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無(wú)線充電器方案開發(fā)
隨著用電設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量、安全性、可靠性、方便性、即時(shí)性、特殊場(chǎng)合、特殊地理環(huán)境等要求的不斷提高，使得接觸式電能傳輸方式越來(lái)越不能滿足實(shí)際需要。因此，開發(fā)出一套具有能夠無(wú)線傳輸電能、傳輸效率高、設(shè)備體積小、便于攜帶和集成等優(yōu)點(diǎn)的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，將會(huì)成為21世紀(jì)最具魅力的科研方向之一。
一、無(wú)線充電相對(duì)有線充電方式的優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)的充電器方式相比，無(wú)線充電技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于其避免了充電線的使用。采用無(wú)線充電技術(shù)后，不同電子設(shè)備可以采用統(tǒng)一的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)，只需要一個(gè)充電器就可以給不同設(shè)備進(jìn)行充電。無(wú)線充電技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于非接觸。對(duì)電子設(shè)備而言，非接觸的充電方式不需要裸露在外的充電接口，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的防水設(shè)計(jì)。而充電器也可以嵌入到臺(tái)燈底座、桌子甚至床頭柜中，方便用戶隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)充電。
二、無(wú)線充電方案技術(shù)原理
無(wú)線電能傳輸技術(shù)由物理學(xué)家尼古拉·特斯拉于1890年提出。按照電能傳輸原理的不同，無(wú)線電能傳輸可劃分為電磁感應(yīng)式、電磁共振式和電磁輻射式3種方式。早在20世紀(jì)20年代到30年代，已經(jīng)有學(xué)者開始論述無(wú)線供電概念的可能性。而無(wú)線充電技術(shù)真正的突破發(fā)生在2007年，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)成功將2米之外的燈泡點(diǎn)亮。隨著無(wú)線充電技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，目前有兩種主流的技術(shù)路線：電磁感應(yīng)式無(wú)線充電和電磁共振式無(wú)線充電。
2.1電磁感應(yīng)式無(wú)線充電原理
電磁感應(yīng)式無(wú)線充電與變壓器原理相同，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。無(wú)線充電系統(tǒng)的磁場(chǎng)主要通過(guò)空氣進(jìn)行傳遞，因而磁場(chǎng)傳遞效率較低。想要系統(tǒng)的無(wú)線充電效率達(dá)到70%以上，兩線圈之間需要靠的很近，而且線圈尺寸需要相似，兩者之間定位精確，且該技術(shù)只能支持一對(duì)一充電。
電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，通常采用非接觸變壓器耦合的方式來(lái)進(jìn)行無(wú)線電能傳輸。即將系統(tǒng)的變壓器緊密型耦合磁路分開，變壓器原邊繞組流過(guò)的是高頻交流電，通過(guò)原、副邊繞組的電磁感應(yīng)，將電能傳輸?shù)礁边吚@組給用電設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)了電能在電源和用電設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線傳輸。
2.2電磁共振式無(wú)線充電原理
電磁共振式方案原理與聲音的共振原理相同。初級(jí)線圈和次級(jí)線圈是通過(guò)磁共振實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)?。發(fā)射端在特定諧振頻率震蕩，將次級(jí)線圈的諧振頻率調(diào)整至和初級(jí)線圈一致，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量傳遞。電磁共振式方案的充電距離可達(dá)到45mm以上，范圍較大，不限于平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多充電，接收端的次級(jí)線圈可以配置成不同尺寸以適應(yīng)不同的設(shè)備功率。
