基于MSP430的無線充電器系統(tǒng)設(shè)計※

曹琛，李元章，馬忠梅

(北京理工大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，北京 100081)

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基于MSP430的無線充電器系統(tǒng)設(shè)計※

曹琛，李元章，馬忠梅

(北京理工大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，北京 100081)

摘要:本設(shè)計是基于手機(jī)鋰電池來研究無線電能傳輸?shù)?，采用電磁感?yīng)方式進(jìn)行電能傳輸。首先，對系統(tǒng)電能傳輸方式和鋰電池充電的工作原理進(jìn)行分析，其次對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行分析。在理論分析的基礎(chǔ)上，借助工具對無線充電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，采取數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)分析方法對設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行驗證，分析出系統(tǒng)傳輸電能的最大距離、最優(yōu)效率、最大功率,最終設(shè)計出多功能無線充電平臺。

關(guān)鍵詞:無線能量傳輸； 電磁感應(yīng)； 能量發(fā)送；能量接收

引言

目前，絕大部分的充電器都是通過金屬導(dǎo)線連接的方式，給設(shè)備內(nèi)部的鋰電池充電。無線充電技術(shù)的優(yōu)勢在于便攜和通用，解決了各種充電線雜亂無章的煩惱。此外，無線充電技術(shù)會給WiFi和電源技術(shù)帶來巨大的進(jìn)步。對于不需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，無線充電技術(shù)會大大減少用戶所需各種充電器的數(shù)量。

1方案設(shè)計

1.1充電原理分析

兩個共振頻率相同的物體之間能有效地傳輸能量，而不同頻率物體之間的相互作用較弱，無線充電技術(shù)就是利用的這個原理。此外，無線充電技術(shù)也利用了電磁波感應(yīng)原理，以及相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù)，在發(fā)送和接收端用相同的線圈發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號來進(jìn)行充電。用戶只需要把充電設(shè)備放到一個“平板”上就能充電了。

1.2器件的選擇

TI公司的MSP430系列是超低功耗的微控制器，使用壽命長，可保證穩(wěn)定性，而且集成了各種智能外設(shè)，其具有16位RISC CPU架構(gòu)，此系列的單片機(jī)具有超高性價比。無線充電器中，能量接收部分由于其耦合方式獲得的電流有限，充電過程需要用低功耗單片機(jī)來控制。MSP430芯片內(nèi)部集成了ADC功能，這樣可以實時地監(jiān)測充電時的電壓值。

圖2　電源管理電路

1.3關(guān)鍵電路設(shè)計

1.3.1振蕩電路

設(shè)計中使用RC振蕩電路，RC振蕩電路在一定范圍內(nèi)可調(diào)，且電路設(shè)計簡單，節(jié)省元器件。由于系統(tǒng)選擇的頻率不高，在一定的范圍內(nèi)可調(diào)，所以選擇NE555器件與RC電路構(gòu)成振蕩。

1.3.2功率放大電路

如果選擇大功率開關(guān)三極管作為功放元件，則功耗太大，發(fā)熱較嚴(yán)重，且成本高。因此采用場效應(yīng)管進(jìn)行放大，功耗較使用大功率三極管時低，驅(qū)動功率低，且使用方便。

1.3.3電源管理

這部分電路有兩種選擇，可以選擇使用晶閘管或者繼電器，兩種器件各有利弊，不過實際運用中要實現(xiàn)交流/直流自動切換，因為其工作電流大、切換頻率不大，所以選擇繼電器。

1.3.4充電電路

在無線充電過程中，電壓會隨信號發(fā)送部分與接收部分耦合線圈間距的變化而變化，但是充電時間相對固定，所以選擇恒定電流的充電方式。

2設(shè)計實現(xiàn)

2.1硬件部分

2.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中D為信號發(fā)送部分的線圈與信號接收部分的線圈的間距，這個距離會影響到電壓值。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2電源管理

輸入可以為交流/直流，交直流輸入采用單刀雙擲繼電器，交流電上電常開閉合，常閉打開實現(xiàn)交流優(yōu)先，交流斷電繼電器斷電，常閉閉合，實現(xiàn)自動切換。切換過程極短，不會影響充電。具體電路如圖2所示。其中,K1 Relay為繼電器，D1是由4個二極管組成的整流橋。7805和7812都是三端穩(wěn)壓集成電路芯片。

