基于电磁感应技术的手机无线充电器设计与实现

摘要

随着电子时代的到来，手机屏越来越大，功能和软件逐渐繁多。因此，手机功耗将会越来越大。凌乱的电线和手机充电的频繁让人们感到很不方便。不仅仅如此，频繁的插拔数据线还可能会引起手机接口的损坏，而且长期将充电接口暴露在外，接口会因此潮湿，可能会引起漏电的现象，安全性得不到保障。所以人们更加需要一种便捷可靠的手机充电方法。基于电磁感应技术的手机无线充电是一种依靠空间磁场耦合通过无线充电器发射模块端将电能传输至空间，手机接收端进行接收对其手机电池进行充电的技术，已有一些相关手机无线充电产品面向市场。本文通过对电磁感应技术的原理、电路、通信及线圈耦合等方面进行研究，设计了一种基于电磁感应技术手机的无线充电器。本文所做的研究内容对手机无线充电的推广和应用有一定的促进作用，能为未来手机无线充电器的设计提供一些参考和借鉴。
　　本文的主要研究工作有:首先对无线充电当今的三大标准作了相应的概述，研究了无线充电的四大技术，它们分别是电磁感应技术、磁共振技术、无线电波技术、电磁耦合技术，并将这四大技术应用于手机的无线充电作了对比分析，并此推出电磁感应技术更适合手机的无线充电;其次论述了电磁感应技术的原理、相应参数理论分析及手机无线充电技术的发展情况。依据电磁感应技术的原理将手机无线充电技术相结合，引出了本文主要研究的内容。研究了对于手机无线充电的效率影响因素，分析了无线充电器发射、接收线圈对手机无线充电效率的影响及发射、接收线圈的定位方式;最后给出了所设计的无线充电器总体设计框图，对所需元器件、芯片作出相应的选择，并对其功能的介绍，在multisim13软件上进行了无线充电器发射、接收模块单元电路的仿真设计。本文设计的无线充电器发射模块由振荡信号发生器和谐振功率放大器两部分组成。震荡信号发生器由555芯片构成，功率放大器由LC并联谐振回路和开关管IRF460构成。设计的手机无线充电器接收模块由次级耦合线圈、滤波电路、稳压管、TL431和Q18050组成恒压充电电路、LED灯等电路构成。对耦合线圈进行了设计，并设计出一种无芯PCB圆形螺旋线圈，并对相应参数进行了研究以及仿真。论文也给出了手机多负载无线充电器设计原理框图，本文对于多负载无线充电器不作深入的研究，以后作进一步的研究。
　　在工作室条件下，制作出本文所设计的无线充电器样机，对无线充电器发送、接收模块单元进行了测试。震荡发生器能输出PWM驱动信号，驱动信号的频率为110KHz，生成PWM波的占空比为60％左右。TL431和Q18050组成恒压充电电路能稳定的给予手机充电电压4.2V，当手机电池充满电时，接收模块单元的LED灯由红色转变为绿色作为充电结束的提示。
　　本文所设计的无线充电器，理想状态下手机无线充电的最大有效距离为32mm。对于三星型号GT-C3050C手机的电池从无电到充满电有效时间为1个半小时。对充电状态的监测，本手机无线充电器最大充电电流达到了980mA，最大功率达到了约4W。无线充电的有效充电效率理想状态下达到了50％左右。通过对所设计的无线充电器进行测试，测试数据验证了电路方案的可行。通过将本文所设计的无线充电器与市面上的出现无线充电器产品对比发现所设计的无线充电器具有相对无线距离远、价格低等特性，一旦成产品，将会有较大的经济效益。最后，对手机无线充电进行了展望，就所设计的核心内容进行了相应的总结。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究内容

1．4 本章小结

第2章 无线充电基本理论

2．1 无线充电技术的标准

2．2 无线充电技术分类

2．2．1 电磁感应技术

2．2．2 磁共振技术

2．2．3 无线电波技术

2．2．4 电场耦合技术

2．2．5 无线充电技术对比

2．3 电磁感应技术实现手机充电的理论分析

2．3．1 电磁感应

2．3．2 相应参数理论分析

2．4 手机无线充电器充电效率的研究

2．4．1 发射与接收线圈对充电效率的影响

2．4．2 发射与接收线圈的定位及定位对充电效率的影响

2．5 本章小结

第3章 手机无线充电器总体设计

3．1 单负载手机无线充电器设计

3．1．1 整流滤波电路

3．1．2 高频逆变电路

3．1．3 整流变换电路

3．2 多负载手机无线充电器设计

3．3 线圈传输结构设计

3．4 本章小结

第4章 手机无线充电器硬件单元电路设计

4．1 无线充电器发射模块单元的设计

4．1．1 驱动信号发生器的设计

4．1．2 IRFP460功率场效应管

4．1．3 LC谐振电路的设计

4．1．4 发射模块电路仿真设计及原理

4．2 无线充电器接收模块单元的设计

4．2．1 整流电路的设计

4．2．2 基准电压源设计

4．2．3 接收模块电路仿真设计及原理

4．3 耦合线圈单元的设计

4．4 元器件清单

4．5 本章小结

第5章 手机无线充电器测试与分析

5．1 测试仪器

5．2 手机无线充电器样品图

5．2．1 手机无线充电器发射模块样品图

5．2．2 手机无线充电器接射模块样品图

5．2．3 手机无线充电器一套样品图

5．3 充电发送和接收模块测试

5．3．1 无线充电器发送模块单元测试

5．3．2 无线充电器接收模块单元测试

5．4 无线距离有效范围测量

5．5 无线充电过程手机电池的监测

5．5．1 无线充电过程手机电池电压监测

5．5．2 无线充电过程充电时间监测

5．6 无线充电器充电效率测试

5．7 无线充电器产品对比分析

5．8 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果