無線充電器的設(shè)計及制作

　　摘要

　　基于現(xiàn)在中國市場上還沒有真正的無線充電的產(chǎn)品，我們利用電磁感應的基本原理結(jié)合模擬數(shù)字基礎(chǔ)理論設(shè)計制作了智能無線充電系統(tǒng)。此作品內(nèi)部應用電流控制型脈寬調(diào)制集成電路來驅(qū)動場效應管從而產(chǎn)生高頻振蕩脈沖，通過電磁感應向外界傳送能量，通過接收電路把磁場能轉(zhuǎn)化成電能從而實現(xiàn)對用電設(shè)備的充電（此作品以手機電池充電為例）。其系統(tǒng)經(jīng)濟實用，市場前景極其廣闊。

　　無線充電設(shè)備的設(shè)計與制作

　　--無線充電的發(fā)射部分

　　電子信息工程 09城建電子（2）班 馬吉智

　　指導老師 花海安

　　1 緒論

　　無線供電是一個很吸引人的制作課題，許多電子類雜志和論壇上都有關(guān)于制作無線供電電路的介紹，這些電路雖各有千秋，但都有一個共同的不足之處，一是傳輸效率不太理想，二是不論有無接收器在工作，發(fā)射部分都一如既往地向外源源不斷地發(fā)射能量，這是不能令人滿意的。

　　無線充電技術(shù)利用了電磁波感應原理，及相關(guān)的交流感應技術(shù)，在發(fā)送和接收端用相應的線圈來發(fā)送和接收產(chǎn)生感應的交流信號來進行充電的一項技術(shù)，用戶只需要將充電設(shè)備放在一個“平板”上即可進行充電，這樣的充電方式過去曾經(jīng)出現(xiàn)在手表和剃須刀上，但是當時無法針對大容量鋰離子電池進行有效充電。

　　無線充電技術(shù)此前已經(jīng)出現(xiàn)，但這項新發(fā)明更為方便實用。手機等設(shè)備只要貼上接收線圈，放置在“鼠標墊”上的任一位置都可充電，不像以前的一些技術(shù)那樣需要精確定位。幾個設(shè)備同時放在墊子上，可以同時進行充電。充電器產(chǎn)生的磁場很弱，能夠給設(shè)備充電但不會影響附近的信用卡、錄像帶等利用磁性記錄數(shù)據(jù)的物品。

　　1.1研究的目的和意義

　　在我們的日常生活中，經(jīng)常會遇到手機、電腦等電量不足，急需沖電的情況，但是我們不可能隨時攜帶充電器，導致手機充電很麻煩?，F(xiàn)在有了無線充電技術(shù)就可以在很大的程度上減少這樣的麻煩。

　　無線供電的設(shè)想最早由交流電之父特斯拉在一百多年前就已經(jīng)由此構(gòu)想了。他設(shè)計在地球和電離層之間建立起8Hz左右的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的電磁波來傳輸電力，就像無線電通信一樣，但后來特斯拉在1908年停止了這項宏大的實驗，他所建造的鐵塔也因經(jīng)濟困難而被拆除抵債。

　　最初由英國一家公司發(fā)明了一種新型無線充電器，它看上去就像一塊塑料鼠標墊，這個“鼠標墊”里裝有密集的小型線圈陣列，可產(chǎn)生磁場，將能量傳輸給裝有專用接收線圈的電子設(shè)備，進行充電。接收線圈由磁性合金繞以電線制成，大小和形狀都與口香糖相似，可以很方便地貼在電子設(shè)備上。將手機等放在墊上就能充電，并能同時給多個設(shè)備充電。

　　人類對無線供電技術(shù)的研究一直在繼續(xù)，尤其在航天領(lǐng)域里，人們想建立衛(wèi)星太陽能電站，那么就必須實現(xiàn)高效率的無線供電。進入21世紀以來，無線供電技術(shù)開始在民用領(lǐng)域頻繁露面，各公司紛紛推出自己的產(chǎn)品。

