關(guān)于智能一體化無線充電恒溫桌墊的設(shè)計

姜毅航，朱佳明，方靜，楊靜怡，付家齊

（江南大學(xué)，江蘇無錫，214122）

0 緒論

無線充電技術(shù)是一種不依賴電力線，依靠空間磁場耦合將供電端的電能傳輸給電子設(shè)備電池從而對其進(jìn)行充電的技術(shù)，這一充電技術(shù)能夠不通過實物連接便能實現(xiàn)兩者之間電能的傳輸，打破空間與距離的隔閡，使充電更加靈活、方便、安全。這種傳輸方式與傳統(tǒng)利用電纜線輸送電能的方式相比更加 安全、便捷和可靠，被認(rèn)為是能源傳輸和接入的一種革命性進(jìn)步[1]。在我國現(xiàn)代化技術(shù)不斷更新發(fā)展的趨勢下，無線充電技術(shù)在多領(lǐng)域都已實現(xiàn)了突破性發(fā)展，包括但不限于家電、電動車、醫(yī)療、航空等方面，在未來這一技術(shù)將會有更廣闊的發(fā)展空間。通過無線充電技術(shù)與恒溫電路的結(jié)合，無線充電桌墊能夠?qū)崿F(xiàn)利用碎片化時間式的電子設(shè)備充電方式，并為伏案人群制造舒適便捷的學(xué)習(xí)、工作環(huán)境。雖然目前手機(jī)無線充電仍存在問題，但近年來其發(fā)展還是非常迅猛的，尤其是在充電功率方面，已經(jīng)由剛開始的5W增長到目前的近18W，不僅是手機(jī)，在可穿戴設(shè)備、鼠標(biāo)以及一些小型的用電設(shè)備上都使用了無線充電技術(shù)[2]。手機(jī)無線充電技術(shù)正改變著人們的生活。

基于此，本項目希望能在國內(nèi)普及無線充電技術(shù)，通過無線充電技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合，真正讓其融入進(jìn)人們的日常生活。這將不僅是經(jīng)濟(jì)市場上的一次發(fā)展，也是知識社會的一次發(fā)展。

無線充電技術(shù)從19世紀(jì)發(fā)展至今，已經(jīng)有了較多成就，迄今為止能實現(xiàn)能量無線傳輸?shù)姆绞街饕形⒉ā⒓す?、感?yīng)耦合、磁耦合諧振、電場耦合等方式，可實現(xiàn)小功率到大功率，遠(yuǎn)距離到近距離到不同應(yīng)用場合、不同功率需求的能量傳輸。

20世紀(jì)80年代，以電磁感應(yīng)耦合方式為主的非接觸能量傳輸技術(shù)開始受到學(xué)者們的關(guān)注，并被逐漸應(yīng)用到手機(jī)、電動汽車等產(chǎn)品中。2007年麻省理工大學(xué)的馬林·索爾賈?？撕退难芯繄F(tuán)隊利用磁場的諧振方式，成功開辟了無線電能傳輸技術(shù)的新方向，這不僅彌補(bǔ)了感應(yīng)式非接觸無線電能傳輸技術(shù)距離短的缺陷，將傳輸距離提高到米級范圍，同時還極大地也降低了能量傳輸對環(huán)境的影響[3]。

我國在無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域的研究工作起步較晚，從本世紀(jì)初開始，國內(nèi)才開始逐漸開始進(jìn)行相關(guān)的研究，并主要集中在感應(yīng)式非接觸無線電能傳輸技術(shù)和磁耦諧振式無線電能傳輸技術(shù)的研究上。中國科學(xué)院電工研究所是國內(nèi)較早開展非接觸無線電 能傳輸技術(shù)研究的單位之一，取得了一定的研究成果[4]。清華大學(xué)等一些理工科的科研單位和學(xué)校已經(jīng)將一些科研力量投入到了這個新型行業(yè)。除了高校和科研單位等，一些國內(nèi)相關(guān)的高科技企業(yè)也開始進(jìn)入這個行業(yè)，并已經(jīng)開始有產(chǎn)品樣機(jī)生產(chǎn)出來[5]。

1 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 材料尺寸數(shù)據(jù)

組成部分共分為兩部分：無線充電和加熱部分。

桌墊材質(zhì)共三層，底層采用pu材質(zhì)，起防滑作用。中層為電熱絲加熱層。上層為皮革層，防水耐臟。

考慮到日常使用場景，桌墊尺寸為80cm×36cm，可滿足一般使用場景下的需求。

1.2 產(chǎn)品平面示意圖

圖1 設(shè)計平面圖

2 無線充電恒溫桌墊設(shè)計

2.1 恒溫控制電路設(shè)計

電熱絲直接引入220V交流電，通過光敏二極管來控制開斷，觸發(fā)電流作為開關(guān)。

圖2 控溫電路圖

觸發(fā)電流采用數(shù)字電路控制，引入高電平電壓12V,低電平電壓0V。12V由220V交流電降壓整流。管腳VCC4，管腳RST8都輸入高電平，管腳1輸入低電平。管腳5接入8V電壓或者懸空，THR2管腳輸入高電平12V。TRI6管腳輸入電壓由電位器的滑動引腳引入，由熱敏電阻和電位器串聯(lián)而成。

