一种便携式无线充电器的设计

蔡伊莎 黄海松 羊宇翔 周清琳 赵琨杨

【摘 要】本文介绍了一种便携式的无线充电器的设计。该充电器的电路实现部分分为四个模块单元，即电源模块单元、LCD显示模块单元、发送模块单元以及接收模块单元，同时利用STC89C52微控制器对所设计的电路进行控制。其中，发送模块与接收模块单元之间利用线圈的电磁互感耦合作用传送电能，供电部分以及用电部分用没有任何束缚性的有线连接，能保证充电及控制电路单元的全部供电，同时设备的充电电流达到实用要求。

【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.

【关键词】微控制器;电磁感应;无线传能;充电器;互感耦合

1 引言

随着科技的不断发展，智能手机日益普遍化，其在我们的日常生活中也扮演着至关重要的角色，人们对手机的续航能力以及充电效率也有了更高的要求。基于此，充电宝应运而生，且得到了极大普及与应用，还呈现出规模化的发展趋势，进而逐渐形成了健全的产业结构。然而随着频繁的插拔对手机进行充电，除了会带来一定的安全隐患，还会降低充电器及手机电池的使用寿命。为解决这一困扰，手机无线充电技术迎来了庞大的发展市场以及广袤的研究空间。但从技术以及专利角度来讲，我国对无线充电技术的研究起步较晚，尚未研发出比较成熟的，极具特色的产品，大部分都停留在实验和理论阶段。

不容忽视的是手机无线充电设备的制造与维修成本都远高于普通充电设备，目前普及范围不高，仅被运用于少数领域，而且由于是非接觸式充电，它在电能传输损耗上也远高于普通充电器，整体而言充电效率要低一些，所以过高的能量损耗成为了无线充电技术普及化急需攻克的一道难题。若这一问题得以解决，无线充电产品将迎来巨大的销售市场。基于此，本文以电磁耦合感应原理为基础，完成了一款无线充电器的设计。

2 工作原理

无线充电系统即利用电磁感应原理以及相应的交流感应技术，如下图1所示，系统工作时输入端用24V直流电直接为系统供电。经过电源管理模块后输出的直流电通过有源晶振逆变转换成高频交流电供给初级绕组。再通过在发送和接收端用2个无线连接的原、副线圈进行互感耦合产生感应的交流信号，次级线圈输出的电流经接受转换电路变化成直流电为电池充电，进行电能传送。

本无线充电系统主要分为四个功能模块，即电源模块、显示模块、发送模块和接收模块。无线充电器的发送端由稳压电路、控制电路和发送电路以及一个电磁感应的发射线圈组成，接收端由一个电磁感应的接收线圈、能量转换电路、整流稳压电路以及充电电池组成。

2.1电源电路功能模块

如图2所示电源电路模块，发送模块单元有两种供电电源（220V交流和24V直流），由原理图可以看到，该模块是由24V的电源进行供电，在该模块中运用到了稳压电路。稳压电路由稳压管、电感、电容以及LM2596组成，其中LM2596是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。

2.2发送电路功能模块

图3发为送电路模块，由STC89C52芯片、74HC00与非门和比较电路组成。其中STC89C52芯片主要用于对电路的控制，74HC00与非门的作用有两点，第一是驱动功率管IRF530，因为单片机IO驱动力不足以直接驱动IRF530，所以加74HC00作为驱动，从而起到放大的作用。第二是IO关断时，IRF530输出截止，因为单片机IO关断时，该特殊引脚输出高电平，经过74HC00后，变为低电平，IRF530则截止，保证电路不发生短路。而比较电路由运放LM358组成，通过采样电阻把电流转换为电压，与基准电压比较，即可得出当前有无负载的情况。

2.3 LCD显示电路功能模块

图4为LCD显示电路，该LCD可显示无线充电前的各种信息数据，例如手机电量等信息，在LCD显示电路中会安装风扇如图5所示，其作用是为功率管IRF530提供散热冷风。

2.4接收电路功能模块

图6为接收电路单元模块，从左向右，由四个二极管组成整流电路，把高频的交流电整流变为直流电，经过电容滤波稳压，成为较为平稳的直流电，接着再由LM2596电压调节器进行电压的调节、稳压二极管和电感组成的稳压电路将经过整流桥整流后的直流电，稳压成稳定的5V直流电经过USB输出。

3 主要元器件选择

电压调节器LM2596，可输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性;

STC89C52芯片，主要用于对电路的控制;74HC00与非门，用于驱动功率管IRF530工作和当单片机IO关断时，使IRF530截止，以保证电路不会发生短路;运放LM358，构成比较电路;LCD1602，用于构成显示电路;功率管IRF530;散热风扇。

4系统软件实现

系统软件设计主要包括LCD1602初始化，定时器的初始化，显示提示字符，判断是否打开发射装置、有无负载，当档位大于三、挡位等于零、有加档时，再次判断是否打开发射装置;根据是否打开发射装置，有无负载及档位的大小设定不同的脉冲宽度。软件流程框图如图7所示。

在按下开关后，无线充电装置可自动检测负载是否存在，如果在5秒内无检测到负载，则自动关闭发射开关，如果负载存在则保存开关继续充电，如果负载移开，且在1秒内负载不存在，则发射装置自动关闭。整个系统软件在Keil MDK集成环境下采用C语言编写而成。

5 结束语

便携式无线传能充电器的主要设计目的是使得人们的生活更加便捷，即摆脱了原始的各种数据线的束缚。在信息的无线传送盛行了百年之后，更加便捷的电能无线传送将会开始流行。本文的设计思路将在电能无线传送方面提供一定的引导和启发作用。

作为可行性探索实验，本文的设计思路适用于MP3、MP4和蓝牙耳机等袖珍式数码产品。然而将本文的设计思路推广到大容量电池，也不会存在原则性的障碍。当然，从实验室的探索设计到市场中的产品，可能还有比较漫长和艰难的工作。

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基金项目：

江西理工大学创新创业训练计划立项项目-DC2019-104;项目负责人：黄海松。