无线充电器的设计和制作毕业论文

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无线充电器的设计和制作毕业论文 中国地质大学（武汉）学士学位论文本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ）题目： 无线充电器的设计和制作 姓 名： 学号： 院 （ 系 ） ： 专业： 指导教师： 职称： 评 阅 人： 职称： 2 年 6 月中国地质大学（武汉）学士学位论文本科毕业生毕业设计原创性声明本人以信誉声明: 所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。 文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。 特此声明。 论文作者签名： 签字日期： 中国地质大学（武汉）学士学位论文摘要 无线充电是指内置电池的设备、装置，透过无线感应的方式取得电力而进行充电。 无线充电技术，源于无线电力输送技术，其工作原理利用的是法拉第电磁感应，当电流通过线圈之后，便会产生出磁场;而产生的磁场又会形成电压，有了电压之后便会产生电流，有了电流便可以充电。 本文介绍了一个微距离无线充电器的制作方法：详细描述了无线充电器电路图的设计、实施与仿真。 此系统可以稳定的输出 5V 电压，而且最大的充电电流为 500电路分为发射电路与接收电路两部分。 实现了对 合物锂电池的充电。 本文设计的充电电路是在 5V 的直流输入下，通过一个 10电容整流之后，保持输入电压恒定。 在 控制下，通过 出一个可控的低电压。 直流电压与 输出电压的电压差控制 荡电路，发射出稳定的高频电磁波。 经接收线圈接收后，由制输出稳定的 5V 电压给电池充电。 关键词：无线传输，充电器，电磁感应中国地质大学（武汉）学士学位论文to a be be a of of to V 00of in in C 5V, by a 0to C 5336 LC 1 3, V to 汉）学士学位论文目录第一章 引言 .线充电技术的背景 .线充电技术的先驱 .场前景 .方案论证 .案一 .能发送部分 .能接收与充电控制部分 .案二:石英晶体振荡器 .波信号的产生 .案三: 门电路组成的多谐振荡与丁类功率放大器 .电路组成的多谐振荡 .类功率放大器 .射电路 .方案实施 .射电路 .电路多谐振荡 .5336.收电路 .路的仿真与调试 .送部分 .波信号的产生 .送模块整体电路 .际电路的测试 .论 .汉）学士学位论文0第一章 引言 §线充电技术的背景 随着智能手机、数码相机以及平板电脑等移动电子产品在人们生活中的广泛应用，内置锂电池续航短问题日益凸显，在这种情况下，无线充电技术应运而生。 有研究指出，全球无线充电技术将于 2017 年形成一个 70 亿美元的市场。 据了解，无线充电技术来源于日本。 日本富士通公司 2010 年 9 月宣布其研究出了新的无线充电技术，可实现在距离充电器几米远的地方进行无线充电。 而所谓的无线充电技术，即不用通过电源线和电缆等一切外接设备，就可给电子设备充电。 其原理是利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振，实现电能高效传输的技术。 综观目前的电子市场，锂电池等电子产品用电池在技术上迟迟没有取得新的突破，导致电池根本满足不了用户的用电需求。 而目前出现的移动电源充电器在给电子产品充电时也需要数据线。 而且移动电源容量有限，并不能从根本上解决用户移动用电的需求。 无线充电技术的出现，或可解决移动电子产品的充电难题。 据了解，目前在北美，大批通过近距离无线充电技术解决智能手机充电难题的创业公司开始出现。 而随着无线充电网点的完善，无线充电技术有望得到更广泛的应用 1。 §线充电技术的先驱 根据报道和网络检索，世界上各个国家已经投入到这个领域的研究当中 2。 国司是美国老牌智能手机厂商，它最早将无线充电应用在手机上。 