燈LED1開關(guān)顯示電路是否接通。燈LED2接入后可以表示電熱絲是否在工作。燈LED3接入后與燈LED2的顯示情況相反。

熱敏電阻常溫下為15kΩ，電位器為10kΩ電位器，我們將電位器滑動管腳控制在4kΩ，此時管腳6輸入電壓2.4V,小于三分之一VCC=4V,輸出為高電平12V，形成觸發(fā)電流控制光敏二極管開通，開始加熱。燈LED1與 燈LED2亮，處于加熱狀態(tài)。

隨著電熱絲溫度升高，熱敏電阻電阻降低。當(dāng)熱敏電阻溫度降至8kΩ以下時，此時管腳6輸入電壓低于4V,輸出為低電平，光敏二極管停止導(dǎo)通。電熱絲停止加熱。燈LED1和燈LED3亮，處于停止加熱狀態(tài)。

電位器的滑動引腳的位置決定了管腳3的輸入電壓，間接影響到了電熱毯設(shè)定的恒定溫度。電位器的旋鈕為控制溫度設(shè)定器。

LED2和LED3為驗證實驗結(jié)果所用，實物連線時可省去。

2.2 無線充電電路設(shè)計

無線充電線圈中需要流過一定頻率的方波或者正弦波，產(chǎn)生電磁場來達(dá)到無線充電的目的。我們?nèi)粘Ｉ钪屑彝ル娐分惺褂玫臑?20V 50Hz電壓，所以我們需要通過電路來對其整流和調(diào)節(jié)頻率。

采用芯片電路控制，在電源輸入端并聯(lián)一個大電容，穩(wěn)定輸入電壓。555芯片的4管腳和8管腳輸入12V正弦電壓，我們可以通過調(diào)節(jié)6管腳連接的電位器和5管腳的電容，來控制3管腳輸出所需要的頻率和電壓大小。一般控制頻率為100kHz。

常用的非門芯片74HC04工作電壓小于15V，不符合預(yù)期要求，所以我們將芯片替代為CD4106，該芯片工作電壓大于15V，能夠在電路中正常工作，1管腳輸入經(jīng)555芯片調(diào)節(jié)過后的電壓，查閱管腳資料可知，2管腳輸出為與1管腳相反的電壓，起到非門作用，而3管腳輸入，經(jīng)過4.5管腳兩次非門變換，從6管腳輸出原電壓。

圖3 無線充電電路

此時，如果我們將得到的PWM波直接接入mos管，由于不存在死區(qū)電壓，可能導(dǎo)致上下兩個mos管同時接通，導(dǎo)致電路短路。使得電路燒壞，所以，我們需要IR2110來將電壓進(jìn)行進(jìn)一步的整流，設(shè)置死區(qū)電壓，來保證mos管能夠順利導(dǎo)通，IR2110驅(qū)動器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點。可以設(shè)置延遲電壓，能夠控制mos管依次導(dǎo)通。IR2110工作原理是，兩個輸出通道HO和LO通過邏輯電路與輸入信號HIN和UN相對應(yīng)。當(dāng)SD端為低電平時，則VS的輸出端也為低電平，此時兩個RS觸發(fā)器的置位信號無效，于是HIN及LIN變化引起兩或非門“1”的輸出變化，控制信號有效：當(dāng)SD端為高電平時，Vs和RS觸發(fā)器的工作狀態(tài)與之相反，則控制輸入信號無效，因而兩或非門輸出將保持低電平。只有當(dāng)VH和VL輸出脈沖的上升沿到來時，兩個或非門的輸出才又跟隨HIN及LN變化。在芯片內(nèi)部，采用兩個VDD/VCC電平轉(zhuǎn)換電路，以便將邏輯信號電平變換成輸出驅(qū)動電平。另外在兩個通道中，應(yīng)用了兩組推挽結(jié)構(gòu)的低內(nèi)阻場效應(yīng)管，當(dāng)VCC低于電路內(nèi)部整定值時，將會輸出欠電壓檢信號，井使得芯片的輸出被封鎖，而當(dāng)VB欠電壓時，只有上通道的輸出脈沖會被封鎖。