電磁共振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，通常采用兩個(gè)相同頻率的諧振體來(lái)產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，利用線圈及放置兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸。2007年6月，麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授馬林·索爾賈希克和他的研究團(tuán)隊(duì)做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，給一個(gè)直徑60cm的線圈通電，結(jié)果l.9m之外連接在另一個(gè)線圈上的60W燈泡被點(diǎn)亮了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明發(fā)送端和接收端的線圈組成一個(gè)磁共振系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)送端的磁場(chǎng)振蕩頻率和接收端線圈的固有頻率相同時(shí)，接收端產(chǎn)生共振，從而實(shí)現(xiàn)了能量的無(wú)線傳輸。其消耗的電能只有傳統(tǒng)電磁感應(yīng)供電技術(shù)的百萬(wàn)分之一，有效傳輸距離為幾十厘米到幾米，所以這種傳輸形式適用于中程無(wú)線電能傳輸。
2.3電磁輻射式無(wú)線電能傳輸原理
電磁輻射式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，采用微波波段進(jìn)行電能的無(wú)線傳輸。由電源發(fā)出電能，通過(guò)微波轉(zhuǎn)換器將工頻交流電變換成微波，再通過(guò)發(fā)射站的微波發(fā)射天線送到空間，然后傳輸?shù)降孛嫖⒉ń邮照?，接收到的微波通過(guò)轉(zhuǎn)換器將微波變換成工頻交流電，供用戶使用。微波是波長(zhǎng)介于無(wú)線電波和紅外線之間的電磁波，由于頻率較高，能順利通過(guò)電離層而不反射，宇宙空間對(duì)微波傳輸十分理想，幾乎沒(méi)有能量損耗，通過(guò)大氣層時(shí)的損耗約為2％，因此電磁輻射式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)具有更高的電能傳輸效率，適合遠(yuǎn)距離無(wú)線電能傳輸。
三、無(wú)線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
為了推廣無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用，通信運(yùn)營(yíng)商、半導(dǎo)體企業(yè)和高科技公司組成了不同的無(wú)線充電聯(lián)盟，并推出了各自的無(wú)線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
目前最主流的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)是WPC(Wireless Power Consortium)推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的Qi標(biāo)準(zhǔn)采用的是電磁感應(yīng)式方案。Qi標(biāo)準(zhǔn)具有良好的泛用性和便捷性。從居家、汽車、到機(jī)場(chǎng)、咖啡館、辦公室，Qi標(biāo)準(zhǔn)支持的場(chǎng)景非常廣泛，一般帶有Qi標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)的無(wú)線充電器，都能為支持Qi標(biāo)準(zhǔn)的電子設(shè)備供電。為了彌補(bǔ)電磁感應(yīng)式方案只能一對(duì)一充電的不足，最新的Qi1.2標(biāo)準(zhǔn)加入了對(duì)電磁共振式方案的支持，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多裝置同時(shí)充電。另一個(gè)無(wú)線充電聯(lián)盟Airfuel也推出了它的無(wú)線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括采用電磁感應(yīng)式方案的PMA標(biāo)準(zhǔn)和采用電磁共振式方案的A4WP標(biāo)準(zhǔn)。然而與Qi標(biāo)準(zhǔn)相比，Airfuel在技術(shù)上還不夠成熟，在商業(yè)上也沒(méi)有得到很好的應(yīng)用。
四、電磁感應(yīng)式無(wú)線充電器設(shè)計(jì)
典型的電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
電磁感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)主要由能量變換部分、能量發(fā)射部分和能量接收部分組成。輸入的交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^(guò)高頻逆變器進(jìn)行逆變，逆變所產(chǎn)生的高頻交變電流輸入分離式變壓器的初級(jí)線圈，與次級(jí)線圈耦合，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，然后通過(guò)高頻整流濾波后為負(fù)載供電。本文利用電磁感應(yīng)式電能傳輸原理設(shè)計(jì)的無(wú)線充電器主體硬件電路如圖2所示。
