引言

目前，手機、Mp3和筆記本電腦等便攜式電子設備進行充電主要采用的是一端連接交流電源，另一端連接便攜式電子設備充電電池的傳統充電方式。這種方式有很多不利的地方，如頻繁的插拔很容易損壞接頭，也可能帶來觸電的危險等。因此，非接觸式感應充電器在上個世紀末期誕生。憑借其攜帶方便、成本低、無需布線等優勢迅速受到各界關注。實現無線充電，能量傳輸效率高，便于攜帶成為充電系統的研究方向之一。本設計就是一個由能量發送單元和能量接收單元兩大部分組成，利用電磁感應原理實現電能無線傳遞的充電器。

1硬件系統設計

1.1器件選擇

本無線充電系統的設計是用線圈耦合方式傳遞能量，使接收單元接收到足夠的電能，以保證后續電路能量的供給。由于無線傳電電壓隨能量發送單元和接收單元耦合線圈的間距D在測試中需要改變，而充電時間相對固定，便于控制，所以充電方式上選擇固定電流充電的恒流充電方案。在器件選擇上選擇有多種省電模式，功耗特別省，抗干擾力特強的MSp430系列超低功耗單片機MSp430F2274作為無線傳能充電器的監測控制核心芯片，電壓和充電時間顯示采用低功耗OCM126864—9液晶屏，以提高充電電路的能量利用效率。

1.2系統框圖

無線充電系統主要采用電磁感應原理，通過線圈進行能量耦合實現能量的傳遞。如圖1所示，系統工作時輸人端將交流市電經全橋整流電路變換成直流電，或用24V直流電端直接為系統供電。當接收線圈與發射線圈靠近時，在接收線圈中產生感生電壓，當接收線圈回路的諧振頻率與發射頻率相同時產生諧振，電壓達最大值，具有最好的能量傳輸效果。通過2個電感線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經接受轉換電路變化成直流電為電池充電。

1.3單元電路設計

1.3.1電源切換

直流輸入采用單刀雙閘繼電器，交流上電常開閉合，常閉打開實現交流優先，交流斷電繼電器斷電，常閉閉合，實現自動切換。在切換時，時間很短，C1可提供一定時間的電量，可以實現不斷電切換，不影響充電。見圖2所示。

1.3.2發射及接收電路

發射電路由振蕩信號發生器和諧振功率放大器兩部分組成，見圖3所示。采用NE555構成振蕩頻率約為510KHZ信號發生器，為功放電路提供激勵信號；諧振功率放大器由Lc并聯諧振回路和開關管IRF840構成。振蕩線圈按要求用直徑為0.8mm的漆包線密繞2O圈，直徑約為6.5cm，實測電感值約為142uH，由，當諧振在510KHZ時，與其并聯的電容c5、c6約為680p，可用470pF的固定電容并聯一個200pF的可調電容，可方便調節諧振頻率。

大功率管TRF840最大電流為8A、完全開啟時內阻為0.85歐，管子發熱量大，所以需要加裝散熱片。當功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵信號頻率相同時，功率放大器發生諧振，此時線圈中的電壓和電流達最大值，從而產生最大的交變電磁場。當接收線圈與發射線圈靠近時，在接收線圈中產生感生電壓，當接收線圈回路的諧振頻率與發射頻率相同時產生諧振，電壓達最大值。構成了如圖4所示的諧振回路。實際上，發射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態時，具有最好的能量傳輸效果。

1.3.3充電電路

如圖5所示，電能經過線圈接收后，高頻交流電壓經快速二極1N4148進行全波整流，3300F的電容濾波，再用5.1v壓二極管穩壓，輸出直流電為充電器提供較為穩定的工作電壓。

因為，為了準確控制充電時間，我們在設計中采用恒流充電的方法，可以保證充電電流大致為一常數I，上述電容電壓與時間的關系可表示為：。根據題設要求，充電時間應滿足快充小于30s，慢充控制在100到140S，計算出快充、慢充所需電流大小快I1慢I2：分別為：

圖5中二極管D1、D2的導通電壓基本不變，故可作為電壓基準，約為1.4V。各電壓關系為：

可見在恒流充電電路中，充電電流僅由電阻R1、R2確定。計算中約定U=0.7充電電流Ic（三極管集電極電流）Ie，計算出快充、慢充所需電阻R1、R2分別為：

設計中采用可調電阻，可調節充電電流的大小。1.3.4整機電路原理圖

2軟件設計

軟件設計的主要任務是對充電過程的監視及充電電路的控制。具體方法是：利用MSp430單片機自帶的AD轉換器實時檢測充電電池上的電壓，到規定電壓時發出控制信號，斷充電電路。基于MSp430較高的速度、高精度的AD轉換器、功能豐富的定時器等資源特點，我們在LCD上設計了充電進度條的繪制、實時充電電壓顯示、充電時間顯示等內容。其中進度條的繪制需要定性反映實時電壓大小，我們采用的方法是根據電壓值計算出坐標，并調用自己設計的畫直線函數進行實時繪制，效果逼真（見圖7、圖8）。

3功能的實現情況

本無線充電系統設計使用220V/50HZ交流供電，24V直流供電，自動切換交、直流供電電源；具有快充、慢充功能，當距離D>2cm時，快充時間<30s，當距離D>2cm時，慢充時間<120s。系統充滿后顯示，自動關斷充電。如表1所示。

4結語

充電效率是一個不得不考慮的問題。本設計系統可以在發射接收電路的能量傳輸部分做適當改進，以獲得更高的效率和更遠的距離；也可以設計充電設備檢測電路，在沒有能量接收電路時能量發送部分處于睡眠狀態，當能量接收電路靠近發送部分時，激活發射電路開始充電。本設計系統達到了設計要求，具有無線充電、攜帶方便、成本低、無需布線等優勢，有著廣泛的應用前景。