無線充電原理解析及經典設計方案集錦 - 全文

無線充電技術的原理研究可以追溯到19世紀30年代，科學家邁克爾·法拉第首先發現了電磁感應原理，即周圍磁場的變化將使電線中產生電流。到了 19世紀 90年代，愛迪生光譜輻射能研究項目的一名助手，也是後來的科學家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla) 證實了無線傳輸電波的可能性，並申請了首個專利。目前無線充電存在四種不同的商用技術，電磁感應技術、無線電波技術和電磁共振技術、電場耦合技術，幾種技術各有特點。

　　無線充電是指利用電磁波感應原理進行充電的設備，原理類似於變壓器。在發送和接收端各有一個線圈，發送端線圈連接有線電源產生電磁信號，接收端線圈感應發送端的電磁信號從而產生電流給電池充電。

　　實現無線充電技術主要通過四種方式：電磁感應式、磁場共振式、無線電波式、電場耦合式。

　　1.電磁感應式充電：初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈鍾產生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端。目前最為常見的充電墊解決方案就採用了電磁感應，事實上，電磁感應解決方案在技術實現上並無太多神秘感，中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請的非接觸感應式充電器專利，就使用了電磁感應技術。

電磁感應式無線充電產品示意圖

　　2.磁場共振充電：由能量發送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個裝置調整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術，由麻省理工學院(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領的研究團隊利用該技術點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡，並將其取名為WiTricity。該實驗中使用的線圈直徑達到50cm，還無法實現商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。相比電磁感應方式，利用共振可延長傳輸距離。磁共振方式不同於電磁感應方式，無需使線圈間的位置完全吻合。

　　3.無線電波式充電：這是發展較為成熟的技術，類似於早期使用的礦石收音機，主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從牆壁彈回的無線電波能量，在隨負載作出調整的同時保持穩定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在牆身插頭的發送器，以及可以安裝在任何低電壓產品的「蚊型」接收器。

　　4. 電場耦合式充電：充電模塊是由2個非對稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電模塊就是通過這2個非對稱偶極子的電場耦合而產生的感應電場來供電的。電場耦合方式的特點大致有三：①充電時可實現位置自由，②電極薄，③電極部的溫度不會上升。因此不僅能夠提供便利性，而且還可降低系統成本。目前已試製完成為平板終端及電子書等便攜終端進行無線供電的供電台。

經典微距離無線充電器創新設計方案

本設計方案主要介紹了微距離無線充電器設計的基本方案，主要分析無線電能發送單元電路、無線電能接收器電路等。

　　將直流電轉換成高頻交流電，然後通過沒有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實現電能的無線饋送。基本方案如圖1所示。

　　本無線充電器由電能發送電路和電能接收與充電控制電路兩部分構成。電能的無線傳送實際上是通過發射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實現的，這裡L1與L2構成一個無磁芯的變壓器的原、副線圈。為保證足夠的功率和儘可能高的效率，應選擇較高的調製頻率，同時要考慮到器件的高頻特性，經實驗選擇1.6MHz較為合適。

　　圖2無線電能發送單元電路圖

圖3無線電能接收器電路圖

　　文章詳情：經典微距離無線充電器創新設計方案詳解

電磁感應式智能無線充電器設計方案

　　智能無線充電器利用電磁感應原理，是非接觸充電系統，不再通過導線(充電線)傳輸電能，而是無線傳輸方式充電。沒有充電所用的物理介面，與一般充電器相比，避免了插線或拔電池的麻煩，具有一般充電器的工作原理;作品採用一(充電器)對多(感應負載)充電、智能充電的設計思想;無線充電器對負載充電時，指示燈將由綠燈轉換為七彩燈，手機也正確顯示充電狀態並智能完成充過程(實驗產品為手機)。本充電器可以同時對多個負載充電，可以自動感應是否有負載充電，達到自動充電，充滿電後10秒自動斷電，達到智能化;從而大大方便了用戶。