它推出的充电设备“触摸石” ，就可以利用电磁感应原理无线为手机充电。 海尔中国海尔推出的概念性“无尾电视” ，不需要电源线、信号线和网线。 海尔称该产品采用了与麻省理工学院合作的无线电力传输技术。 国目前 出的充电板有桌面式和便携式等多种，主要由底座和无线接收器组成，售价在 100 美元左右。 劲量美国劲量（美国知名的电池和手电筒品牌。 该公司预计将正式推出一款无线充电器，售价在 89 美元左右。 中国地质大学（武汉）学士学位论文1微软美国由微软亚洲研究院研发的一款无线充电板装置名为 在 2008 年底造出样机。 富士通日本富士通的系统与美国 司研发的技术类似，后者同样利用磁共振传输电量，传输距离可达到几米远。 这项技术将促使日本政府在 2012 年之前在公共场所设置无线充电网点。 科宏晶美国 “线充电器在 2013 年美国 费电子展上展出一款命名为“无线充电产品可以支持当下两大主流手机阵营，即苹果。 与手机自带无线充电模块的诺基亚 20 不同的是，用户只需购买与自己手机相对应，并且内置无线充电模块的保护壳即可，有着更好的兼容性。 其突出特性是无电磁线圈，无辐射，充电效率高。 除了展会现场产出的产品之外， “将陆续推出系列产品， 比如“移动无线充” ，这款产品本身自带高容量电芯，可以让使用者即使是在无人区，也可以连续为手机供电，这是其他任何无线充电产品都不具备的，除此之外我们还将针对更多的品牌和机型推出系列配套产品，满足更多终端客户的需求。 §场前景去年的诺基亚纽约发布会上，诺基亚向我们展示了回家以后随手把手机放上充电垫边充电边听音乐的场景。 置了无线充电接收器，不久的将来，在美国本土的香啡缤店面和伦敦希思罗机场都将有无线充电器可用 3。 无线充电已从梦想步入现实，从概念变成了商品，未来几年将在手机、视、电动汽车等领域引领新风尚的趋势。 无线充电技术具有非常广阔的市场前景。 根据对北美和欧洲市场需求调查报告显示，北美与欧洲市场对无线充电产品表现出极大的兴趣，81%的消费者希望多样的电子产品可以同时充电。 这种需求刺激了无线充电产品市场的快速发展。 早在几年前，无线充电产品已经进入市场，较为大家所熟知的便是 线充电器，在日本售卖已经有一年多时间了，其中包括日立麦克赛尔已经推出的符合 准的 列产品。 另外日本 司早在 会上推出了无线充电手机，并希望在 2014 年以前该公司推出的所有手机都具备无线充电功能。 除了日本厂商以外，目前 托罗拉、上市产品中有的也已具备无线充电功能。 有分析师预测，20132014 年将是无线充电器市场的真正拐点，尽管目前无线充电器市场主要集中在日本和欧美地区，但随着智能设备的增多以及设备功能多样化需求，它的市占率将得到大幅提升。 根据市场研究机构 一份报告，全球无线充电市场将在中国地质大学（武汉）学士学位论文2未来五年内获得井喷式增长，到 2017 年将形成超过 70 亿美元的市场，而在 2011年这一数字仅仅只有 美元，年复合增长率预计为 无线充电技术备受国际知名手机厂商的重视，未来无线充电器将在手机行业率先进行大力推广，并有可能会与手机一起捆绑进行销售。 除了手机行业以外，目前在开发的无线充电应用市场还包括家具行业、电信行业、汽车行业、玩具行业、消费电子领域。 根据市场调研公司 数据显示，无线充电设备市场在 2013年将达到 140 亿美元的规模。 无线充电带来的效益不仅仅是单个无线充电器市场的发展，而是无线充电平台的打造，即公共移动设备充电站将有可能成为现实，它可以让你在飞机场、麦当劳、咖啡厅等公共场所随时随地进行充电。 或许有一天，在没有数据线连接的情况下，无线充电器不但能给设备充电，还可以实现同步数据和资料传送功能。 而目前的无线充电主要还是接触式充电，未来还可能是隔空充电，但要实现这些功能，首先要解决的便是充电效率低的问题，而这还需要一段时间。 中国是世界最大的无线移动通讯市场，对于便捷、易用、互通、兼容的无线充电产品的需求将呈几何级别增长。 无线充电行业发展的巨大潜力，也能促进中国企业积极参与和研究这一市场，有效地提升企业的产品宽度和竞争能力。 