..學位論文誠信聲明書本人鄭重聲明：所呈交的學位論文〔設計是我個人在導師指導下進行的研究〔設計工作及取得的研究〔設計成果。除了文中加以標注和致謝的地方外,論文〔設計中不包含其他人或集體已經公開發表或撰寫過的研究〔設計成果,也不包含本人或其他人在其它單位已申請學位或為其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究〔設計所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了致謝。申請學位論文〔設計與資料若有不實之處,本人愿承擔一切相關責任。學位論文〔設計作者簽名：日期：學位論文知識產權聲明書本人完全了解學校有關保護知識產權的規定,即：在校期間所做論文〔設計工作的知識產權屬XX科技大學所有。學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版。本人允許論文〔設計被查閱和借閱；學校可以公布本學位論文〔設計的全部或部分內容并將有關內容編入有關數據庫進行檢索,可以采用影印、縮印或其它復制手段保存和匯編本學位論文。保密論文待解密后適用本聲明。學位論文〔設計作者簽名：指導教師簽名：年月日..論文題目：無線型手機充電器設計專業：自動化本科生：曹添成〔簽名指導王媛彬〔簽名摘要進入21世紀以來,隨著智能手機功能越來越多,屏幕也越來越大,耗電量也就越來越大,手機充電的頻率也就越來越高。數據線頻繁插拔讓人在充電過程中不勝其煩,不僅如此,頻繁插拔容易引起充電接口損壞,因此,需要更加便捷的手機充電方式。無線充電是依靠磁場耦合原理將供電端電能傳給電池從而實現對手機的充電,這是一種新的充電方式,克服傳統有線手機充電方式的弊端,可以讓充電更加的方便。本文對手機無線充電的原理、電路、磁場耦合進行研究,設計了一種基于磁場耦合諧振無線型手機充電器。本文研究的主要工作有：闡述用555定時器和初級耦合線圈組成諧振電路,分析手機無線充電的需求,提出系統的主要的設計要求；設計手機無線充電的主電路與諧振電路,選擇控制芯片的型號,并闡述手機無線充電的控制方法與流程；提高手機無線充電的可靠性,本設計采用無線手機充電的方式是電磁感應,系統有兩部分組成發射部分與接收部分。本設計在12v供電點電源,接收端可以在1.5cm左右輸出穩定在4.2v電壓充電,從而實現手機無線充電。并且,電路的發射端有保護功能,防止MOS被電壓擊穿與短路等問題。整個充電電路結構簡單,工作穩定,基本的應用水平已經達到。關鍵詞：無線充電,磁場耦合,電路保護..Subject：DesignoftheWirelessChargingSystemforMobilePhonesSpecialty：AutomationName：CaoTiancheng 〔SignatureInstructor：WangYuanbin 〔SignatureABSTRACTSinceenteringintwenty-firstCentury,withmoreandmoresmartphones,moreandmorescreens,powerconsumptionisalsoincreasing,thefrequencyofmobilephonechargingisalsogettinghigherandhigher.Datalineoffrequentpluggingandletapersoninchargeoftroublesome,notonlyso,frequentpluggingiseasycausecharginginterfacedamage.Therefore,itisnecessarytomoreconvenientmobilephonecharging.Wirelesschargingistorelyontheprincipleofmagneticcouplingwillpowersupplyendofthepowertransmissiontothebatterysoastorealizethechargingofmobilephone,whichisanewwayofcharging,overcometraditionalwiredmobilephonechargingshortcomings,sothatthechargingmoreconvenient.Inthispaper,theprinciple,circuitandmagneticfieldcouplingofmobilephonewirelesschargingarestudied,andawirelessphonechargerbasedonmagneticfieldcoupledresonanceisdesigned.Themainworkofthispaper:describeshowtouse555timerandprimarycouplingcoiltoformaresonantcircuit.Analysistheneedsofmobilewirelesscharging,putforwardthesystemofthemaindesignrequirements;designmobilewirelesschargingmaincircuitandresonantcircuit,choosethemodelcontrolchip,andexpoundsthemobilewirelesschargingcontrolmethodandprocedure;improvethereliabilityofthemobilewirelesscharging,thisdesignusesthemobilewirelesschargingiselectromagneticinduction.Thesystemhastwopartsformthetransmittingpartandreceivingpart.At12Vpowersupplypoint,thereceivingendcanbestableinthe1.5cmoutputvoltageof4.2Vcharging,soastorealizethewirelesschargingofmobilephone.Inaddition,theemissionendofthecircuithastheprotectionfunction,andpreventstheMOSfrombeingdamagedbyvoltageandshortcircuit.Thewholechargingcircuitissimpleinstructure,stableinoperation,andthebasicapplicationlevelhasbeenreached.Keywords:wirelesscharging,magneticcoupling,Magneticcouplin..目錄TOC\o"1-3"\h\u3595第一章緒論 1292381.1課題研究背景及意義 190931.2國內外研究現狀和發展趨勢 127591.3課題的主要研究內容 2214681.4本章小結 37710第二章電磁感應電能傳輸基本理論 4235582.1手機無線充電系統的基本原理 420312.2手機無線充電系統的基本結構 58475能量發射端 518463能量接收端 6228622.3需求分析及設計要求 626904需求分析 63161主要設計要求 7303112.4本章小結 76582第三章手機無線充電系統主電路設計 866843.1輔助電源8148033.2手機無線充電系統發射端820883震蕩電路設計 8117363.3手機無線充電系統接收端 1122000整流變換電路 1125110手機無線充電接收端控制 1212563手機無線充電系統耦合線圈 14154943.4本章小結 1415141第四章手機無線充電系統仿真 167244.1信號調制電路的仿真驗證16117324.2本章小結19155第五章手機無線充電系統原邊線圈與副邊線圈設計 2021585.1線圈自感的影響因素分析 2024991線圈尺寸分析 2011186線圈線寬和線間距分析 21117025.3實驗驗證 2590615.4本章小結 2514807第六章總結與展望 2640836.1全文總結 263776.2展望 2620682致謝 2714552參考文獻 2831128附錄A317116附錄B33..第1章緒論在大多數的電能應用場合,主要還是經過金屬導線直接傳輸,而目前,另一種傳輸方式:無線電能傳輸,正在慢慢的得到了應用。1.1課題研究背景及意義進入21世紀以后,隨著電子產品的增多,而每個電子產品都有自己有線充電器,非常麻煩,而且充電的接口也容易壞。如果無線的方式進行設備充電,既可以節約資源而且便利,還減少設備的損壞率。同時,電子醫療的技術也不斷發展,研制出了放在人體內的電子設備,進行對人體的治療以及恢復,若是能夠以無線的方式,在體外安裝設備供電,以避免重復手術給病人而帶來得痛苦,提高病人的生活質量。隨著手機的功能越來越多,屏幕的尺寸也越來越大,耗電量也隨之增加。但是電池卻跟不上電子設備的步伐。所以當人們享受著電子設備所帶來便利的同時,還因為充電的問題而煩惱。