　　無線充電可以解決很多問題。

　　第一，它可以改變電子產(chǎn)品充電接口不兼容的情況。

　　第二，有很多傳感器需要無線充電，還有一些遠程的監(jiān)控的傳感器，一樣地需要無線充電技術(shù)。

　　第三，就是植入性醫(yī)療器件的充電。

　　第四，無線充電技術(shù)還可以運用到市政交通方面。

　　第五，無線充電技術(shù)還可以提高設(shè)備的安全性，比如一些在潮濕環(huán)境中工作的設(shè)備，外露的充電接口是安全隱患。

　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

　　無線充電技術(shù)引源于無線電力輸送技術(shù)，利用磁共振在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振，實現(xiàn)電能高效傳輸?shù)募夹g(shù)。

　　麻省理工學院的研究團隊在2007年6月7日美國《科學》雜志的網(wǎng)站上發(fā)表了他們的研究成果。研究小組把共振運用到電磁波的傳輸上而成功“抓住”了電磁波。他們利用銅制線圈作為電磁共振器，一團線圈附在傳送電力方，另一團在接受電力方。當傳送方送出某特定頻率的電磁波后，經(jīng)過電磁場擴散到接受方，電力就實現(xiàn)了無線傳導。這項被他們稱為“無線電力”的技術(shù)經(jīng)過多次試驗，已經(jīng)能成功為一個兩米外的60瓦燈泡供電。目前這項技術(shù)的最遠輸電距離還只能達到2.7米，但研究者相信，電源已經(jīng)可以在這范圍內(nèi)為電池充電。而且只需要安裝一個電源，就可以為整個屋里的電器供電。富士通表示這一系統(tǒng)可以在未來得到廣泛應用，例如針對電動汽車的充電區(qū)以及針對電腦芯片的電量傳輸。采用這項技術(shù)研制的充電系統(tǒng)所需要的充電時間只有當前的一百五十分之一。

　　隨著科技的發(fā)展與社會的進步，人們的需求正日益發(fā)生著深遠的變化，對科技含量的要求越來越高，關(guān)于無線充電的技術(shù)已經(jīng)有過多年的討論和研究，目前一些知名公司已經(jīng)推出一些無線充電設(shè)備，但有一些地方還不很完善，還需進一步改進。

　　無線充電技術(shù)在小功率的范圍內(nèi)還是可以顯示出它的優(yōu)越性的。比如小型直流用電設(shè)備中的通訊儀器儀表、民用無線通訊手機、微型計算機、小型便攜式家用電器等。但實施大功率的無線傳輸來說，就比較困難了。

　　目前國內(nèi)主要的研究方向集中在系統(tǒng)諧振頻率及原副邊的補償電路拓撲等方面，基本上都還處在理論領(lǐng)域進行研究，在應用領(lǐng)域最近兩年才有所突破，但都還停留在實驗室階段。

　　無線充電技術(shù)目前可通過三種方式實現(xiàn)：電磁感應式（利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場實現(xiàn)近程無線供電）、電磁耦合共振方式（利用磁耦合共振效應近程無線供電）、微波/激光輻射方式（電力轉(zhuǎn)換成電波以輻射傳輸供電）。

　　1.2.1 電磁感應方式

　　電磁感應式是使用最廣的一種方式，其原理類似于分離的空心變壓器。飛利浦的電動牙刷就是此類應用。目前許多公司都在開發(fā)這方面的技術(shù)。但電磁感應技術(shù)的一個不足就是用以傳遞能量的變化磁場，會隨著兩個線圈的距離增加而迅速減小，所以傳輸距離非常有限。

　　目前常見的充電墊也是利用了電磁感應原理，將多個電子產(chǎn)品，如手機、相機、MP3等放到同一個充電墊上，能進行同時充電，而且無需精確定位，原因是充電墊內(nèi)裝有密集的小型線圈陣列，能在各個方向上建立磁場。接收線圈由磁性合金繞以電線制成，它附著于電子設(shè)備的充電電池上，充電時置于充電墊磁場中的接收線圈就會產(chǎn)生感應電流，能量就從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?。由于充電墊產(chǎn)生的磁場很弱，所以不會對附近的信用卡、錄像帶等利用磁性記錄數(shù)據(jù)的物品造成不受影響。該解決方案提供商包括英國Splash power、美國wild Charge等公司。這種接觸式無線電力傳輸方式的優(yōu)點是制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)可靠，但是傳輸功率較小、傳送距離短，一般只適用于為小型便攜式電子設(shè)備供電。