中国有强劲的国内消费市场和份额巨大的海外出口，预计中国市场的无线充电技术发展应会很快。 如今与此相关的各项核心技术，鲁恩科技已经全面解决，可以提供整套 成品厂商提供与国际巨头同台竞技的强大技术支持。 中国地质大学（武汉）学士学位论文3第二章 方案论证 §案一微距离无线充电器 4：将直流电转换成高频交流电，然后通过没有任何有有线连接的原、副线圈之间的互感耦合实现电能的无线馈送。 基本方案如图 2示。 图 2线电能传输方案示意图本无线充电器由电能发送电路和电能接收与充电控制电路两部分构成。 能发送部分如图 2线电能发送单元的供电电源有两种：220V 交流和 24V 直流（如汽车电源），由继电器 J 选择。 按照交流优先的原则，图中继电器 J 的常闭触点与直流（电池 接。 正常情况下 于接通状态。 中国地质大学（武汉）学士学位论文4图 2线电能发送单元电路图当有交流供电时，整流滤波后的约 26V 直流使继电器 J 吸合，发送电路单元便工作于交流供电方式，此时直流电源 电能发送电路断开，同时 色）发光显示这一状态。 经继电器 J 选择的+24V 直流电主要为发射线圈 电，此外，经8降压后为集成电路 电，为保证 J 的动作不影响发送电路的稳定工作，电容 容量不得小于 2200能的无线传送实际上是通过发射线圈 接收线圈 互感作用实现的，这里 成一个无磁芯的变压器的原、副线圈。 为保证足够的功率和尽可能高的效率，应选择较高的调制频率，同时要考虑到器件的高频特性，为合适。 非门 里只用了三个非门，由 2 构成方波振荡器，产生约 方波，经 冲并整形，得到幅度约 11V 的方波来激励放管 类），以保证尽可能高的转换效率。 为保证它与 路的谐振频率一致。 可将 为 1001 待调。 为此将 定为 3K,并串入可调电阻 谐振状态，尽管激励是方波，但 此可见，这一部分实际上是个变频器，它将 50正弦转变成 正弦。 中国地质大学（武汉）能接收与充电控制部分正常情况下，接收线圈 发射线圈 距不过几 接近同轴，此时可获得较高的传输效率。 电能接收与充电控制电路单元的原理如图 2示。 应得到的 正弦电压有效值约有 16V（空载）。 经桥式整流（由4 只 1频开关二极管构成）和 波，得到约 20V 的直流。 作为充电控制部分的唯一电源。 由 成精密参考电压 离子电池的充电终止电压）经 到运放 同相输入端 3。 当 反相输入端 2 低于 （充电过程中），出的高电位一方面使 和从而在 端得到约 2V 的稳定电压（正向导通具有稳压特性）， 7 便据此构成恒流电路 7。 另一方面 止，亮。 图 2线电能接收器电路图当电池充满（略大于 ，反相输入端 2 略高于 放便输出低电位，此时 止，恒流管 完全得不到偏流而截止，因而停止充电。 同时运放输出的低电位经 通，点亮 为充满状态指示。 两种充电模式由 7 决定。 这个非序列值可以在 列电阻的标称值为918 的电阻中找到，就用 918 的也行。 中国地质大学（武汉）学士学位论文6§案二:波信号的产生图 2波生成电路图由于石英晶体振荡器产生的波形稳定性很高，选频特性非常好，它有一个稳定的串联谐振频率 等效品质因数 Q 值也很高，只有频率为 信号最容易通过，而其他的频率的信号群会被晶体所衰减。 图中并联在两个反相器输入输出间的电阻 2 的作用是使反相器工作在现行放大区，R 的阻值，对于 电路通常在 间，对于 则常在10间；电路中电容 于两个反相器间的耦合；作用是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出；电容 选择应使 联网络在 产生极点，以减少谐振信号损失；选择应使 频率为 容抗可以忽略不计。 电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率 与电路中 值无关。 第三个 相器的功能是改善输出波形，增强带负载能力。 2=2振 M(因 无 2M 晶振，故选择 3M)，故由应满足的公式：2中国地质大学（武汉）学士学位论文7得出 是，由于在实际电路中，石英晶体晶体振荡器产生的方波信号为 22没有产生所需的 2方波信号，故舍弃方案。 §案三: 电路组成的多谐振荡图 2谐振荡电路图上图门电路参考数字电路（康华光）的教材设计的组成的多谐振荡电路图，该电路由 30调电容 个 10可调电阻 个 门组成；该电路的震荡的过程是通过电容 C 充放电作用来实现的。 补偿电阻 2 可减小电源电压对振荡频率的影响。 振荡周期理论值计算： T=1/1+1 （0pf， 丁类功率放大器中国地质大学（武汉）学士学位论文8丁类功率电路特点：效率高，产生的热量少，丁类功率放大器电路的基本设计思想是，要求功率管在导通时，饱和管压降为零；截止时，流过功率管的电流为零。 显然，这时的功率管处于开关工作状态，三极管放大器采用 1 参数大小由网上所买的元器件所给，约 30为达到 2谐振频率，由公式f=1/(2()得出 C400 由 联得到；实际用 100调电容。 到分压的作用； S 极和 D 极电阻决定放大倍数。 放大倍数由 s 决定。 实际取 00，图 2射电路中国地质大学（武汉）学士学位论文9图 2射电路此电路为数电中描述的用门电路组成的多谐振荡器。 原理是通过电容 放电作用。 振荡周期理论值计算： T=1/f=1+1；（0 时，f= 0， f=际电路电容 可调 100荡周期实际值：波形不失真的状况下 500k足波形不失真情况，故该电路为所选方案。 中国地质大学（武汉）学士学位论文10第三章 方案实施§射电路 图 3射电路原理图中国地质大学（武汉）电路多谐振荡电路组成及工作原理 5： 由门电路组成的多谐振荡器的特点： a) 产生高、低电平的开关器件，如门电路、电压比较器、b) 具有反馈网络，将输出电压恰当的反馈给开关器件使之改变输出状态 c) 有延迟环节，利用 路的充、放电特性可实现延时，以获得所需要的振荡频率（在许多实用电路中，反馈网络兼有延时的作用）一种由 电路组成的多谐振荡器如图 3示。 图 3 电路组成的多谐振荡器 其原理图和工作波形图分别如图 3-3（a)、(b)所示。 （a）多谐振荡器原理图中国地质大学（武汉）学士学位论文12（b）多谐振荡器波形图 图 3谐振荡器原理图和波形图 图 a 中 为保护二极管。 为了讨论方便，在电路分析中，假定门电路的电压传输特性曲线为理想化的折线，即： 关门电平， 门坎电平（阈值电平）。 (1)第一暂稳态及电路自动翻转的过程 假定在 t=0 时接通电源，电容 C 尚未充电，电路初始状态，即第一暂稳态 vI=此时，电源 、R 和 给电容 C 充电，如图 3-2(a)所示。 随着充电时间的增加，值不断上升，当 到 ，电路发生下述正反馈过程： 这一正反馈过程瞬间完成，使 通，止，电路进入第二暂稳态 （2）第二暂稳态及电路自动翻转的过程 电路进入第二稳态瞬间， 0V 上跳至 于电容两端电压不能突变，则 将上跳 ，本应升至 但由于保护二极管的钳位作用， 上跳至 V+。 随后，电容 C 通过 阻 R 和 电，使 降，当 至 后，电路又产生如下正反馈过程： 从而使 速截止，速导通，电路又回到第一暂稳步态，中国地质大学（武汉）学士学位论文13vI=后，电路重复上述过程，周而复始地从一个稳态翻转到另一个暂稳态，在 输出端得到方波。 由上述分析不难看出，多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容 C 充、放电作用来实现，电容的充、放电作用又集中体现在图中 变化上。 因此，在分析中要着重注意 波形。 态转换：主要取决于电容的充、放电 振荡过程中 转换时刻：决定于 数值 根据以上分析所得电路在状态转换时 几个特征值，可以计算出图 3-2(b)中的。 （1）计算对应于第一暂稳态，将图 3-2(b)中 为时间起点, 根据 路瞬态响应的分析，有（2）计算 对应于图 3-2(b),在第二暂稳态，将 为时间起点， 由此可求出所以 将 代入，上式变为 图 3一种最简型多谐振荡器,上式仅适于 R»)+) )、)分别为 中 的导通电阻、C 远大于电路分布电容的情况。 