　　無線充電器利用電磁感應原理。通過NE555D晶元產生一個36.7K的脈衝頻率(因為經過調試在36.7K頻率時，效率達到最高)，IRFP460功率放大，使發射線圈產生磁場，當接收線圈靠近時，產生感應電流，經過全波整流和穩壓，得到負載 (手機)所需要的充電電壓和電流。發射線圈的電流會隨著感應負載的增加而增大，通過運放把0.33歐的負載電壓23倍放大，再經過1N4148整流濾波得到電壓U1與基準源Uo比較。充電時，U1大於Uo七彩燈閃亮，表示正在充電;空負載或充滿電時，U1小於Uo，綠燈亮，若10秒鐘後沒有感應負載，自動斷電;按一下複位鍵則充電器重新啟動。 本設計方案主要從NE555D脈衝發生器模塊、功率放大及無線發射模塊、感應線圈模塊、充電檢測模塊、充電檢測模塊進行分析。部分電路分析及工作流程圖如下：

　　如圖1，根據T=(R1+Rp)C1，f=1/T，調節Rp使NE555D輸出一個36.7KHZ的脈衝頻率。

　　設計、製作智能無線充電器，它具有如下優點：

　　(1)成本低廉

　　電路由脈衝產生部分、功率放大部分，濾波部分、比較部分及發射和接收部分組成，每部分只是幾個小元件組成，製作簡單。

　　(2)一對多充電

　　一台充電器可以對多個負載充，一個家庭購買一台充電器就可以滿足全家人使用，隨著負載的增加，工作效率也會增高，因此可以節約用電同時亦可減少不必要的開銷。

　　(3)方便性

　　與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時亦避免了介面不適用，接觸不良等現象，老年人也能很方便地使用。

　　(4)智能化

　　只要把感應負載往充電器上面放，就可以自動感應充電，通過信息反饋，當感應負載滿電後，自動斷電，實現充電過程智能化。 文章詳情：電磁感應式智能無線充電器設計方案

基於MSP43O單片機的無線充電器設計

　　無線充電系統主要採用電磁感應原理，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，當接收線圈迴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。

　　本設計方案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。如下圖是整機電路原理圖。

　　文章詳情：基於MSP430單片機的無線充電器設計

便攜醫療設備的無線充電設計

　　本文主要介紹便攜醫療設備的無線充電設計與實現。

　　想像一下，你是一家大城市急救室的醫療技師。你在各個病房之間穿梭，使用攜帶型診斷設備協助醫護人員做診斷。工作壓力大，病人源源不斷，你根本沒時間去找插座，把你的設備插上去。你大概願意把設備放到一個地方，讓它自動充電。這樣你就能到下一個病人或傷者那裡，他們需要動作迅速和高效的醫護人員。對你和病人來說幸運的是，無線充電已經是一種現成的技術。

　　行業標準規範正在引領無線充電的發展。無線充電聯盟(WPC)的標準也被稱為Qi(發音「奇」)。這個規範又分為系統的三個核心部分：功率發射器、功率接收器以及這兩個器件之間的通信協議。這個標準的主要特點是(見圖1)：

　　圖1：無線充電系統方塊圖(來源：無線充電聯盟網站)

　　(1)一種從底座到攜帶型設備的非接觸式功率傳輸方法，這種方法的物理基礎是線圈之間的近場電磁感應。

　　(2)使用一個次級(或接收)線圈傳輸大約5W功率。

　　(3)工作頻率範圍為110Hz至 205kHz。

　　(4)在底座表面擺放攜帶型設備的方式有兩種：一種方式是在底座表面的指定位置擺放攜帶型設備，底座通過該表面的一個或幾個固定的位置提供能量;自由定位允許攜帶型設備隨意擺放在充電站表面，從該表面的任何地方提供能量。

　　(5)可以達到非常低的待機功耗，這取決於具體的實現方法。

　　(6)能夠靈活地把系統集成到攜帶型設備。

　　文章詳情：便攜醫療設備的無線充電設計

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