4.1發(fā)射電路設(shè)計(jì)
電路主要由振蕩信號(hào)發(fā)生器和諧振功率放大器兩部分組成。利用NE555構(gòu)成振蕩頻率約為400kHz的信號(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Q1構(gòu)成。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)到最大值，從而產(chǎn)生最大的交變電磁場(chǎng)。
4.2接收電路設(shè)計(jì)
當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈靠近時(shí)，在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射線圈的諧振頻率相同時(shí)，感應(yīng)電壓達(dá)到最大值。當(dāng)發(fā)射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)具有最好的能量傳輸效率。
4.3充電電路設(shè)計(jì)
利用電源管理芯片設(shè)計(jì)了具有涓流、恒流、過(guò)充電和浮充電4種工作模式的充電電路。電路處于恒流充電模式時(shí)，充電電流的大小由連接于CSP管腳和BAT管腳之間的電流檢測(cè)電阻來(lái)設(shè)置；電路處于過(guò)充電和浮充電模式時(shí)，由外部電阻構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)置充電電壓。當(dāng)輸入電壓過(guò)低時(shí)充電電路進(jìn)入睡眠狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓大于啟動(dòng)電壓6V時(shí)，充電電路開始對(duì)蓄電池充電。分壓電阻R6和R7將蓄電池端的電壓反饋到芯片的FB管腳，芯片根據(jù)FB管腳反饋回來(lái)的電壓值來(lái)確定進(jìn)人何種充電模式。當(dāng)FB管腳的電壓接近3.6V時(shí)，芯片工作于過(guò)充電狀態(tài)。如果蓄電池電壓低于所設(shè)置的過(guò)充電電壓的81.8％時(shí)，充電電路自動(dòng)進(jìn)入涓流充電模式，此時(shí)充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的13％。當(dāng)蓄電池電壓大于所設(shè)置的過(guò)充電電壓的81.8％時(shí)，充電電路進(jìn)人恒流充電模式。本文設(shè)計(jì)的充電電路設(shè)置的充電壓為5V，可以為生活中常用的大多數(shù)電子設(shè)備進(jìn)行充電。
五、共享無(wú)線充電器設(shè)計(jì)方案
出門在外時(shí)，手機(jī)沒(méi)電會(huì)給人們的生活帶來(lái)各種不方便。為了以上手機(jī)充電問(wèn)題，需要一種適用于餐館、咖啡館、火車站、機(jī)場(chǎng)等室內(nèi)公共場(chǎng)所，同時(shí)支持各類手機(jī)的共享無(wú)線充電器設(shè)計(jì)方案。共享無(wú)線充電設(shè)計(jì)方案主要包括四個(gè)模塊：無(wú)線充電模塊、用戶交互模塊、中心控制模塊和遠(yuǎn)端服務(wù)器模塊。各個(gè)模塊的功能說(shuō)明如下。
（1）無(wú)線充電模塊：無(wú)線充電模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)智能手機(jī)的充電功能的實(shí)現(xiàn)。目前有兩種主流的無(wú)線充電技術(shù)路線：電磁感應(yīng)式無(wú)線充電和電磁共振式無(wú)線充電。盡管電磁共振式無(wú)線充電方案可以支持一對(duì)多充電和更遠(yuǎn)的充電距離，電磁感應(yīng)式無(wú)線充電方案在技術(shù)和商業(yè)上更為成熟。無(wú)線充電聯(lián)盟WPC(Wireless PowerConsortium)推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)就是目前最主流的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)。在無(wú)線充電模塊中，我們也會(huì)采用支持Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線發(fā)射線圈，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類手機(jī)的充電支持。
