變成高頻信號(hào)再通過C3和R7組成的耦合電路之后被模擬達(dá)林頓管功放電路放大，L1和L2分別是初級(jí)和次級(jí)耦合線圈，放大后的信號(hào)通過L1和L2的耦合被無(wú)線傳送到次級(jí)接收電路，高頻交流信號(hào)被整流濾波后變成直流電能給3.7V 的鋰電池進(jìn)行充電。

　　TOP5　無(wú)線電能發(fā)送單元的供電電源電路設(shè)計(jì)圖

　　電能發(fā)送部分，如圖2，無(wú)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(diǎn)與直流（電池BT1）連接。正常情況下S3處于接通狀態(tài)。

　　當(dāng)電池充滿（略大于4.15V）時(shí)，IC3的反相輸入端2略高于4.15V。運(yùn)放便輸出低電位，此時(shí)Q4截止，恒流管Q5因完全得不到偏流而截止，因而停止充電。同時(shí)運(yùn)放輸出的低電位經(jīng)R8使Q3導(dǎo)通，點(diǎn)亮LED3作為充滿狀態(tài)指示。

　　兩種充電模式由R6、R7決定。這個(gè)非序列值可以在E24序列電阻的標(biāo)稱值為918的電阻中找到，就用918的也行。 如果作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這部分電路應(yīng)當(dāng)盡可能微型化（電流表電壓表只是在實(shí)驗(yàn)品中調(diào)試時(shí)用，產(chǎn)品中不需要），最好成為電池的附屬電路。

　　主要元器件選擇

　　電源變壓器T1：5VA18V，這里利用現(xiàn)有的雙18V的，經(jīng)整流濾波后得到約24V的直流

　　繼電器J：DC24V，經(jīng)測(cè)量其可靠吸合電流為13mA

　　保險(xiǎn)管FUSE：快速反應(yīng)的1A

　　可調(diào)電阻RP1和RP2：用精密可調(diào)的

　　諧振電容C8：瓷介電容耐壓不小于63V

　　整流橋D5-D8：用高頻開關(guān)管1N4148

　　精密電壓源：TL431

　　運(yùn)放IC3：OPA335，TI公司的軌對(duì)軌精密單運(yùn)放

　　晶體管Q3、Q4和Q5：要求漏電流小于0.1uA，放大倍數(shù)大于200，圖中已標(biāo)型號(hào)

　　發(fā)光管LED2：普亮（紅），正向VA特性盡可能陡直（動(dòng)態(tài)電阻小，穩(wěn)壓特性好）

　　發(fā)送線圈L1：用U1mm的漆包線在U66mm的圓柱體（易拉罐正好）上密繞20匝，用502

　　TOP6　無(wú)線電能接收單元的供電電源電路設(shè)計(jì)圖

　　電能經(jīng)過線圈降壓接收后，高頻交流電壓經(jīng)過IN4007整流管進(jìn)行全波整流，2200uf的電容濾波，再用3.3V穩(wěn)壓二極管驚醒穩(wěn)壓，輸出直流電為電池提供較穩(wěn)定的工作電壓，為電池充電。

　　
TOP7　無(wú)線電能整體電路設(shè)計(jì)圖

　　無(wú)線充電器基本功能是通過線圈將H 電能H 以H 無(wú)線H 方式傳輸給電池。只需把電池和接收設(shè)備放在充電平臺(tái)上即可對(duì)其進(jìn)行充電。實(shí)驗(yàn)證明．雖然該系統(tǒng)還不能充電于無(wú)形之中．但已能做到將多個(gè)校電器放置于同一充電平臺(tái)上同時(shí)充電。免去接線的煩惱。

　　1 無(wú)線充電器原理與結(jié)構(gòu)

　　無(wú)線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理，通過線圈進(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)輸入端將交流市電經(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。經(jīng)過H 電源管理H 模塊后輸出的直流電通過2M有源晶振逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電 供給初級(jí)繞組。通過2個(gè)H 電感H 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。

　　2 電源管理模塊

　　3 發(fā)射電路模塊

　　如圖3，主振電路采用2 MHz有源晶振作為振蕩器。有源晶振輸出的方波，經(jīng)過二階低通濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的正弦波輸出，經(jīng)三極管13003及其外圍電路組成的丙類放大電路后輸出至線圈與電容組成的并聯(lián)諧振回路輻射出去．為接收部分提供能量。

　　4 接收電路模塊與充電電路

　　測(cè)得與電容組成的并聯(lián)諧振回路的空芯耦合線圈的線徑為O．5 mm，直徑為7 cm，電感為47 uH，載波頻率為2 MHz。根據(jù)并聯(lián)諧振公式得匹配電容C約為140 pF。因而．發(fā)射部分采用2MHz有源晶振產(chǎn)生與諧振頻率接近的能源載波頻率。