简易无线充电器的设计

张洪镇，赵亚凤，郭婷婷

（东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

众所周知，现在所有的电子产品都要不定期地连接电网进行充电,同时也疲于和各种插口及连接数据线打交道。如果彻底去掉这些尾巴,移动终端设备就可以获得真正的自由。因此就出现了无线充电技术。

无线充电技术的概念是在克罗地亚科学家尼古拉·特斯拉提出的线电传输的思想中提出的。2010年9月1日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟在北京宣布将Qi 无线充电国际标准率先引入中国。无线充电是一种不需要通过导体连接，或者插接其他辅助充电设施的新型充电技术。

现在市场中也存在着类似的充电设备：如劲量、LG电子、诺基亚等品牌的部分产品，其原理是1831年，英国物理学家迈克尔·法拉第发现的电磁感应原理。人们通过两线圈相互感应并进行电能转换的形式实现所谓的无线充电。但是这种充电技术实现充电的前提是两线圈必须相靠极近，且传输效率也不是太理想。此外，这种无线充电器的使用有着十分大的局限性就注定这款设备的使用范围非常有限，使得它不能大范围推广并被大众接受。

由此，现在的无线电力装置技术中，能传达的距离短，但其不能离发射器太远，根本发挥不到无线的作用，而且其输出的能量小，只适用于电量需求小的电器，还有待于进一步提高。因为一直无法突破效率和距离这个瓶颈,使它一直不进入实用领域。

1 无线充电的基本原理

在现今的科技领域，要实现无线充电的目的，有两种原理可以利用，一种是电磁共振原理，使初级绕组和次级绕组达到同样的频率进行能量传输；另一种是电磁耦合原理，通过初次级绕组的磁感应现象达到能量传输的目的。

但是前者实现较难，且不适合大范围使用，所以我们采用第二种实现路径。Qi 国际无线充电标准就是用的这一技术，基本原理是在发送和接收端都设一个线圈，发送端线圈连接有线电源，并产生电磁信号，接收端线圈感受到这个电磁信号，从而传输给设备电池充电。

本装置外加太阳能供电模块，使其打破了充电器电源单一性现状。太阳能发电的原理主要是太阳能电池板接收太阳光，并产生光电效应，从而产生电能。使无线充电与太阳能合理使用理想的结合到一起，大大提高了本装置的可用性。

2 无线充电的结构参数

本装置采用电磁耦合原理，将电能通过无线电磁能的形式传输给待充电设备。其结构主要由电源管理模块、发射电路模块、接收转换模块、充电模块和太阳能供电模块组成，功能模块结构如图1所示。

图1 功能模块结构

电磁能通过功能电路处理经过电磁发射平台，实现无触点一对多充电。较市场上针对性无线充电，本装置采用有磁芯线圈充电效率更高。而且本装置将电路优化做的十分彻底，采用A3941299、TD1410、肖特基二极管等优质元件使充电范围更大，更具有通用性，性能更好。本装置更是将太阳能考虑为第二电能供应模块，既符合了现社会节能的主流思想又为作品增加了使用环境，这都是现在市场上的产品不曾具有的。

在电路结构方面，交流电经桥式整流（由4只1N4148高频开关二极管构成）和滤波电路滤波，得到约20V的直流。作为充电控制部分的电源。此外经78L12 降压后为集成电路供电，为了保证管理电源模块可以正常工作，电路的匹配电容的大小应小于2200μF。部分电路如图2所示。

图2 部分电路结构

电能的无线传输实际上是通过发射线圈和接收线圈的耦合作用实现的，这里发射线圈和接收线圈共同构成一个有磁芯的变压器的原副线圈。为了保证足够的功率和尽可能高的效率，应选择较高的调制频率，同时要考虑器件的高频特性，经实验选择2.0MHz 晶振为最佳。

3 无线充电效果说明

（1）在接收单元空载（不接被充电池）情况下,保持发射线圈和接收线圈同轴,改变发射线圈和接收线圈间距,测量接收单元两端电压DCV，数据见表1。

表1 D C V 输出与线圈间距说明表

由本装置的实验数据可以看出，空载无线充电效率较市场现有的无线充电产品DCV 输出更高，可用距离更理想。

（2）有载情况下的实验。仍保持发射线圈和接收线圈同轴相距5mm,充电器分别工作于快充和停充,进行测量，数据见表2。

表2 充电状态电流数据表

负载功率=负载电流×接收端电压；功率=发射端电流×电源电压5V；效率=负载功率/发射消耗功率。通过上述数据说明，本装置的技术参数更加符合现代人们生活的需求，真正可以为人们的社会做出实质性服务。

4 结束语

在现今科技飞速发展的时代，各种新兴产品接踪而来，使我们的生活更加的方便快捷。正如本作品的出现为手机用户带来无尽方便和乐趣。作品克服了传统有线连接的缺点，更是采用磁耦合技术作为连接充电基站和设备的纽带，实现了一对多充电的目的，消除了各种安全隐患，扫除了人们生活中的顾虑。相信本作品在不久的将来必会出现在人们的生活中，为我们幸福和谐的社会生活锦上添花。

[1] 姜立中.无线充电实验/无线供电的显示离我们有多远[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[2] 无线充电技术的三大标准：PLA、Qi 和A4WP.iPhone中文网，2012，11.