多种无线充电模块电子电路设计组合

        TOP1 采用MSP430F2274超低功耗单片机作为无线传能充电器

　　采用MSP430F2274超低功耗单片机作为无线传能充电器的监测控制核心，通过开关选择充电的速度，实现快速充电和常态充电功能，电能充满后给出充满提示且自动停止充电。无线充电系统主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用24V直流电端直接为系统供电。当接收线圈与发射线圈靠近时，在接收线圈中产生感生电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达最大值，具有最好的能量传输效果。通过2个电感线圈耦合能量，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。交直流输入采用单刀双闸继电器，交流上电常开闭合，常闭打开实现交流优先，交流断电继电器断电， 常闭闭合，实现自动切换。在切换时，时间很短，C1可提供一定时间的电量，可以实现不断电切换，不影响充电。

　　

　　发射电路：由振荡信号发生器和谐振功率放大器两部分组成。采用NE555构成振荡频率约为510KHZ信号发生器，为功放电路提供激励信号；谐振功率放大器由LC并联谐振回路和开关管IRF840构成。振荡线圈按要求用直径为0．80mm的漆包线密绕20圈，直径约为6．5cm，实测电感值约为 142uH，当谐振在510KHZ时，与其并联的电容C5、C6约为680p，可用470pF的固定，电容并联一个200PF的可调电容，可方便调节谐振频率。 大功率管TRF840最大电流为8A、完全开启时内阻为0．85欧，管子发热量大，所以需要加装散热片。当功率放大器的选频回路的谐振频率与激励信号频率相同时，功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值，从而产生最大的交变电磁场。当接收线圈与发射线圈靠近时，在接收线圈中产生感生电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达最大值。实际上，发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，具有最好的能量传输效果。

　　振荡信号发生器：

　　

　　谐振功率放大器：

　　

　　接收电路：电能经过线圈接收后，高频交流电压经快速二极1N4148进行全波整流，3300F的电容滤波， 再用5．1V稳压二极管稳压，输出直流电为充电器提供较为稳定的工作电压。因为Uc（t）= 1 C ∫i（t）dt， 为了准确控制充电时间，我们在设计中采用恒流充电的方法，可以保证充电电流大致为一常数I，上述电容电压与时间的关系可表示为：Uc（t）= I C t。根据题设要求，充电时间应满足快充小于30S， 慢充控制在120±20S，计算出快充、慢充所需电流大小快I1、慢I2分别为：I1=22000μF×3V/30S≈2．2mAI2=22000μF×3V/120S≈0．55mA ，二极管D1、D2的导通电压基本不变，故可作为电压基准，约为1．4V。各电压关系为：UR+UEB=UD1+UD2≈1．4V

　　

  　
　  TOP2　基于NE555D芯片无线充电模块电路

　　系统模块

　　无线充电器利用电磁感应原理。通过NE555D芯片产生一个36.7K的脉冲频率（因为经过调试在36.7K频率时，效率达到最高），IRFP460功率放大，使发射线圈产生磁场，当接收线圈靠近时，产生感应电流，经过全波整流和稳压，得到负载 （手机）所需要的充电电压和电流。发射线圈的电流会随着感应负载的增加而增大，通过运放把0.33欧的负载电压23倍放大，再经过1N4148整流滤波得到电压U1与基准源Uo比较。充电时，U1大于Uo七彩灯闪亮，表示正在充电；空负载或充满电时，U1小于Uo，绿灯亮，若10秒钟后没有感应负载，自动断电；按一下复位键则充电器重新启动。

　　

　　具体电路分析如下：

　　1 NE555D脉冲发生器模块 根据T=（R1+Rp）C1，f=1/T，调节RP使NE555D输出一个36.7KHZ的脉冲频率。

　　2 功率放大及无线发射模块

　　主要把NE555D产生的一个36.7KHZ的脉冲功率放大，经发射线圈发射出去。当脉冲为高电平时，Q12栅极为高电平，Q12导通，此时Q8饱和，Uceq电压只有0.67V，经D10-4148后Q1栅极电压为0，Q1截止。当脉冲为低电平时，Q8、Q12同时截止，电流直接由R16 D10 Q1，Q1导通。整个过程中Q1与Q12均以一开一关的形式工作。

　    3 感应线圈模块 当感应线圈靠近发射线圈时，就会产生感应电流，经过全波整流后，根据不同的电子产品的充电电压，可选择不同的稳压二极管稳压，再经三极管Q100放大电流后供给不同电子产品充电。

        4 充电检测模块 当有感应负载时，R20（0.33欧）电阻上的电压会增大，经运放U2A放大A=1+R5/R6=23倍后，电压变化明显，再经过1N4148整流滤波，得电压U1与基准源U。比较，此时U1＞U。，运放输出Ui为高电平，七彩灯闪烁；当感应负载充满电（或没有感应到负载），此时U1＜U。，运放输出Ui 为低电平，绿灯亮。

　　TOP3　无线充电振荡电路选择

　　1 电路的设计

　　对于无线充电电路来说，有三部分最主要的电路：振荡电路、放大电路和无线接收电路。这里主要讨论利用多谐振荡器组成的无线充电电路。

　　2 振荡电路

　　多谐振荡器产生振荡是最简单的振荡电路，构成振荡电路有多种方法，常见的有用COMS门电路构成的多谐振荡器，电路简单省电，但在经过实验发现振荡幅度不够，高频段更是如此。