隨之無線充電將會使消費者歡迎。因為每個電子產品都會有自己的配備充電器,充電器和數據線多,所以在充電器與數據線上消費也是非常巨大,但是用無線充電器就可以減少部分損失。另外,由于有線充電需要在電子設備上有充電口,經過多次插拔容易損壞,不僅是這樣,這個充電口還容易進去一些雜物,在水環境中容易發生故障。而若采用無線充電,就可以避免這些問題,廠家可以直接將接收端封裝在電子設備里邊,實現手機安全、可靠、的充電,從而完美的簡化人的生活,給消費者更加生活體驗。無線充電的技術,是利用空間磁場的場感應,也是電感耦合,將電能從發射端傳送到手機用戶,通過多年發展推廣后,現在也很受關注。到二十世紀末期,隨著電子產品技術與計算機技術的發展,人們更需要一種新的電能傳輸方式,可以預見,隨著無線電傳輸技術不斷的成熟,會在生產和生活中得到更多的應用。1.2國內外研究現狀和發展趨勢無線充電有廣闊的發展前景,無線充電幾乎可以應用到人類的生活領域。首先,應用到小功率用電設備上MP3,MP4,照相機,手機等等；應用到家電設備上冰箱,電視機,浴霸,抽油煙機等,都可以用無線充電來實現；然后,如電動自行車,電動公交車和地鐵；最后,將無線充電技術與風能,太陽能,潮汐能等能源技術相結合起來。人類對無線供電技術的設想,是出現在一百多年前,發明交流電機,著名克羅地亞物理學家特斯拉當初設想,用電磁共振技術來實現無線電能傳輸,而不是現在常用到的電磁感應達到無線供電,可惜由于當時無線供電會大量的損失發電廠的利益,所以當時都不同意特斯拉研究無線供電系統實驗。但是,人們對于無線電能傳輸都有無限的渴望。許多公司也看中了無線充電的市場。例如,美國的Palm公司推出了一種無線充電設備"點金石","點金石"是通過兩個線圈來實現電能的傳輸,利用電磁感應原理來實現無線充電。當今國內的一些研究者還是在研究如何提高無線充電的電能傳輸的效率,和如何提高無線供電的輸出功率。目前,無線供電技術沒有很大范圍使用,因為還有比較多的的技術難題還沒有攻克：1．相對于有線供電來說,無線供電電能的傳輸的效率太低。無線供電是因為沒有用金屬導體直接作為電能的傳輸介質,而是以空氣為介質來實現能量的傳輸。并且,其中設計到電能和磁能的相互轉化,交流電和直流電的相互轉化,在這些電能與磁能轉化的過程中與空氣介質中損失的能量比較多。在理想情況下,能達到最大能量傳輸效率有70%,一般情況下無線電能傳輸效率可以達到50%-60%或是更低。2．有線供電傳輸距離可以達到幾百公里,但是無線供電不能達到這么遠距離的供電,現有的實驗中可以達到最大的電能供電距離是2m左右。3．想要大規模來實現無線供電,那么就會使人們生活四周都會有遍布電場與磁場。人們長時間在這樣的電場與磁場中會不會存在安全隱患,科學上還沒有給出一個確定的答案。很多的科研單位與科研機構已開始研究這種新的能量傳輸,但是讓人遺憾的是,無線供電還仍在剛剛起步階段。無線供電將會為人們解決一些目前遇到的一些能源問題,但想要將無線供電技術真正普及化,還需要一段路要走。盡管如此,現有一些實驗的成果讓人歡欣鼓舞,但是至少說明在短距離,小功率用電設備可以實現無線充電。隨著科學技術的不斷的發展與進步,我相信,無線供電技術將會突破每一個難關,使人們用到更節能的無線供電為人們提供更加便捷的生活方式。相對于國外來說,國內的無線供電技術研究起步較晚。無線供電技術利用感應耦合非接觸式的電能傳輸,國內有研究該技術主要有XX大學、北京郵電大學、電子科技大學、XX大學、XX工業大學、海爾集團等高校和企業。主要是對無線充電器電路結構與補償電路做較詳細分析,建立發射端回路閉環控制以使電路一直可以工作在諧振點的附近,從而提升整個無線電能傳輸的效率。對整個系統在單個負載與多個負載情況下而進行建模的分析,并且用線性負載為例對這個系統電路的參數變化與系統電壓增益變化之間的關系進行探究,給出一種基于電壓的增益系統參數來設計。對于無線充電的能量發射的線圈進行分析研究,分析線寬、線圈大小、線間距、匝數等對線圈自感與互感影響。1.3課題的主要研究內容交流220V市電整流濾波后進行高頻逆變,逆變后高頻電壓在經過補償后線圈作用下感應耦合到二次接收線圈,在進行整流濾波輸出直流電壓,該直流電壓進行V/I轉換輸出穩定電流信號給手進行充電。研究內容具體如下：1一次側、二次側線圈采用加載電容補償方式；2>對一次側、二次側線圈電感及補償電容參數并進行計算使一次、二次線圈諧振,使傳輸效率最大化；3充電負載變化時,諧振頻率保持穩定,輸出電流保持恒流。1.4本章小結本章主要描述本次課題研究背景和研究意義,并且對目前國內外研究現狀和發展趨勢作詳細論述,由此得出本次課題研究的方向和目標。