（2）用戶交互模塊：用戶交互模塊主要負(fù)責(zé)與用戶的交互功能的實(shí)現(xiàn)。為了讓用戶能夠簡(jiǎn)便快捷地使用我們的無(wú)線手機(jī)充電器，我們采用了微信掃描二維碼的用戶登錄方式。用戶可以直接利用微信賬號(hào)登錄我們提供的小程序，輸入身邊的無(wú)線充電器的編號(hào)，獲取充電的權(quán)限。當(dāng)用戶結(jié)束充電之后，還可以通過(guò)微信支付等方式支付相應(yīng)的費(fèi)用。
（3）中心控制模塊：中心控制模塊主要負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)端服務(wù)器通信以及控制無(wú)線充電功能的開啟和關(guān)閉。當(dāng)遠(yuǎn)端服務(wù)器成功認(rèn)證用戶身份之后，會(huì)向中心控制模塊發(fā)出相應(yīng)信息。中心控制模塊收到遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)來(lái)的開始充電信息之后，會(huì)開啟無(wú)線充電功能。當(dāng)遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)來(lái)停止充電信息之后，中心控制模塊會(huì)關(guān)閉無(wú)線充電功能。
（4）遠(yuǎn)端服務(wù)器模塊：遠(yuǎn)端服務(wù)器模塊主要負(fù)責(zé)用戶身份的認(rèn)證以及費(fèi)用計(jì)算等服務(wù)。用戶利用微信賬號(hào)登錄之后，遠(yuǎn)端服務(wù)器會(huì)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶的相應(yīng)信息。當(dāng)用戶在微信小程序中點(diǎn)擊開始充電和停止充電按鈕之后，遠(yuǎn)端服務(wù)器模塊會(huì)與中心控制模塊之間進(jìn)行通信，開啟和關(guān)閉無(wú)線充電功能。當(dāng)用戶充電完畢之后，遠(yuǎn)端服務(wù)器也會(huì)計(jì)算相應(yīng)的費(fèi)用。
共享無(wú)線手機(jī)充電器的使用流程如下：
（1）用戶掃描桌面上的二維碼，登錄微信小程序。
（2）用戶輸入身邊的無(wú)線充電器編號(hào)，點(diǎn)擊開始充電按鈕，將手機(jī)放到桌面對(duì)應(yīng)的位置開始充電。
（3）充電完畢，用戶點(diǎn)擊停止充電按鈕。
（4）根據(jù)小程序中提示的費(fèi)用，用戶利用微信支付完成相應(yīng)的費(fèi)用結(jié)算。
總結(jié)
本文回顧了目前已有的無(wú)線充電技術(shù)路線及相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并提出了一種共享的無(wú)線手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)方案。我們的設(shè)計(jì)方案結(jié)合了Qi無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)和微信軟件的各種功能，能夠?yàn)橹蟮漠a(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。利用電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸原理設(shè)計(jì)了一種無(wú)線充電器。通過(guò)測(cè)試表明，該充電器在短距離內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)電能的高效率傳輸。而且該充電器的充電電路與文獻(xiàn)中給出的電路相比，具有比較大的優(yōu)越性和先進(jìn)性。
以上就是我們深圳市組創(chuàng)微電子有限公司為您介紹的無(wú)線充電器方案詳情。如果您有無(wú)線充電器技術(shù)開發(fā)需求，可以放心交給我們，我們有豐富的電子產(chǎn)品定制開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可以盡快評(píng)估開發(fā)周期與IC價(jià)格，也可以核算PCBA報(bào)價(jià)。我們是多家國(guó)內(nèi)外芯片代理商：松翰、應(yīng)廣、杰理、安凱、全志、realtek，有MCU、語(yǔ)音IC、藍(lán)牙IC與模塊、wifi模塊。我們的開發(fā)能力涵蓋了PCB設(shè)計(jì)、單片機(jī)開發(fā)、藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)、軟件定制開發(fā)、APP定制開發(fā)、微信公眾號(hào)開發(fā)等軟硬件設(shè)計(jì)。還可以承接智能電子產(chǎn)品研發(fā)、家用電器方案設(shè)計(jì)、美容儀器開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)、智能家居方案設(shè)計(jì)、TWS耳機(jī)開發(fā)、藍(lán)牙耳機(jī)音箱開發(fā)、兒童玩具方案開發(fā)、電子教育產(chǎn)品研發(fā)。
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