当电源电压波动时，会使振荡频率不稳定，在 时，影响尤为严重。 一般可在图 3增加一个补偿电阻 如图 3示。 减小电源电压变化对振荡频率的影响。 当 时，取 （一般取 0R ）。 中国地质大学（武汉）学士学位论文14图 3补偿电阻的 ） 简介 6： 列集成电路，采用 程工艺，具有精度高、稳定性能好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。 责处理该系统中的无线电能传输功能，采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换及电路的实时监控；负责各种 电池的快速充电智能控制，需配合极少 的外部元件就可以做成高可靠的无线快速 充电器、无线电源供电器。 2） 特点： * 自动频率锁定 * 自动检测负载 * 自动功率控制 * 高速能量输出传送* 高效电磁能量转换 * 高密度能量输出 * 智能检测系统，免调试 * 工作电压：3V15V * 高度集成化，仅几个普通外围元件 * 经过严格测试及批量生产，性能稳定 3） 脚位图及说明： 4） 工作极限参数： 工作温度：25 存储温度：50 最大工作电压：15V 输出驱动电流：800汉）5336列集成电路，采用的也是 作工艺，专门用于无线智能充电中，与 合可形成良好的发射控制电路，自动控制发射线圈的电磁波发射电压和频率。 荡电路在振荡过程中由于线圈的内阻不能忽略且在能量传输过程的能量损耗导致电路中振荡电流肯定会大幅衰减，这时通过控制 7、8 号输出口电压，调整 荡电路两端的电压，用以补偿电路中阻抗和能量传输损耗的电压，使发射线圈的发射的电磁波维持稳定正弦交流变化。 §收电路 图 37：中国地质大学（武汉）学士学位论文161，6，8 2 源电压输入引脚。 28路到 适当大的电容器以消除输入噪声的影响。 3 关电源输出引脚。 功率输出的开关节点。 4 地5 馈引脚。 通过一个外部电阻分压网络，馈阈值电压 能引脚。 一个数字输入，来调节装置的开启或关闭。 高电平开启装置，低电平关闭。 中国地质大学（武汉）学士学位论文17第四章 电路的仿真与调试§波信号的产生门电路组成的多谐振荡（1）利用 制出如图 4示的仿真实验电路中国地质大学（武汉）学士学位论文18图 4电路组成的多谐振荡仿真图（2 ）按图设置各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上两个通道观察输出波形以及与输入信号的关系。 如 4所示。 图 4真波形图中国地质大学（武汉）送模块整体电路（1 ）利用 制出如图 4示的仿真实验电路图 4送模块整体电路发仿真图(2) 按图设置各元件的参数，打开仿真开关，从示波器上两个通道观察输出波形以及与输入信号的关系。 如 4所示。 中国地质大学（武汉）学士学位论文20图 4际电路的测试(1)实际发射电路示波器仿真波形，如 4所示。 中国地质大学（武汉）学士学位论文21图 4波器仿真波形(2)实际电路测试数据发射线圈：铜线线径 圈外径 50 17 匝接收线圈同发射线圈发射线圈接上 12V 电源:待机工作电流 200合物锂电池测试数据如表 4示表 4际电路测试数据线圈距离(收电压(V) 充电电流(圈距离(收电压(V) 充电电流( 5 800 11 5 1322 5 710 12 5 1203 5 600 13 5 1104 5 450 14 5 705 5 360 15 5 546 5 310 16 5 417 5 240 17 5 288 5 210 18 5 199 5 162 19 5 1710 5 150 20 5 10由表格中的数据可以看到:此电路可以输出稳电的 5V 电压，且最大电流超过500以在 20给 合物锂电池充电。 中国地质大学（武汉）学士学位论文22第五章 结论本设计由于本人的知识有限，制作工艺，测试条件等等各方面的限制下，在制作过程中，元器件的选择，电路调试的繁琐，给本设计带来了很大影响。 在老师与同学的帮助，一次次的解决了问题，但是最终本设计。