2.1.3信號發(fā)射電路

信號發(fā)射電路由振蕩電路和諧振功率放大電路組成，振蕩電路利用NE555器件產(chǎn)生一個合適的振蕩頻率(約510 kHz)，為功率放大電路提供激勵信號(輸入信號)，諧振功率放大電路由LC并聯(lián)組成的諧振回路和場效應(yīng)管IRF840構(gòu)成。NE555是555系列計時IC的一種型號，它只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生不同頻率的脈波信號振蕩線圈采用0.8 mm的漆包線繞20圈，電感值為142 μH，根據(jù)LC諧振頻率的計算公式:

當(dāng)頻率為510 kHz時，與其并聯(lián)的電容C5、C6的容量為680 pF，信號發(fā)射電路如圖3所示。

圖3　信號發(fā)射電路

C5、C6的容量經(jīng)過計算為680 pF，但考慮到使用過程中器件的老化，以及溫度、光照等外部因素的影響，利用一個470 pF的固定電容并聯(lián)一個200 pF的可調(diào)電容，方便調(diào)節(jié)諧振頻率。

當(dāng)LC振蕩電路的選頻回路諧振頻率與激勵信號頻率相同時，會發(fā)生諧振，此時線圈中的電壓和電流都達(dá)到最大值，從而產(chǎn)生最大的交變電磁場。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈接近時，接收線圈會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當(dāng)接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時，會發(fā)生諧振，電壓達(dá)最大值。發(fā)射線圈與接收線圈均處于諧振時，能量傳輸最理想，即充電效果最好。具體的諧振圖如圖4所示。

圖4　諧振電路

L2為接收線圈，當(dāng)L1、L2值一樣，C5、C9值一樣，C6、C10值一樣，可以保證發(fā)射線圈和接收線圈的諧振頻率相同。

2.1.4充電電路

充電電路如圖5所示，也就是接收線圈的部分。接收線圈接收到的電能信號經(jīng)過整流橋進(jìn)行整流，經(jīng)過C8(濾波電容)進(jìn)行濾波，然后經(jīng)過D3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，從而提供穩(wěn)定的電壓。

圖5　充電電路

為了準(zhǔn)確地獲得充電時間，采用恒流充電的方式，在此情況下，電流值為恒定不變的量，根據(jù)電容電壓積分公式：

電流設(shè)為常亮I，所以得到電容電壓與時間的公式為

若設(shè)計要求為充電時間滿足快速充電低于40s，慢速充電控制在100s，計算可得快速充電和慢速充電所需電流為：

I(快)=22 000μF×3V/40s=1.65mA

I(慢)=22 000μF×3V/100s=0.66mA

在充電電路中，D5、D6二極管的導(dǎo)通電壓均為0.7 V，且穩(wěn)定不變，可作為基準(zhǔn)電壓，為1.4 V，所以：

U(R)+U(EB)=U(D1)+U(D2)=1.4 V

在恒流充電中，充電的電流由電阻R5、R6決定。在PNP管中，U(EB)=0.7 V,且三極管I(C)約等于I(E)，所以計算出快速充電和慢速充電需要的電阻值為：

R5=0.7 V/I(慢)=1061 Ω，R6=0.7 V/I(快)=424 Ω

在實驗中，采用兩個可變電阻，充電過程可以改變電阻值，從而改變充電電流。

2.2軟件部分

軟件設(shè)計部分主要完成對充電過程的監(jiān)視以及充電過程的控制。由于MSP430單片機(jī)內(nèi)部自帶有A/D轉(zhuǎn)換器，可以實時地監(jiān)測充電過程中電池的電壓變化，達(dá)到規(guī)定的電壓后立即發(fā)出控制信號、停止充電。若采樣電壓為0時，表示已經(jīng)充滿電，即可清空進(jìn)度條，如果不為0，則繪制進(jìn)度條，顯示在充電，一旦設(shè)備進(jìn)入低功耗模式，則開啟定時器，開始充電。軟件設(shè)計整體框架圖如圖6所示。

