无线充电器工作原理

基于电磁耦合原理的无线充电器的设计

【摘要】电子设备的普及，有线充电的困扰，给无线充电设备的需求带来广阔的空间。现有的无线电力传输技术主要有基于电磁感应，电磁耦合，磁共振，微波等。本文在电磁耦合原理的基础上，结合TI公司的BQ500211数字无线电源控制器及BQ51013A集成型高级接收器，对无线充电进行研究，并设计一款适用于小型电子设备的无线充电器。

【关键词】电磁耦合；无线充电

1.引言

通过对电磁感应，电磁耦合，磁共振，微波等技术的综合分析和比较研究，本文选取了电磁耦合原理来设计一款无线充电器。该无线充电器由由初级线圈，次级线圈和相关的电路模块组成。初级线圈和电子产品也称为发射机和二次侧的接收机。电子的发射线圈通常嵌入充电器中。接收线圈和电子产品通常指便携设备，如手机。当接收线圈与发射线圈相对应后，在发射线圈的驱动下，磁耦合发生。磁通耦合到次级线圈产生电压，电流和功率，再经过整流和激励，便可以很有效地转移到无线负载上。

2.系统总体结构

系统主要包括能量发送单元和能量接收单元两部分。其实现方案如图1所示：

2.1 发射器模块

发射器模块以TI公司开发的第二代数字无线电源控制器BQ500211为主，它集成了无线电源传输所需的各项基本功能，包括询问周边环境以寻找将被供电的 WPC兼容器件、安全使用器件、接收来自被供电器件的数据包及管理电源传送等。BQ500211无线电源发送器特有的动态电源限制（DPL）功能大大增加无线电源应用中的灵活性。如果在电源传输期间发生异情况，BQ500211对其进行处理并提供指示器输出。该芯片还特有MSP430G2001低功耗管理模块，这是一个可选的低功耗特征。通过添加MSP430G2001，BQ500211定期关闭以降低功耗。

2.2 接收器模块

信号经过线圈的耦合，传送到接收器模块，再由BQ51013A进行整流和调节，用以作为负载的电源。该器件集成了一个低阻抗完全同步整流器、低压降稳压器、数字控制、和精确电压与电流环路。完成接收后会进行一个信息反馈，以通过反散射调制稳定电源传输过程。整个功率负温度系数热敏电阻（NTC）和控制引脚（整流器与LDO）均采用低电阻NMOS FET技术以确保高效率与低功率耗散。图2所示为其接收模块电路图。

usi 2.0工作原理

USI 2.0是一种技术规范，旨在实现无线充电器与设备间的互操作性。它基于物理共振原理，利用共振电感耦合来实现高效、安全的无线充电。

USI 2.0工作原理如下：

1. 无线充电器：无线充电器发送一个特定频率的电磁场信号。这个频率通常在100kHz到300kHz之间，可通过电磁感应线圈产生。

2. 电磁感应线圈：在需要充电的设备中，设备内部嵌入了一个电磁感应线圈。这个线圈与无线充电器发送的电磁场信号进行耦合。当两个线圈之间的距离和角度合适时，能量传输效率最高。

3. 调谐电路：设备中的电磁感应线圈配备了一个调谐电路，它的作用是确保设备与无线充电器之间的共振频率匹配。当设备放置在充电器附近时，调谐电路会自动调整设备的电感或电容，以达到共振条件。

4. 能量传输：当电磁感应线圈和充电器之间的共振频率匹配后，无线充电器开始向设备发送电能。通过电磁感应，充电器的电磁场信号会在设备中感应出电流。

5. 整流和电池充电：在设备内部，通过整流电路将感应出的交流电转换为直流电。直流电被用来充电设备的电池，以供设备使用。

总而言之，USI 2.0利用电磁感应线圈和共振电感耦合实现无线充电。通过调谐电路的自动调整，设备与无线充电器之间能够建立共振频率匹配，从而实现高效、安全的能量传输。

无线充电器技术参考及原理图（电路图）

无线充电器正向我们走来，本文介绍了无线充电器的结构与原理。爱好电子产品设计的朋友们可以参考。

简单实用的无线传能充电器，通过线圈将电能以无线方式传输给电池。只需把电池和接收设备放在充电平台上即可对其进行充电。实验证明．虽然该系统还不能充电于无形之中．但已能做到将多个校电器放置于同一充电平台上同时充电。免去接线的烦恼。

1 无线充电器原理与结构

无线充电器系统主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图1所示，系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用24V直流电端直接为系统供电。经过无线充电器电源管理模块后输出的直流电通过2M有源晶振逆变转换成高频交流电供给初级绕组。通过2个电感线圈耦合能量，次级线圈输出的电流经接受转换电路变化成直流电为电池充电。

2 无线充电器发射电路模块

如图3，无线充电器主振电路采用2 MHz有源晶振作为振荡器。有源晶振输出的方波，经过二阶低通滤波器滤除高次谐波，得到稳定的正弦波输出，经三极管13003及其外围电路组成的丙类放大电路后输出至线圈与电容组成的并联谐振回路辐射出去．为接收部分提供能量。

测得与电容组成的并联谐振回路的空芯耦合线圈的线径为O．5

mm，直径为7 cm，电感为47 uH，载波频率为2 MHz。根据并联谐振公式得匹配电容C约为140 pF。因而．无线充电器发射部分采用2MHz有源晶振产生与谐振频率接近的能源载波频率。

电场耦合无线充电原理

随着科技的不断发展，无线充电技术逐渐成为人们关注的热门话题。而电场耦合无线充电作为无线充电技术的一种重要实现方式，具有其独特的工作原理和应用优势。本文将介绍电场耦合无线充电的原理及其相关知识。

一、电场耦合无线充电的基本原理

电场耦合无线充电是利用电磁场的能量传输特性，将电能从发射端传输到接收端的无线充电技术。其基本原理是基于电磁场的感应耦合，通过在发射端产生交变电流，从而形成交变磁场，接收端的线圈受到磁场的影响，产生感应电流，进而将电能传输给接收设备。

具体来说，电场耦合无线充电系统通常由发射端和接收端两部分组成。发射端包含一个发射线圈，通过交变电流激励线圈产生交变磁场。接收端包含一个接收线圈，其位置相对于发射线圈是确定的。当接收线圈处于发射线圈的磁场范围内时，接收线圈就会受到磁场的影响，产生感应电流。通过调节发射端的电流频率和功率，可以实现对接收端的无线充电。

二、电场耦合无线充电的优势及应用

电场耦合无线充电具有以下几个优势：

1. 灵活性：电场耦合无线充电系统可以在一定距离范围内进行充电，不需要接触式充电，使得充电更加灵活便捷。

2. 安全性：相比较传统的有线充电方式，电场耦合无线充电减少了电线的使用，能够有效降低电击和火灾的风险，提高了充电的安全性。

3. 可靠性：电场耦合无线充电系统采用感应耦合的方式进行能量传输，不受距离和位置的限制，能够稳定地进行无线充电。

电场耦合无线充电技术在生活和工业领域有着广泛的应用。

在生活领域，电场耦合无线充电可以应用于智能手机、平板电脑等消费电子产品的充电。用户只需将设备放置在充电器的范围内，即可实现无线充电，不再需要插拔充电线，提高了用户的使用体验。

在工业领域，电场耦合无线充电可以应用于机器人、电动汽车等设备的充电。机器人可以通过无线充电技术实现自动对接充电，提高了工作效率和智能化水平。电动汽车也可以通过无线充电技术进行充电，减少了传统充电桩的使用，提高了充电的便利性和效率。