无线充电装置的设计与实现

陈锦儒+王杏进

摘要：采用电磁感应技术和电流磁效应，无线充电转置利用电流在线圈中产生磁场发送能量，同时使用线圈接收磁场能并转换成电能，输送给待充电设备。在设计过程中采用门电路集成元件使充电基座的直流电源发生振荡，产生一定频率的交流电源，通过线圈产生固定频率变化的磁场，将电能转换成磁场能，在接收端接收磁场能并且转换成电能，然后通过对电流的半波整流和稳压滤波，使得交流电源转换成直流电源，最终得到得到5V，500mA的稳定的直流电源输出个充电设备。

关键词：电磁感应；电流磁效应；振荡；滤波

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）17-0195-03

1系统方案

1.1无线充电的原理

无线充电原理主要是运用电流磁效应和电磁感应技术实现。电流通过的导线时，会在导线周围产生磁场的现象，并随着通过的电流逐渐增大，所产生的磁场强度就越强。磁场中的导体做切割磁感线运动时，导体就会产生感应电动势，若导体是闭合回路中的一部分，就会产生感应电流。

应用上述的电路原理，可以实现无线连接的互感耦合，对电流进行空间馈送。在一个电源接入一个线圈产生一个震荡的磁场，将另一个线圈放置在震荡的磁场当中，即可产生激励电流。其原理示意图如图1所示。

1.2无线充电系统的设计

应用电流的互感耦合原理实现短距离无线充电，主要是将直流电转换成高频交流电，然后通过原线圈和副线圈之间的互感耦合实现电流的无线馈送，基本方案图如2所示。

无线充电装置由两部分组成，一个是无线发射端，接入5V直流电源，通过震荡产生一定频率变化的信号电流，使得流过线圈的电流产生高频震荡的磁场。另一个则是无线接收端，接收端使用副线圈在磁场中接收来自发射端的电感耦合电流，耦合电流是交流电流，需要经过整流滤波处理以后才能提供电能给手机电池。

1.3无线充电的电路方案

1）无线发射端。无线发射端的电源振荡器采用的是门电路多谐振荡，该电路的震荡是通过对电容C充放电作用完成的，R4、R2是补偿电阻，目的是减小电源电壓对振荡频率的影响。震荡周期理论值计算：

震荡周期实际值：保证波形不失真情况下，频率选用范围为500K～2.68MHz。为了满足实际应用情况，故所选的多谐振荡的电路方案如图3所示。

2）无线接收端。无线接收端相当于一个线性稳压电源，控制电路从副线圈获得交流电，利用二极管的单向导电性对交流电源进行半波整流，为了向负载提供一个稳定的直流电源，需要对脉动电源进行滤波稳压，最终得到一个稳定的5V电源电压。

1.4总方案

电源发射端使用了一个多谐振荡器使得直流电源变为高频交流电，高频的交流电通过线圈将电能转换为空间中的磁能，接收端在磁场中接收发送端的能量在线圈中产生交流电，经过对副线圈的交流电进行半波整流，滤波和稳压之后提供稳定的直流电源给充电电池。为了能更好地显示无线充电装置的工作状态，在无线发射端使用STC12C5A60S2采集无线充电装置的状态。单片机通过AD转换发送端的电压，获得当前的工作状态。其总体方案图如下所示：

2硬件电路设计

2.1发射端的振荡器电路

门电路多谐震荡的电路特点：1.产生高低电平的开关器件；2.具有反馈信息网络，将输出的反馈到输入端，使开关器件改变输出状态，保持稳定；3.可以利用RC电路的充放电时间实现对开关的延时，以获得需要的振荡频率。

综上所述，本次项目使用COMS门电路组成的振荡器，其结构图如下所示：

但当电源电压出现不稳定的状态时，就会引起振荡频率随之不稳定，为了改善这一不稳定的状况，通过增加一个补偿电阻Rd减少电源电压纹波对频率的响应，达到系统的问题运行。

由于使用分立元件制作的多谐振荡器，不仅会耗费大量的空间，增加电路的体积，并且整体电路能耗较大，降低了产品的有用功功率，故考虑使用小规模集成电路XKT-510系列芯片。根据XKT-510的特眭所设计的发射电路原理图：

2.3接收端的整流电路

无线接收端接收到的电压波形跟发射端一样，均是一种方波波形，故可直接在线圈上接入电容滤波。无线接收端对副线圈的电压进行半波整流，经过半波整流得到的直流电压，实际是脉动直流电压，它的纹波较大，在实际应用中为了降低纹波，需在电压输出端接入滤波电容。其电路图如下所示：

在交流的正半周时二极管导通，在向负载供电的同时也向电容充电，当交流电的负半周时，二极管截止，电容放点，为负载提供电流。输出电压如图所示：

得到的电源电压并不稳定，会对电池产生物理损坏，影响电池使用寿命，更有甚者会导致电池爆炸而发生事故。故为了得到更加稳定的直流电源，需要在经过半波整流电路输出的电源电压再加上一个线性稳压元器件。其电路图如下所示：

在无线接收端同样采用了一个无稳态自激多谐振荡器，通电源后，电源对电容C33和C44充电，为三极管提供基极电压，由于元器件的参数不可能完全相同，所以必然会有一只三极管首先导通，假设是Q11导通，则LED3被点亮，同时Q00截止，当C44上的电压充至0.7V时，QOO导通，Q11截止，但由于Q00上只有负载电阻，所以表现为LED3间隔一定的周期闪烁一次。闪烁周期可以改变C33和C44，R22，和R33的数值来调节，数值越大，周期越长。

3软件方案设计

在无线发射端使用了STC12系列单片机无线充电装置进行检测，对当前的工作状态做出反映，便于使用者可以看到装置当前处于什么样的状态中。其工作流程是初始化ADC模块，需要将对应的P1口设置为模拟功能输入，开启ADC电源，设置ADC转换时间和需要转换的通道，配置后之后只需开启AD转换的就可以开始采集电压。其工作流程如下图所示：

在主函数中使用了A/D转换中断，每当完成一次A/D转换之后，硬件上就会将ADC-CONTR寄存器的ADC_FLAG置位，同时产生中断，在中断服务函数中，读取A/D转换结果，使得不会丢失每一次的A/D转换结果。气系统流程图如图13所示。

4整机测试

对整个装置进行测试，在无线发送端接入一个5V直流电源，然后使用万用电表在无线接收端的电压输出端测量，测得电源值部分值如表1所示。

通过表1可知，本次设计最终得到的电压值是接近5V。当接人手机进行充电测试时，手机页面显示正在充电中。

无线发送端的单片机部分，单片机的引脚接人线圈两端，当无线接收端靠近发送端的时候，相当于给发送端加了一个负载，导致线圈两端的电压产生微妙的变化，使用单片机的A/D转换器检测电压变化情况，因此可以判断出接收端是否在靠近发送端后进行充电工作。

5结束语

本次的设计装置包括充电基座和可安装到手机的接收器，充电基座接入直流电压源，通过自激震荡将直流电转变成交流电，从而产生一个磁场。接收器的线圈靠近发射器所产生的磁场后，因电磁感应而得到了交流电压，经过整流滤波稳压后得到5V，500mA的直流电压源。这解决了因多媒体设备频繁充电而对充电接口插拔的损坏，还便利了随时充电的步骤，这是一种可以简化手机等移动设备充电的方式。