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简易手机无线充电器的设计.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.81M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第一章 引言
    1.1课题研究背景和意义
    1.2发展过程与现状
    1.3本文的主要研究内容
    第二章 无线充电器的关键技术研究
    2.1常见的无线充电原理
    2.1.1电磁感应技术
    2.1.2磁场共振技术
    2.1.3光波或者微波的辐射技术
    2.2无线充电器的关键技术的讨论
    2.2.1电磁感应的原理的论述
    2.2.2影响线圈传输效率因素的探讨
    3.1无线充电器的总体构成
    3.1.1整流滤波电路
    3.1.2逆变电路
    3.2发射模块的设计方案
    3.2.1驱动电路原理
    3.2.2功率放大电路原理
    3.3接收模块设计方案
    第四章 无线充电器系统的性能测试
    4.1无线充电器样品示意图
    4.2发射和接收模块测试
    4.3 无线充电器充电距离的测量
    第五章 总结与展望
    5.1总结
    5.2展望
    目录 第一章 引言.............................................................................................................1 1.1 课题研究背景和意义....................................................................................1 1.2 发展过程与现状............................................................................................2 1.3 本文的主要研究内容....................................................................................3 第二章 无线充电器的关键技术研究.............................................................. 4 2.1 常见的无线充电原理....................................................................................4 2.1.1 电磁感应技术....................................................................................4 2.1.2 磁场共振技术....................................................................................4 2.1.3 光波或者微波的辐射技术................................................................5 2.2 无线充电器的关键技术的讨论....................................................................5 2.2.1 电磁感应的原理的论述....................................................................5 2.2.2 影响线圈传输效率因素的探讨........................................................6 3.1 无线充电器的总体构成..............................................................................10 3.1.1 整流滤波电路..................................................................................10 3.1.2 逆变电路..........................................................................................11 3.2 发射模块的设计方案..................................................................................13 3.2.1 驱动电路原理..................................................................................14 3.2.2 功率放大电路原理..........................................................................15 3.3 接收模块设计方案......................................................................................17 第四章 无线充电器系统的性能测试............................................................ 