　　1.2.2電磁耦合共振方式

　　07年MIT的一個無線供電的研究成果使世界為之一嘆，其背后的原理就是電磁耦合共振。

　　在07年，MIT的助理教授馬林·索爾賈?？耍∕arin Soljacic）和他的研究小組在長達4年的實驗研究中終于獲得重大突破。他們在實驗中使用了兩個直徑為50cm的銅線圈，通過調(diào)整發(fā)射頻率使兩個線圈在10MHz產(chǎn)生共振，從而成功點亮了距離電力發(fā)射端2m以外的一盞60W燈泡，效率為45%。而且，即使在電源與燈泡中間擺上木頭、金屬或其它電器，都不會影響燈泡發(fā)光。

　　另外還有采用射頻點播發(fā)射能量的方法。

　　美國的Power cast，目前占有射頻波段無線能量傳輸?shù)念I(lǐng)先地位。與需要接觸的充電墊子不同，Powercast公司推出的無線供電組件，在915Mhz的波段下，可以在一米的范圍內(nèi)給小型電子設(shè)備充電，而接收器則利用共振線圈吸收射頻電波。

　　1.2.3微波/激光輻射方式

　　理論上，無線電波波長越短，其定向性越好，彌散越小，所以，可利用微波或激光形式來實現(xiàn)電能的遠程傳輸， 這對于新能源的開發(fā)和利用、解決未來能源短缺等問題也有著重要意義。因此，許多國家都沒有放棄這方面的研究。

　　1968年，美國工程師彼得格拉澤提出了空間太陽能發(fā)電（Space Solar Power，SSP）的概念，其構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽能發(fā)電基地，通過微波將電能送回地球。1979年，美國航空航天局NASA和美國能源部聯(lián)合提出太陽能計劃，建立“SPS太陽能衛(wèi)星基準系統(tǒng)” ， SPS（Solar Power satellite）是太陽能發(fā)電衛(wèi)星， 處在地球約36000km的靜止軌道上，那里太陽的能量約為地球上的1．4倍。

　　據(jù)預測，一個SPS所裝載的太陽電池的直流輸出功率為IOGW，電池輸出的電力通過振蕩器變換成微波電力， 從送電的天線向地球表面以微波（2．45GHz）形式無線送電。地球上的接收天線由半波長的偶極天線、整流二極管、低通濾波器及旁路電容組成，可接收到5GW的電力。

　　目前，SPS的建設(shè)方法、天線的放射特性、微波發(fā)送裝置的姿態(tài)控制、宇宙空間的微波傳播特性、為確保故障時安全的保安系統(tǒng)等都是亟待解決的技術(shù)問題。歐盟在非洲的留尼汪島建造了一座10萬千瓦的實驗型微波輸電裝置，已于2003年向當?shù)卮迩f送電。日本擬于2020年建造試驗型太空太陽能發(fā)電站SPS2000，2050年進入規(guī)模運行。

　　1.2.4 優(yōu)缺點

　　無線充電會不會對人體產(chǎn)生傷害呢？麻省理工學院的研究人員表示，身體對電場的反應很強，但身體對磁場的反應則幾乎沒有，因此這一系統(tǒng)不會影響人體健康。不過，這還只是一種推測，有研究人員對此觀點表示擔心，在真正應用于生活前，還需要進一步進行試驗。

　　做為電子類充電產(chǎn)品，充電器本身避免不了輻射，所以無線充電器有輻射是必然的。但是目前無線充電器的功率很小，充電時間較短，所產(chǎn)生的輻射也小，應該不會對人產(chǎn)生較大的傷害。