　　

　　用晶体管作多谐振荡器有两种电路：

　　第一种是集电极—基极耦合多谐振荡器，这种多谐振荡器在低频段效果还可以，但在高频段就无法应用。因为集电极—基极耦合多谐振荡器的输出上升沿差，为使输出幅度稳定，两只晶体三极管工作在饱和状态，因而使电路的最高工作频率受到限制。

　　

　　第二种是发射极耦合多谐振荡器，它可以克服第一种振荡器的缺点，两只晶体三极管工作在非饱和状态，提高了三极管的开关速度，从而可以得到更高的振荡频率。耦合电容接在发射极上，能改善输出波形。最后我们选用的晶体管多谐振荡器就是发射极耦合多谐振荡器，亦称射极耦合多谐振荡器。

　　

　
　  TOP4　太阳能无线充电电路设计

　　太阳能发电的原理主要是由太阳能电池板接收太阳光，在太阳能电池板的基板上发生光电效应，从而将光能转换成电能，然后将电能通过蓄电池储存起来。

　　太阳能无线充电电路可以设计成如图4电路。 在图4中我们选用的晶体管发射极耦合多谐振荡器和模拟达林顿管组成无线充电电路，发射极耦合多谐振荡器用两个小功率三极管组成，按图4中的元器件数据，振荡频率约为350kHz。元器件中仅最后一级三极管VT4的耗散功率大些，其他的都是比较简单并且容易得到的元器件。

　　

　　12V的电源由太阳能充电电路提供，电源信号通过射极耦合多谐振荡电路变成高频信号再通过C3和R7组成的耦合电路之后被模拟达林顿管功放电路放大，L1和L2分别是初级和次级耦合线圈，放大后的信号通过L1和L2的耦合被无线传送到次级接收电路，高频交流信号被整流滤波后变成直流电能给3.7V 的锂电池进行充电。

　　TOP5　无线电能发送单元的供电电源电路设计图

　　电能发送部分，如图2，无线电能发送单元的供电电源有两种：220V交流和24V直流（如汽车电源），由继电器J选择。按照交流优先的原则，图中继电器J的常闭触点与直流（电池BT1）连接。正常情况下S3处于接通状态。

　　

　　当电池充满（略大于4.15V）时，IC3的反相输入端2略高于4.15V。运放便输出低电位，此时Q4截止，恒流管Q5因完全得不到偏流而截止，因而停止充电。同时运放输出的低电位经R8使Q3导通，点亮LED3作为充满状态指示。

　　两种充电模式由R6、R7决定。这个非序列值可以在E24序列电阻的标称值为918的电阻中找到，就用918的也行。 如果作为产品设计，这部分电路应当尽可能微型化（电流表电压表只是在实验品中调试时用，产品中不需要），最好成为电池的附属电路。

　　主要元器件选择

　　电源变压器T1：5VA18V，这里利用现有的双18V的，经整流滤波后得到约24V的直流

　　继电器J：DC24V，经测量其可靠吸合电流为13mA

　　保险管FUSE：快速反应的1A

　　可调电阻RP1和RP2：用精密可调的

　　谐振电容C8：瓷介电容耐压不小于63V

　　整流桥D5-D8：用高频开关管1N4148

　　精密电压源：TL431

　　运放IC3：OPA335，TI公司的轨对轨精密单运放

　　晶体管Q3、Q4和Q5：要求漏电流小于0.1uA，放大倍数大于200，图中已标型号

　　发光管LED2：普亮（红），正向VA特性尽可能陡直（动态电阻小，稳压特性好）

　　发送线圈L1：用U1mm的漆包线在U66mm的圆柱体（易拉罐正好）上密绕20匝，用502

　　TOP6　无线电能接收单元的供电电源电路设计图

　　电能经过线圈降压接收后，高频交流电压经过IN4007整流管进行全波整流，2200uf的电容滤波，再用3.3V稳压二极管惊醒稳压，输出直流电为电池提供较稳定的工作电压，为电池充电。

　　

　　
       TOP7　无线电能整体电路设计图

　　无线充电器基本功能是通过线圈将H 电能H 以H 无线H 方式传输给电池。只需把电池和接收设备放在充电平台上即可对其进行充电。实验证明．虽然该系统还不能充电于无形之中．但已能做到将多个校电器放置于同一充电平台上同时充电。免去接线的烦恼。

　　1 无线充电器原理与结构

　　

　　无线充电系统主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图1所示，系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用 24V直流电端直接为系统供电。经过H 电源管理H 模块后输出的直流电通过2M有源晶振逆变转换成高频交流电 供给初级绕组。通过2个H 电感H 线圈耦合能量，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。

　　2 电源管理模块

　　

　　3 发射电路模块

　　

　　如图3，主振电路采用2 MHz有源晶振作为振荡器。有源晶振输出的方波，经过二阶低通滤波器滤除高次谐波，得到稳定的正弦波输出，经三极管13003及其外围电路组成的丙类放大电路后输出至线圈与电容组成的并联谐振回路辐射出去．为接收部分提供能量。

　　4 接收电路模块与充电电路

　　

　　测得与电容组成的并联谐振回路的空芯耦合线圈的线径为O．5 mm，直径为7 cm，电感为47 uH，载波频率为2 MHz。根据并联谐振公式得匹配电容C约为140 pF。因而．发射部分采用2MHz有源晶振产生与谐振频率接近的能源载波频率。