20 4.1 无线充电器样品示意图..............................................................................20 4.2 发射和接收模块测试..................................................................................21 4.3 无线充电器充电距离的测量.....................................................................22 第五章 总结与展望.............................................................................................23 5.1 总结..............................................................................................................23 5.2 展望..............................................................................................................23
    第一章 引言 1.1 课题研究背景和意义 随着社会科学技术的发展与当今设备电气化程度的不断完善。人们的生活 越来越离不开电能，大到一个民族一个国家的国防设施的运营，小到一个家庭 的饮食起居，都需要电来参与其中[1]。里面几乎全部都使用导线或者直接接触的 方式进行电能传输，而且这种有线的传输技术方式从富兰克林开始发展到现在 比较成熟。但由于这种方式从原理上来说存在着一些弊端，所以还有一系列问 题难以解决。首先传统的电能传输方式存在着安全方面的隐患，比如一般的用 电设备会因为接触式的供电方法而产生不可避免的摩擦或者是撞击，进而产生 电火花。还有因为接触式的传输方式产生的热能对绝缘体和导体产生损耗，增 加了使用者的维护与更换成本[2]。更严重的是传统输电方式会对使用者产生可靠 性与安全性的威胁，不健康的电气导通和接触方式会降低接触点的电流导通率， 并且一般的电气开关会因为电压超过空气的耐受力而产生拉弧现象致使绝缘体 产生融化或者碎裂的损坏，进而产生高温引发火灾。当然随着科技的进步，电 子产品小型化与便携化是必然趋势，与之相应的问题也渐渐的呈现出来。比如 供电接口插头的经常插拔，导致了接口线头的变形、损坏、磨损等一列问题， 进而对使用者产生了安全隐患。另外随着各种各样电子产品的普及，也会产生 资源浪费的问题。比如各种各样的充电接头，它们有着不同的生产规格与工作 标准，所以每个电子产品都需要一套独立的充电插口与电线，这样对使用者来 说就造成了十分不必要的资源浪费，同时对于生产过程来说也造成了多余的垃 圾和污染。人们在使用的过程中也常常因为种类繁多的充电线相互缠绕在一块 而十分烦恼，这些都带来了使用过程中的不便。 并且由于传统接触式的传输方式因为其使用条件的绝对性，在一些特殊的 场合并不能满足使用的要求。比如在矿井下，我们国家每年都会因为瓦斯气体 爆炸而造成巨大的经济损失，其就是因为接触式的供电方式因摩擦或者碰撞而 产生电火花，遇到一定浓度的瓦斯气体进而发生爆炸，对当事者产生经济和精 神上的巨大打击。还有一些需要常年在水下工作的设备，例如水下探测设备， 1
    因为其工作环境的原因需要满足其完全封闭的工作主体，但同时又需要经常更 换电池或使用水中电缆来对其进行事实供电，这就对水下探测设备的正常工作 与定期的维护产生了极大的不方便。还有一些植入体内的医疗电子设备，它们 同样需要进行定期的充电与维护，然而传统的充电方式并不能有效地解决这个 问题。还有一些地区例如孤立的岛屿和偏远的山区，要想对这些地方进行供电， 采用传统的方式，需要先搭建电缆电网等基础设施，这种方式不仅成本高，而 且需要很多的工作日去完成，可以说是费时费力。上面这些有线供电方式所提 到的一系列问题，都需要一种全新的不需要导线直接接触的方式来解决。而随 着电子科学应用技术的发展和电磁场理论的突破，使无线输电的设想成为了可 能。 1.2 发展过程与现状 从国外方面来说，无线充电技术并不属于近些年才发现的新技术，在 1980 年的时候，来自克罗地亚的物理学家尼古拉特拉斯就有一个新奇而且大胆的想 法：视地球为一个巨大的导体然后在电离层与地球之间建立起一种低频的共振， 最终利用环绕在地球表面的电磁波实现远距离的电力传输，并且进行了大胆的 实践尝试。但是最终因为技术的不成熟和其危险程度过高而被迫中止。虽然这 次尝试没有取得成功，但是却为的研究开辟了道路。2007 年，6 月，来自麻省 理工学院的 Marin Soljacic 教授和他的团队成功的使用 WiTricity 技术点亮了 2m 外的 60W 的电灯泡，这一成功的实验在当代无线输电技术中具有里程碑的意 义。这在之后很多公司与研究机构纷纷加入了无线输电技术的研究，到目前为 止无线输电技术已经有了质的飞跃，当然也从当初的概念发展到了现在的商业 用途[3]。 从国内来看，我国无线输电技术领域整体落后于国外，其原因首先是起步 滞后于国外，目前还在研究的初级阶段，在国外市场的强烈影响下，近些年我 们的无线输能技术也有了长足的发展。 2
    1.3 本文的主要研究内容 本文所要完成的内容是设计一款运用电磁感应原理的简易手机无线充电 器。主要介绍了与无线充电技术相关的一些原理与技术，之后介绍了一种基于 XKT 系列芯片的简易无线充电器设计，在这款充电器的设计中主要包括两大部 分。第一部分是发射模块的设计，包括主要芯片的选择与外围电路的设计。第 二部分是接收模块的设计，同样包括主要芯片的选择与外围电路的设计。之后 对这两款充电器进行了相关测试，提出了其存在的问题。文章的最后介绍了无 线充电器的前景与展望。 3