圖6　軟件設(shè)計整體框架圖

MSP430單片機(jī)功耗很低，且A/D轉(zhuǎn)換器精度很高，定時器的功能也很豐富，通過定時器和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行實時監(jiān)測，若出現(xiàn)定時器中斷，則執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)，然后借助LCD程序使充電的進(jìn)度條、實時電壓、充電時間等內(nèi)容顯示在LCD屏上。部分關(guān)鍵代碼略——編者注。由于MSP430單片機(jī)沒有中斷嵌套功能，所以在計算充電時間和A/D采樣中斷兩個中斷同時來臨時，容易出現(xiàn)定時器“死機(jī)”的情況。在試驗中，采用定時器優(yōu)先中斷，然后在定時器中斷程序中啟動A/D的方法，A/D對直流電壓采樣16次，可以得到不錯的效果。之所以這樣設(shè)計是因為A/D轉(zhuǎn)換器對直流并不需要太高的采樣速率。

3測試

3.1產(chǎn)品測試方案

設(shè)計的無線充電器要實現(xiàn)的功能有：快速充電、慢速充電、交流電/直流電切換(不過以交流電優(yōu)先)；在充電過程中，可以調(diào)節(jié)兩個可調(diào)電阻，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)充電電流，以獲得最大的充電距離(即發(fā)射線圈與接收線圈的間距)。

測試方案步驟如下：

① 快速充電測試：把線圈距離調(diào)整為2 cm,調(diào)節(jié)電流為1.65 mA，記錄充電時間。

② 交流電/直流電切換：將交流220 V電壓和直流24 V電壓同時送入電源管理模塊，通過LCD屏顯示內(nèi)容觀察充電過程的穩(wěn)定性；斷開220 V交流電，直接接入24 V的直流電，觀察充電是否穩(wěn)定。

③ 在快速充電40 s、慢速充電100 s內(nèi)，適當(dāng)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，記錄充電時間，獲得最佳的充電電流。

3.2產(chǎn)品實現(xiàn)的功能

經(jīng)測試，設(shè)計的無線充電器能夠完成以下功能：

① 支持220 V、50 Hz的交流電和24 V直流電供電；

② 能夠自動切換交直流供電，當(dāng)兩種電同時供入到電路中時，以交流電優(yōu)先，當(dāng)斷開交流電時，自動切換到直流電供電；

③ 可以支持快速充電、慢速充電；

④ 在屏幕上可以顯示電量充電進(jìn)度。

3.3線圈間距的影響

發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離會影響充電效率，我們無法直接觀察到充電效率如何，可以通過充電的時間進(jìn)行推測。做過的一些試驗記錄略——編者注。

結(jié)語

本文所設(shè)計的無線充電器由電源管理模塊、能量發(fā)送單元、能量接收單元部分組成。經(jīng)過大量測試，可在7 cm的距離內(nèi)對電池進(jìn)行快速充電和慢速充電，且無線充電器支持交流電和直流電供電，能夠?qū)崿F(xiàn)交直流自動切換，通過單刀雙擲開關(guān)可以選擇快速充電和慢速充電模式?？刂菩酒捎玫凸摹⒖垢蓴_強(qiáng)的MSP430芯片，可利用內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換和定時器功能控制充電過程，且電量可以顯示在液晶屏上。

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Design of Wireless Charger System Based on MSP430※

Cao Chen，Li Yuanzhang,Ma Zhongmei

(School of Computer Science,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Abstract：Based on the phone lithium battery,the wireless energy transmission is researched.In the paper,the electromagnetic induction mode is adopted.First,the energy transmission mode and the working principle of the lithium battery charging are analyzed,then the hardware and software of the system are discussed.On the basis of theoretical analysis,the wireless charging system is debugging using the related tools.It uses the mathematical data analysis method to verify the design,and analyzes the maximum distance power transmission,the optimal efficiency and the maximum power of the system.Finally,the design of multifunction wireless charging platform is achieved.

Key words:wireless energy transmission;electromagnetic induction;energy transmission;energy receive

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-08-30)

中圖分類號:TP368

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A