設(shè)置4個mos管來構(gòu)建全橋電路，將IR2110輸出的電壓接入mos管，一個芯片控制兩個mos管，例如，IR2110（1）控制1.4mos管，IR2110（2）控制2.3mos管，由于兩個芯片輸出正負(fù)相反，大小相同，頻率相同的電壓。從而讓1.4mos管與2.3mos管依次導(dǎo)通，這時控制電壓頻率可以讓串聯(lián)的電容電感產(chǎn)生諧振，從而讓電感線圈達(dá)到作為無線充電電源的目的。

2.3 無線充電發(fā)射端的無線通信

圖4 發(fā)射端無線通信流程圖

無線充電線圈發(fā)射端控制，發(fā)射端在待機(jī)過程中會不斷檢測表面是否有物體，如果沒有檢測到物體將會重復(fù)執(zhí)行，如果檢測到的物體是合法物體，將會從接收端接受信息，如果接受信息是改變傳輸效率，那么無線充電發(fā)射端將會開始工作。

發(fā)射線圈中設(shè)置有電壓反饋系統(tǒng)，會實時對線圈電壓進(jìn)行反饋，防止輸入電壓過大，對逆變器造成損壞。

發(fā)射端會對實時與接受線圈保持通信，將接受到的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳給控制模塊。發(fā)射端控制端會實時收到接受端的控制信號，如果收到充電結(jié)束的信號，結(jié)束充電過程，否則根據(jù)收到的的控制誤差信號調(diào)整傳輸電流。發(fā)射端將會對接收端的信號形成反饋，實時根據(jù)接收端的信號進(jìn)行調(diào)整。

2.4 耦合機(jī)構(gòu)

耦合機(jī)構(gòu)：即發(fā)射線圈和接收線圈，是無線充電電路系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分，其設(shè)計的合理性直接關(guān)系到無線充電系統(tǒng)能量傳輸效率，傳輸能力和傳輸可靠性。一般來說，無線傳輸系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)盡可能滿足體積小但傳輸效率高的要求。在耦合機(jī)構(gòu)方面，我們采用已有的PCB耦合機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)能夠簡化制造的復(fù)雜度，減輕系統(tǒng)重量并且大大提高耦合機(jī)構(gòu)的可靠性。在耦合機(jī)構(gòu)的形狀設(shè)計方面，我們采用圓形設(shè)計，這種設(shè)計能最大可能提高線圈在一定空間內(nèi)的匝數(shù)，從而增加發(fā)射線圈的功率和效率且方便制作。我們制作的線圈半徑約在3.5cm左右，具體的半徑大小要隨實際需求而改變。我們采用的PCB耦合機(jī)構(gòu)，為使線圈具有一定的載流能力并減小趨膚效應(yīng)和線圈電阻，采用多層板設(shè)計。設(shè)置多層線圈，然后將線圈并聯(lián)，形成一個整體，這樣可以減小趨膚效應(yīng)并且使線圈具有一定的載流能力。

3 測試結(jié)果及分析

為了對控溫電路的系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，我們按電路原理圖搭建了仿真電路，并測試了熱敏電阻在不同溫度下時的阻值，最后通過LED2燈來判斷光敏二極管能否觸發(fā)導(dǎo)通。按照理論計算，電位器設(shè)定6kΩ時，熱敏電阻在低于8kΩ時，會停止加熱。溫度在25℃時，熱敏電阻為15kΩ，此時正在加熱，由表1可以看到溫度加熱到約45℃后，熱敏電阻阻值小于8kΩ，停止加熱。說明系統(tǒng)啟動后，熱敏電阻周圍溫度能夠保持在40～45℃之間。

表1 控溫電路實驗數(shù)據(jù)

表2 無線充電電路實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)

我們設(shè)計控制變量實驗，在設(shè)計電路的基礎(chǔ)上，改變發(fā)射端到接受端距離，得到表二數(shù)據(jù)。從表2中，我們可以得到，隨著接收端與發(fā)射端之間距離的不斷增加，系統(tǒng)的輸出電壓始終保持在5V～4.9V之間，說明系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性優(yōu)良，且接受端調(diào)壓器發(fā)揮作用符合預(yù)期要求，能夠穩(wěn)定輸入電壓。符合設(shè)計要求。且從表中可以得到無線充電傳輸距離越遠(yuǎn)，傳輸效率越低，效率與距離成反比，說明電路工作正常。

4 結(jié)語

無線充電技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展是充電技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，這一技術(shù)的進(jìn)步也將對人們的日常生活產(chǎn)生巨大的影響。無線充電技術(shù)仍具有十分廣闊的發(fā)展空間，其初期階段展現(xiàn)出來的多種優(yōu)勢也等待被充分利用。無線充電技術(shù)與控溫技術(shù)二者的結(jié)合，在某種程度上將擴(kuò)大無線充電技術(shù)的使用范圍，進(jìn)而為無線充電技術(shù)的發(fā)展提供新的思路。