    第二章 无线充电器的关键技术研究 2.1 常见的无线充电原理 以当前的技术手段来看，要实现无线能量传输的目的有三种原理可以利用： ⑴磁感应耦合技术⑵磁场共振技术⑶光波或者微波的辐射技术。这三种不同原 理分别解决的是近、中和远距离的输能问题。 2.1.1 电磁感应技术 电磁感应技术运用的原理是我们所熟悉的电磁感应原理：假如我们现在有 两个线圈，将通上电的线圈称之为初级线圈，另一只称之为次级线圈。我们将 将次级线圈靠近初级线圈，因为线圈内磁通量发生变化，进而产生感应电流。 原理总是出人意料的简单，但是国际上著名的无线充电联盟所推出的 Qi 标准运 用的就是这个技术。本次设计采用的便是这种方案。 2.1.2 磁场共振技术 这个技术是在 2007 年时麻省理工学院的研究者们基于近场理论所建立的强 耦合共振能量传输方式。主要理论是：当两个震荡电路拥有相同的震荡频率时， 可以通过近场瞬逝波在短于波长的范围内进行耦合。因为共振时的波长数量级 大于振荡器尺寸的数量级，所以在传输过程中可以几乎不受附近物体的影响。 另外，因为处在工作频率范围的电磁波对生物体的相互作用很弱，所以这种方 法对使用者是安全无害的[4]。 基于磁场共振技术的充电方案目前还相对不够成熟，实验中的传输效率也 不是很高，并且所用的传输线圈尺寸比较大，故而成本较高。更加适合 1 米左 右的中距离传输，在 10 厘米以内的效率会明显降低。所以这种技术不适合本次 充电器的设计。 4
    2.1.3 光波或者微波的辐射技术 光波或者微波的辐射技术主要运用在远场，远场主要指的是远远大于设备 尺寸几千米以上的距离。当设计出合适的接收机，使用高精度的定向天线或者 平行的激光束即可以实现远距离的输能，其主要是一种定向的能量传输。 但是运用光波或者微波进行能量传输更加适合远距离的能量传输，所以这 种技术同样不适合本次充电器的设计。 2.2 无线充电器的关键技术的讨论 2.2.1 电磁感应的原理的论述 实现无线能量传输的媒介是电磁波，1860 年时麦克斯韦在总结前人的成果 后得出了著名的麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组主要说明了时变电场和时变 磁场可以互为激发源，相互激发。伟大的预言了电磁波的存在，也揭示了电磁 波的本质：电场与磁场相互激发，在空间形成电磁波。 电磁感应是指导体在变化的磁通量中会产生电动势的现象，这种电动势被 称感应电动势。如果该导体为一个闭合的回路，则会在导体中产生电流，这种 电流称为感应电流[5]。 所以我们只需要制作两个线圈，一个线圈用交流电来驱动辐射出电磁波， 另一个用来接收电磁波，应用电磁感应原理，在第二个线圈中产生交流电，即 可实现能量在两个线圈中的无线传输。值得注意的是，接收线圈中产生的电流 为交流电，只需通过整流电路，将交流整为直流，即可对手机进行充电。 电磁感应原理中变化的磁通量与感应电动势之间的关系为：  dN  dt 其中表示感应电动势的大小；N 表示线圈的匝数； (2.1) d dt 表 示 磁 通 量 对 时间的变化率。公式中的负号的意义是感应电动势的方向是逆着磁通量变化方 向的[]。 磁通量的计算公式为： 5
    dsB    S 其中  为磁通量的； B 为磁感应强度， dsB  为点积。 回路线圈中的感应电场与感应电动势的关系为： dlE    c 其中、 c 、 E 分别为感应电动势、线圈的长度、感应电场。 而且次级线圈中存在自感电动势，其计算方法： nE   t   iL  t  (2.2) (2.3) (2.4) 其中 E 为自感电动势的大小； i  t  为电感中电流随时间变化的大小。 2.2.2 影响线圈传输效率因素的探讨 1.发射线圈的半径和两线圈的距离 首先我们在理论上探讨两个线圈之间距离和线圈半径对两线圈耦合系数的 影响。 由电磁场理论得知闭合在通有电流 I 的闭合回路周围某一点的磁感应强度 B 为[6]：  Bd  Id  0 4   e l  2  r (2.5) 其中 Idl 表示恒定电流的电流元， r 表示从这个电流元指向场中某一点 P 的 失径。 由上述公式我们得知，在通电线圈中轴上任意一点的磁感应强度可以分解 为垂直于轴线与平行于轴线的磁感应强度，并且由于圆形线圈的对称性，产生 的磁感应前度同样具有对称性，所以，线圈上所有电流元产生的磁感应强度叠 加之后，水平分量相互抵消，只留下垂直分量。计算后有： dB   0 4 Idl 2 r R r 6 (2.6)
    因为上式当中的 0 、均为常数， R 为线圈的半径大小， r 为空间中一点 到电流元的距离，故有： 由磁通量的计算公式： 耦合系数的计算公式： 由上面的讨论可以得到: dB  R 3r  IM  BS , K  M 1 L L  2 K  R 3r (2.7) (2.8) (2.9) (2.10) 所以有结论：两个线圈耦合系数与发射线圈的半径大小成正比，与两线圈 的距离成反比。故要想提高传输效率，就要尽量增大线圈的半径以及减小两线 圈之间的距离，但是考虑到实际因素，半径和距离都应取到适中的大小。 2.发射线圈和接收线圈轴心位置的相对偏移 然后我们在理论上探讨发射线圈和接收线圈轴心位置的相对偏移对传输效 率的影响。 现在假设无线充电器发射模块的线圈记为 a,其半径记为 ar ，线圈的圈数为 an ；接收模块的线圈记为 b,其半径记为 br ，线圈的圈数为 bn ；并且 ar 大于 br ， 两线圈的距离为 d ,并且发射线圈上电流为 I sin 。 wt 由电磁场理论得到，接收模块线圈处的磁感应强度为： IrUnB  a r a 0 (2 2 a 2 sin d  wt 2 ) (2.11) 那么在接收模块线圈处磁通量为：   nn ba BS b  2 2 IrUrnn a r a 0 (2  b ba 2 sin d  wt 2 ) (2.12) 则计算出接收线圈处感应电动势为:   d  dt  2 2 IrUrnn a r a 0 (2  b ba 2 cos wt 2 ) d  (2.13) 7
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