无线充电系统的设计与实现*

王红亮，张天文，符多铎，张世界

（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室；电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

无线充电系统的设计与实现*

王红亮，张天文，符多铎，张世界

（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室；电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

针对传统充电系统的非便携性，利用无线感应原理设计了一种无线充电系统。该系统包括发射模块、接收模块和监测模块，监测模块以AT89C51单片机为核心，实现了对充电状态的监测和控制。通过实验验证，本系统最大充电电流达到了600 mA，最大功率达到了3 W，同时本系统还验证了不同充电距离下的充电电流和充电功率。

无线感应，无线充电，逆变，整流滤波

引言

随着科技的日新月异，越来越多的消费类电子产品进入人们的日常生活，例如手机、相机、MP3、PDA等［1-2］。其中充电技术方面，现在的电子产品全部是接触式充电（无论是充电模式还是换电模式），非接触式的无线充电技术尚处于起步阶段［3-5］。然而接触式充电方式有很多不利的地方，首先频繁的插拔很容易损坏接头，另外也可能带来触电的危险［6］。非接触式的无线充电方式很好地解决了这些问题［7-9］。

本文利用无线感应原理设计了一种无线充电系统，该系统很好地实现了充电设备的便携性和通用性。

1 系统功能及组成

本系统在无线传感原理的基础上设计与实现。系统主要包括发射模块、接收模块和监测模块，其中发射模块包含供电、驱动、逆变和发射线圈；接收模块包括接收线圈、整流和滤波；监测模块以AT89C51单片机为核心，以LCD12864为人机交互界面的基础，实现了电池充电状态的可视化、图形化。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

系统工作原理：电源部分由直流电源提供，经过高频逆变之后在发射线圈产生高频交流电。交变电流产生变化的磁场发射出去，接收线圈通过电磁感应耦合接收到发射线圈发射的能量，经过整流变换之后给电池充电。

2 硬件电路

2.1 高频逆变电路

高频逆变电路是本系统中发射电路的核心，为LC谐振发射电路提供谐振所需的交变电流。高频逆变的主要功能是将供电模块提供的12 V直流电，变成交流电。本设计采用MOS管组成的全桥逆变结构，电路如图2所示。

图2 全桥逆变电路

如图2所示，4个MOS开关管组成此全桥电路。当MOS管Q1和Q4导通时，Q2和Q3截至，电流由MOS管Q1经LC电路到MOS管Q4。当MOS管Q2和Q3导通时，MOS管Q1和Q4同时截至，电流经由MOS管Q3、LC到MOS管Q2。如此循环，将直流电逆变为交流电，供给LC电路发射。

在MOS管的选择上，经过比较和筛选以及考虑成本的因素，最终选定了IR公司设计生产的一款低阻抗，快速开关管IRF3205作为全桥的开关器件，其主要性能如下：

①导通电阻：8 mΩ；②工作温度范围：-55°C～175°C；③极快的开关速度，开延时14 nS，上升时间101 nS，关延时50 nS，下降时间65 nS。

2.2 驱动电路

当高频逆变电路中的高端桥臂导通时（Q1或Q3桥臂），由于负载的存在，源极的电位将被抬升与栅极相同，就会导致高端桥臂不能持续导通，所以需要加入驱动电路。本设计中采用IR公司生产的IR2110芯片来驱动开关管，同时IR2110芯片还同时具备隔离芯片的功能。

IR2110是一种双通道、栅极驱动、器件的单片式集成驱动模块，每个IR2110能同时驱动2个开关管，在芯片中采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的要求，同时提高了驱动电路的可靠性。驱动电路如图3所示。

如图3所示，选用2个IR2110即可驱动高频逆变电路中的4个开关管，其中IR2110的SD管脚是IR2110的使能管脚，可以方便控制发射电路的开关。

图3 驱动电路

2.3 方波发生电路

驱动电路中的IR2110芯片需要PWM波，为了整个充电模块的调试方便，需要设计一个占空比和频率可调的方波发生电路。

本设计的方波发生模块采用555芯片，可以通过调节滑动变阻器来控制方波的占空比和频率。NE555芯片构成的方波发生电路，如图4所示。

图4 NE555构成的方波发生电路图

RA为R2的左端导通电阻，RB为R2的右端导通时的阻值。

电路上电时，电源通过R1、RA支路给电容C1充电，此时3脚输出高电平，当C1的电位充至2/3 Vcc时，555内部比较器使RS触发器输出低电平，通过与非门打开放电回路，电容放电，此时输出低电平，当电容电位放到1/3Vcc时，比较器使RS触发器输出高电平，放电回路关闭，电容充电，输出高电平。

单个周期内，电路的充电时间tr=0.7（R1+RA）C1，放电时间tf=0.7（R3+RB）C1，输出的方波频率为：

占空比为：

由于驱动电路需要两路反相PWM波，为了防止电源中上下桥臂MOSFET出现“直通”现象，必须遵循先关断后开通的原则。所以，输入IR2110的高低压通道的两路PWM波应适当留“死区”，即555构成的方波发生器产生的波的占空比不等于50%，而两路反相PWM波则由555产生的波通过反相器产生。

