一種便攜式無線充電器的設(shè)計

蔡伊莎 黃海松 羊宇翔 周清琳 趙琨楊

【摘?要】本文介紹了一種便攜式的無線充電器的設(shè)計。該充電器的電路實現(xiàn)部分分為四個模塊單元，即電源模塊單元、LCD顯示模塊單元、發(fā)送模塊單元以及接收模塊單元，同時利用STC89C52微控制器對所設(shè)計的電路進行控制。其中，發(fā)送模塊與接收模塊單元之間利用線圈的電磁互感耦合作用傳送電能，供電部分以及用電部分用沒有任何束縛性的有線連接，能保證充電及控制電路單元的全部供電，同時設(shè)備的充電電流達到實用要求。

【英文摘要】This?paper?introduces?the?design?of?a?portable?wireless?charger.?The?circuit?realization?part?of?the?charger?is?divided?into?four?module?units，namely?the?power?module?unit，LCD?display?module?unit，sending?module?unit?and?receiving?module?unit.?At?the?same?time，the?STC89C52?microcontroller?is?used?to?control?the?circuit?designed.?Among?them，the?sending?module?and?the?receiving?module?unit?use?the?electromagnetic?mutual?inductance?coupling?action?of?the?coil?to?transmit?electric?energy，the?power?supply?part?and?the?power?consumption?part?are?connected?without?any?bound?wire，which?can?ensure?all?the?power?supply?of?the?charging?and?control?circuit?unit，while?the?charging?current?of?the?equipment?meets?the?practical?requirements.

【關(guān)鍵詞】微控制器;電磁感應(yīng);無線傳能;充電器;互感耦合

1 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，智能手機日益普遍化，其在我們的日常生活中也扮演著至關(guān)重要的角色，人們對手機的續(xù)航能力以及充電效率也有了更高的要求。基于此，充電寶應(yīng)運而生，且得到了極大普及與應(yīng)用，還呈現(xiàn)出規(guī)模化的發(fā)展趨勢，進而逐漸形成了健全的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。然而隨著頻繁的插拔對手機進行充電，除了會帶來一定的安全隱患，還會降低充電器及手機電池的使用壽命。為解決這一困擾，手機無線充電技術(shù)迎來了龐大的發(fā)展市場以及廣袤的研究空間。但從技術(shù)以及專利角度來講，我國對無線充電技術(shù)的研究起步較晚，尚未研發(fā)出比較成熟的，極具特色的產(chǎn)品，大部分都停留在實驗和理論階段。

不容忽視的是手機無線充電設(shè)備的制造與維修成本都遠(yuǎn)高于普通充電設(shè)備，目前普及范圍不高，僅被運用于少數(shù)領(lǐng)域，而且由于是非接觸式充電，它在電能傳輸損耗上也遠(yuǎn)高于普通充電器，整體而言充電效率要低一些，所以過高的能量損耗成為了無線充電技術(shù)普及化急需攻克的一道難題。若這一問題得以解決，無線充電產(chǎn)品將迎來巨大的銷售市場?；诖?，本文以電磁耦合感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，完成了一款無線充電器的設(shè)計。

2 工作原理

無線充電系統(tǒng)即利用電磁感應(yīng)原理以及相應(yīng)的交流感應(yīng)技術(shù)，如下圖1所示，系統(tǒng)工作時輸入端用24V直流電直接為系統(tǒng)供電。經(jīng)過電源管理模塊后輸出的直流電通過有源晶振逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給初級繞組。再通過在發(fā)送和接收端用2個無線連接的原、副線圈進行互感耦合產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號，次級線圈輸出的電流經(jīng)接受轉(zhuǎn)換電路變化成直流電為電池充電，進行電能傳送。

本無線充電系統(tǒng)主要分為四個功能模塊，即電源模塊、顯示模塊、發(fā)送模塊和接收模塊。無線充電器的發(fā)送端由穩(wěn)壓電路、控制電路和發(fā)送電路以及一個電磁感應(yīng)的發(fā)射線圈組成，接收端由一個電磁感應(yīng)的接收線圈、能量轉(zhuǎn)換電路、整流穩(wěn)壓電路以及充電電池組成。

