无线充电
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1.无线充电基本知识
无线充电的方法在实验阶段有开发出很多方法，但目前唯一有机会产量商品化的为线圈感应式。
线圈感应式的原理很简单，是百年前就被发现物理现象，但过去长久以来这样的线圈感应只运用在绕线式的变压器中。
早期就有人发现将绕线式的变压器的将“E”型铁心绕线后对向紧贴后接上市电就可以感应传电，但距离略为分开后感应效果就消失，这是因为在市电60Hz下，电磁波传递会随着距离增加能量快速衰退。
所以长期以来，利用磁耦合原理实现电能传输只是在传统变压器和感应电机当中得到了应用基于此原理以空气为磁介质实现高等级电能传输最开始认为是不可能的。
近年来随着新方法新材料的应用，使无线充电成为可能。
无线充电器是指利用电磁波感应原理进行充电的设备，原理类似于变压器。
在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。
用户只需要将充电设备放在充电平台上即可进行充电，这样的充电方式过去曾经出现在手表和剃须刀上，但是当时无法针对大容量锂离子电池进行有效充电。
无线充电器的优势在于便捷性和通用性。
缺点就是效率低成本高和只能提供电能。
1.1. 国外发展及现状
最初的无线充电器是由许多密集的小型线圈阵列组成，可产生磁场，将能量传输给装有专用接收线圈的电子设备，进行充电，但这种
充电器传输效率低、成本高、需购买套件，不能对大容量锂离子电池进行有效充电。
2007年6月麻省理工学院以Marin Soljacic为首的研究团队首次演示了灯泡的无线供电技术，他们可以在一米距离内无线给60W灯泡提供电力,效率高达75%。
传输线圈的工作频率在兆赫范围，接收线圈在非辐射磁场内部发生谐振，并以相同的频率震荡，然后有效的运用磁感应点亮等灯泡。
针对无线充电器效率低的问题，有研究人员提出磁共振传输能量理论，但目前正处于试验阶段，还没有应用到生产中。
1.2. 国外发展及现状
国内无线供电器设计起步相对较晚，近年来也得到了一定数量的应用，市面上也出现了类似的产品。
在诸如电动牙刷、剃须刀等小功率产品上获得了广泛应用,但更大功率的传输目前还不现实。
2.系统硬件电路设计
本设计是一种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臵于同一充电平台上同时充电。
免去接线的烦恼。
2.1. 系统整体框图
无线充电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。
图1：无线充电器设计系统框图
2.2. 供电电源模块
系统的供电可以采用220V交流供电，也可以采用24V直流供电。
当采用22V交流供电时，交流电经变压器变压，全桥整流电路转换成直流电，经C1，C2滤波后再经7805稳压后传输给发射电路。
图2：供电电源电路
2.3. 发射电路
如图3．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0.5 mm，直径为7cm，电感为47uH，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，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。
图3：发射电路
2.4. 接收转换电路
正常情况下, 接收线圈L2与发射线圈L1相距不过几cm, 且接近同轴, 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3所示。
L2感应得到的2MHZ的震荡电压，经桥式整流和滤波得到直流作为充电控制部分的电源。
由R4RP2和TL431构成精密参考电压4.15V (锂离子电池的充电终止电压) 经R12接到运放U3的同相输入端。
当IC2的反相输入端2低于4.15V时，运放输出的高电位，一方面使Q4 饱和从而在LED2两端得到约2V 的稳定电压。
另一方面R5 使Q 3截止, LED3不亮。
当电池充满(略大于4. 15V )时, U3的反相输入端2略高于4. 15V。
运放便输出低电位, 此时Q4 截止, 恒流管Q5因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R8 使Q3 导通, 点亮LED3作为充满状态指示。
图4：接收转换电路
2.5. 充电电路
如图5．从接收电路引出电源。
利用拨码开关改变负载电阻调节充电快慢。
同时在充电电池前并联两个串联的贴片发光二极管(一个发光二极管的导通电压是1.5V,串联后,导通电压为3V)，实现充满
指示功能。
图5：充电电路
3.主要元器件选择
电源变压器T1——5VA18V, 这里利用现有的双18V 的, 经整流滤波后得到约24V 的直流。
继电器J——DC24V, 经测量其可靠吸合电流为13 mA。
保险管FUSE——快速反应的1A。
可调电阻RP1和RP2——用精密可调的。
谐振电容C8——瓷介电容耐压不小于63V。
整流桥D5- D8——用高频开关管1N4148。
精密电压源——TL431。
运放U3——OPA 335, TI公司的轨对轨精密单运放。
晶体管Q3、Q4 和Q5——要求漏电流小于0.1uA, 放大倍数大于200。
发光管LED2——普亮(红) , 正向VA 特性尽可能陡直(动态电阻小, 稳压特性好)。
4.调试要点
4.1调工作频率
调PR1使F1- F2 产生的方波频率与C8L1的谐振频率一致。
此时电流表的读数最小, 接收线圈L2所得的感应电压最大, 暂不接被充电池BT2。
4.2 基准电压
保持L1与L2相距2cm 并同轴, 调RP2使其两端电压为4. 15V, 这就是锂离子电池的充电终止电压。
改变L1与L2的间距, 在0- 6cm 之间基准电压应当恒定为 4. 15V。
任何一项调试必须在保证其他条件不变的情况下进行。
4.3 充电控制
增大L1与L2的间距(约55mm ), 在运放输出高电位的情况下, 将R10换成5M 的电位器, 由大往小调, 在能保证Q4 完全饱和的情况下, 对其电阻的最大值取3 /4, 成为调定的R10。
这是为了即保证控制可靠, 又要尽可能省电。
5.结束语
线传能充电器的主要设计目标是提高传能设备的功率和效
率, 以及较完善的充电控制功能, 不追求较远的传输距离, 设计传输距离为1 - 5cm, 即所谓微距传送。
在信息的无线传送盛行了百年之后, 在一定条件和范围内的电能无线传送将会开始流行。
本装臵将在电能无线传送方面提供一定的引导和启发作用。
作为可行性探索实验的样机, 本设计仅针对100mAh左右的小容量锂离子电池和锂聚合物电池,适用于MP3、MP4和蓝牙耳机等袖珍式数码产品。
它推广到大容量电池, 并不存在原则性的障碍。
当然, 从实验室的样机到市场中的产品, 可能还有比较漫长和艰难的工作, 如电磁辐射的泄漏问题, 成本控制与产品工艺, 以及市场切入与消费启动等。