2.4 接收端电路

本设计的接收端电路设计如图5所示。

图5 接收端电路图

由于接收端接收到的也是交流电，充电电池充电所需的是直流电，所以，接收端电路需要将交流电变换成直流电，完成这一任务主要靠整流电路，整流电路依靠的是二极管的单向导电性。本设计利用的是桥式整流电路，桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低。根据本设计的需要，整流二极管要求快恢复，较高的电流上限，综合考虑选择了1N5819。

2.5 监测控制电路

2.5.1 主控单元电路

系统中充电状态检测电路中的主控单元电路以美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS单片机AT89C51为核心。片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机能应用许多高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域。

2.5.2 AD电压采集转换电路

充电电压作为一个模拟量，需要数模转换芯片将其转换为数字量以供单片机进行读写计算来完成控制。本设计采用的模数转换芯片为ADC0804，它是CMOS 8位单通道逐次渐近型的模数转换器，电路图如图6所示。

图6 AD转换电路

如图所示，当CS、RD端为低电平时，ADC0804会将转换后的数字信号经由DB7～DB0输出至其他处理单元。当CS、WR端皆为低电平时，ADC作清除动作，系统重装，当WR由低电平变为高电平时，ADC0804会开始转换信号。CLKIN、CLKR为频率的输入输出端，一般要求频率范围100 KHz～1.28 MHz。一般通过外接RC电路产生模数转换器所需的时钟信号，时钟频率为f=1/1.1RC。

2.5.3 显示电路

可视化界面使充电系统使用更加方便，友好的界面能对充电进程进行实时的监测。本设计采用带中文字库的LCD12864作为显示单元，带中文字库的LCD12864是一种具有4位、8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其显示分辨率为128×64，内置8 192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集。

3 系统程序设计

本系统的软件程序设计主要在充电系统的监测控制这一部分中。在主程序中，系统上电自动复位以后，首先启动ADC0804转换程序，采集接收端的电压值，根据采集来的电压值来判断接收端是否处于空载或充电状态。在上电复位后显示单元初始化，将送入显示单元的状态显示出来。

由于ADC0804转换后的数据是二进制数据，采集出数据要通过LCD12864显示出来，AD转换程序的主要任务是将所采集的二进制数据要转化为十进制。

在转化进制之前，为了保证采集电压的准确性，采用N次（本文中N=10）采样取平均值的方法。将转化后的十进制数据送入显示单元进行显示。AD转换的流程图，如图7所示。

图7 AD转换流程图

显示程序需要完成电池电量的显示和充电的图形动态显示，锂电池电压和电量的关系如下页表1所示。通过Matlab软件拟合电量和电压（拟合曲线如图8所示），可以得出二者间的函数关系：f（x）=p1×x4+p2×x3+p3×x2+p4×x+p5，其中 p1=4 919、p2=-7.638e+04、p3=4.441e+05、p4= -1.146e+06、p5=1.107e+06。

由此可通过AD采集的电压值来判断电池的充电量，从而可在LCD12864上显示其相应的状态。

图8 电压和电量的拟合曲线

表1 锂电池电压和电量关系示意表

4 实验结果及分析

在系统实验测试时（如图9所示），用数字电源给发射端供12 V电压，750 mA电流。在保证接收端5 V电压的前提下，不断拉大发射线圈和接收线圈之间的距离，测试对应的接收端的电流，同时计算相应的功率，具体测试结果如表2所示。

图9 系统整体测试

图10 不同距离下的充电效率

由图10可以看出效率随之距离的增加而减小。经过分析得出，影响无线充电装置传输的因素有：距离、线圈直径、频率。其中传输效率会随着距离的增加而减小，距离与效率成倒数关系，而线圈直径越大传输的效率也就越高。

表2 不同距离下的电流和功率

5 结 论

本系统利用无线感应的原理设计出无线充电系统，能实现最大充电电流为600mA，最大功率3W的无线充电功能。本文提供了一种有别于有线充电方式的新型充电模式，对电子产品的充电技术乃至电子产品本身的发展起到了一定的促进作用。

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Design and Implementation of Wireless Charging System

WANG Hong-liang，ZHANG Tian-wen，FU Duo-duo，ZHANG Shi-jie
（North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement;Ministry of Education，National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the non-portable of traditional charging system，the paper design a wireless chargine system by using wireless induction principe.The system include transmitting module，receiving module and monitor module.The monitor module centered on AT89C51 MCU，realized the monitoring and control of the charging state.The experiment proved that the charging current can reach 600 mA. besides the maximum of the power is 3 W.Meanwhile，the system also test the charging current and power at different distance.

wireless induction，wireless charging，contravariant，rectifying and fitration

TN914

A

1002-0640（2014）11-0183-04

2013-07-05

2013-08-07

国家自然科学基金项目（61004127）

王红亮（1978- ），男，河南林州人，副教授，硕士。研究方向：动态测试技术、数字信号处理和目标识别。