2.1電源電路功能模塊

如圖2所示電源電路模塊，發(fā)送模塊單元有兩種供電電源（220V交流和24V直流），由原理圖可以看到，該模塊是由24V的電源進行供電，在該模塊中運用到了穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓管、電感、電容以及LM2596組成，其中LM2596是降壓型電源管理單片集成電路的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。

2.2發(fā)送電路功能模塊

圖3發(fā)為送電路模塊，由STC89C52芯片、74HC00與非門和比較電路組成。其中STC89C52芯片主要用于對電路的控制，74HC00與非門的作用有兩點，第一是驅(qū)動功率管IRF530，因為單片機IO驅(qū)動力不足以直接驅(qū)動IRF530，所以加74HC00作為驅(qū)動，從而起到放大的作用。第二是IO關(guān)斷時，IRF530輸出截止，因為單片機IO關(guān)斷時，該特殊引腳輸出高電平，經(jīng)過74HC00后，變?yōu)榈碗娖剑琁RF530則截止，保證電路不發(fā)生短路。而比較電路由運放LM358組成，通過采樣電阻把電流轉(zhuǎn)換為電壓，與基準(zhǔn)電壓比較，即可得出當(dāng)前有無負(fù)載的情況。

2.3 LCD顯示電路功能模塊

圖4為LCD顯示電路，該LCD可顯示無線充電前的各種信息數(shù)據(jù)，例如手機電量等信息，在LCD顯示電路中會安裝風(fēng)扇如圖5所示，其作用是為功率管IRF530提供散熱冷風(fēng)。

2.4接收電路功能模塊

圖6為接收電路單元模塊，從左向右，由四個二極管組成整流電路，把高頻的交流電整流變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過電容濾波穩(wěn)壓，成為較為平穩(wěn)的直流電，接著再由LM2596電壓調(diào)節(jié)器進行電壓的調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓二極管和電感組成的穩(wěn)壓電路將經(jīng)過整流橋整流后的直流電，穩(wěn)壓成穩(wěn)定的5V直流電經(jīng)過USB輸出。

3 主要元器件選擇

電壓調(diào)節(jié)器LM2596，可輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性;

STC89C52芯片，主要用于對電路的控制;74HC00與非門，用于驅(qū)動功率管IRF530工作和當(dāng)單片機IO關(guān)斷時，使IRF530截止，以保證電路不會發(fā)生短路;運放LM358，構(gòu)成比較電路;LCD1602，用于構(gòu)成顯示電路;功率管IRF530;散熱風(fēng)扇。

4系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括LCD1602初始化，定時器的初始化，顯示提示字符，判斷是否打開發(fā)射裝置、有無負(fù)載，當(dāng)檔位大于三、擋位等于零、有加檔時，再次判斷是否打開發(fā)射裝置;根據(jù)是否打開發(fā)射裝置，有無負(fù)載及檔位的大小設(shè)定不同的脈沖寬度。軟件流程框圖如圖7所示。

在按下開關(guān)后，無線充電裝置可自動檢測負(fù)載是否存在，如果在5秒內(nèi)無檢測到負(fù)載，則自動關(guān)閉發(fā)射開關(guān)，如果負(fù)載存在則保存開關(guān)繼續(xù)充電，如果負(fù)載移開，且在1秒內(nèi)負(fù)載不存在，則發(fā)射裝置自動關(guān)閉。整個系統(tǒng)軟件在Keil MDK集成環(huán)境下采用C語言編寫而成。

5 結(jié)束語

便攜式無線傳能充電器的主要設(shè)計目的是使得人們的生活更加便捷，即擺脫了原始的各種數(shù)據(jù)線的束縛。在信息的無線傳送盛行了百年之后，更加便捷的電能無線傳送將會開始流行。本文的設(shè)計思路將在電能無線傳送方面提供一定的引導(dǎo)和啟發(fā)作用。

作為可行性探索實驗，本文的設(shè)計思路適用于MP3、MP4和藍牙耳機等袖珍式數(shù)碼產(chǎn)品。然而將本文的設(shè)計思路推廣到大容量電池，也不會存在原則性的障礙。當(dāng)然，從實驗室的探索設(shè)計到市場中的產(chǎn)品，可能還有比較漫長和艱難的工作。

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基金項目：

江西理工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃立項項目-DC2019-104;項目負(fù)責(zé)人：黃海松。