一种手机无线充电装置的研制

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摘要：通过高频电源和线圈耦合的能量传递，实现手机无线充电。实验证明该方案可行，且具有较高的应用价值。

关键词：无线充电 H桥 高频电源

中图分类号：TN929.53 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）04-0138-01

1 引言

为了减少便携设备（如手机，数码相机）有线充电带来的如数据线接口型号不同、电池容量偏小等不便，将便携设备放置在冲电座板上实现无线充电，方便快捷。

目前无线能量传输技术中，根据其传输原理分为三类：第一类是采用松耦合变压器或者可分离变压器方式。该方法可以实现较大功率的电能无线传输，传输距离被限制在毫米级。第二类是电磁波无线能量传输技术如微波技术，直接利用了电磁波能量通过天线发送和接收的原理。能实现极高功率的无线传输，但在能量传输过程中，发射器必须对准接收器，不能绕过或穿过障碍物，且微波在空气中的损耗大，效率低，对人体和其他生物都有严重伤害。第三类是磁耦合谐振式无线能量传输技术。通过磁场的近场耦合，使接收线圈和发射线圈产生共振，来实现能量的无线传输。该技术可以在有障碍物的情况下传输，传输距离可以达到米级范围。

2 系统设计

2.1 系统原理

本设计采用的是第一类原理。原理图如图1所示。单片机MCU用于系统的管理，控制方波的产生、停止、定时以及检测手机的有无，充电电流控制，充电过程显示等人机交互内容。

2.2 充电电路实现

采用三个反相器并联驱动H桥，在H桥的输出端输出峰峰值为21.2v的方波。用H桥驱动耦合变压器的原边，即发射线圈，将电能转换成交变的电磁波场。这些构成充电底座的电路。耦合接收线圈集成在手机里面，将手机放到底座上，两个线圈通过磁耦合传递能量。接收线圈输出的交流信号通过整流桥整流，电容滤波，最后变成稳定的直流电压，即可以对手机进行充电。

2.3 有无手机检测

选择采用红外线检测元件感应有无手机。充电设备放在充电底座上时，红外线反射回来，使红外接收头导通，再用电压比较器LM339将模拟电压转换成“0”和“1”高低电平，通过手机反射回来的红外线从而感应手机的有无。单片机根据这个检测信号控制充电回路的接通，避免在没有手机存在的情况下输出电流，可实现节能管理。

2.4 耦合变压器设计

实现无线充电关键在耦合变压器设计。变压器的原边和副边分辨是无线能量传输的发射和接收线圈。充电频率为12kHz，发射和接收线圈采用34圈，采用较细的铜丝，接收线圈容易集成到手机上也不会影响到手机等充电设备的的外观。

2.5 充电管理及界面设计

在人机界面上，选择1602液晶显示器作为系统的显示窗口。按下电源开关，在1602液晶显示器出现开机界面。将接收线圈放到指定的位置，发射线圈就会发射电磁波，自动开始按设定时间对电池充电，同时有充电倒计时显示，当时间减到零时停止。充电时间可以通过键盘进行常规的时分秒设定。充电时，显示“Charging！”和剩余的充电时间；没有检测到手机时显示“NoCellphone！”。当时间倒计时归零时显示“TimeOut！”，表示充电结束。同时，无线充电系统设定充电时间，可以避免电池充电时间过长而损坏电池。

3 系统测试试验

用9欧姆的电阻当负载，用万用表的直流档测电阻上的电流及电压。在耦合变压器的原边串联一个一欧姆的电阻，用示波器测此电阻上的电压波形和耦合变压器原边的波形，用手工积分的方法，粗略的估算输入功率的大小。数据记录如表1所示：

由以上数据可以看出，随着f的增大，I，Wout先增大，后减小，Win不断减小，η不断增大。由此可知，当频率越高时，耦合变压器效率越高。其最好效果在20KHz左右。

4 结语

该设计突破以往我们日常生活中的便携电器带线充电的的传统模式，使“隔空充电”的想象成为了现实。

（1）用反相器进行方波的放大，将反相器Vcc接8.3V，峰峰值5V的方波就可以就可以放大成峰峰值8.3V的方波，再一次放大，就可以放大成峰峰值12V的方波。驱动电流放大也通过简单的反相器并联实现。（2）H桥的供电电压是10.6V，但H桥桥臂是用峰峰值12V的方波驱动的，三极管b极电压比H桥供电电源电压还高1.4V，可以实现超饱和导通，四个三极管导通时Uce基本上都等于零，三极管基本不会发热，既减低能耗，还能保护三极管，避免过热被损坏。

参考文献

[1]清华大学电子学教研组编.杨素行主编.模拟电子技术基础简明教程[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]清华大学电子学教研组编.阎石主编.数字数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]杨欣，王玉凤，刘湘黔主编.51单片机应用从零开始[M].北京：清华大学出版社，2008.