同時,對本次課題的主要研究內容作了詳細的介紹。第2章電磁感應電能傳輸基本理論本文在對手機無線充電系統的基本原理、基本結構進行介紹,對其在實際應用中需求進行分析,并提出主要的設計要求,為后面的研究和設計。2.1手機無線充電系統的基本原理本文研究手機無線充電技術是不通過物理連接,而是通過空間中的電磁場的變化來將供電端的電能傳輸給手機電池的技術。根據法拉第電磁感應理論可知,導體在磁通量變化的磁場中會產生感應電動勢,如果該導體是閉合回路中的一部分,則會產生感應電流。電磁耦合式手機無線充電技術就是根據這個原理工作的,與傳統變壓器工作原理類似,區別在于變壓器的原邊線圈與副邊線圈之間耦合為緊耦合,即原邊線圈與副邊之間耦合非常緊密,往往將原邊線圈與副邊線圈繞在同一個磁芯上,磁芯可以增加磁導通率減少損耗,故變壓器的傳輸效率較高傳輸功率也可以做得很大,但是也正是由于原邊線圈與副邊繞在同一個磁芯上,使得變壓器的原邊線圈與副邊位置相對固定,靈活性差；而手機無線充電系統的原邊線圈與副邊之間采用松耦合,即原邊線圈與副邊線圈之間的耦合比較弱,為了減小系統的體積和重量,通常不采用磁芯,而且原邊線圈與副邊線圈之間位置不固定,副邊可以在一定范圍內自由移動,但是由于空氣磁阻遠遠大于磁芯,很大一部分磁動勢降分布在空氣磁路上,導致傳輸效率偏低。由于松耦合結構漏磁大、原邊線圈和副邊線圈之間耦合系數小,所以不滿足變壓器原邊線圈與副邊線圈電壓和電流的匝比關系。根據楞次定律和電磁感應理論可知,可以通過提高原邊線圈電流變化率,即提高原邊線圈電流頻率,來增強原邊線圈與副邊線圈之間的電磁感應強度,以提高傳輸功率密度,降低損耗,提高系統效率。但是頻率過高又會增強電磁輻射,給電磁屏蔽設計造成困難,所以一般還需對原邊能量發射機構和副邊能量接收機構的耦合線圈進行補償。因此,感應耦合式無線充電系統的結構就比普通變壓器系統結構更加復雜,其結構示意圖如圖2.1所示。整流整流濾波DC-DC變換AC高頻逆變整流濾波負載圖2.1手機無線充電系統結構示意圖圖2.1所示的系統結構示意圖主要分為兩個部分,即能量發射部分和能量接收部分。能量發射部分包括整流濾波環節、DC-DC變換環節高頻逆變環節和能量發射機構。220V的工頻交流電經過整流濾波環節變換成穩定的直流電,然后經過DC-DC變換環節將電壓調節到一個固定值供給高頻逆變電路,本文研究的手機無線充電系統經DC-DC變換后的電壓為12V。高頻逆變電路將12V的直流電逆變成高頻交流電,供給能量發射機構。能量發射機構由一個諧振網絡組成,高頻電信號經過諧振網絡后產生交變磁場分布在耦合電感〔線圈附近的空間中,離耦合電感越近磁感應強度就越強。能量接收端包括能量接收機構、能量換環節和用電設備。能量接收機構一般由一個諧振網絡組成,該諧振網絡中的振電感可以在發射端產生的交變磁場中拾取電能,轉變為高頻的交流電,該電經過能量變換環節〔如整流、濾波等后,供給用電設備,本文中的用電設備手機電池。2.2手機無線充電系統的基本結構本設計實現鋰電池無線充電是將現有的無線供電技術中的電磁感應方式與現有的鋰電池充電技術相結合,通過兩個耦合線圈來實現電能的發送和接收。在電磁感應方式實現無線電能傳輸的過程中,電能的發送和接收需要形成快速變化的電場和磁場,快速變化的電場是通過電能發射端所生成的高頻交流電來實現的,而高頻交流電是通過將市電轉換為直流電再通過高頻逆變產生的。而在電能接收端,根據現有的鋰電池充電理論,本設計加入了一個鋰電池充電的控制電路,以確保鋰電池只能在處于合適的狀態下才能進行充電,并且在充電過程中,控制電路會根據充電過程是否出現異常以及電池是否已經充滿等具體情況控制整個充電過程。能量發射端手機無線充電系統的能量發射端由整流濾波環節、DC-DC變換環節、高頻逆變環節、諧振網絡、檢測電路和控制器組成。整流濾波環節由整流橋和濾波電路組成,整流橋的作用是220V的工頻交流電轉換成單向波動的直流電,其波動的幅值仍然非常大。濾波電路的作用就是將波動較大的直流電轉換成比較平穩的直流電。經過整流濾波后的直流電還需經過DC-DC變換電路后才能供給高頻逆變電路。DC-DC變換電路一方面使輸入到高頻逆變電路的電壓為設定的某一固定值,另一方面使該電壓更加穩定可控。手機無線充電系統中使用的DC-DC變換電路實現的功能主要是降壓,將經過整流濾波后的直流電降為12V的穩定直流電。把DC-DC變換電路的輸出〔12V直流電作為高頻逆變電路的輸入。高頻逆變電路的作用是在控制信號的驅動下,將12V直流電變換頻率為高頻交流電。這種高頻交流電作用于諧振網絡后就會產生高頻的交變磁場,能量發射機構和接受機構之間的電能感應耦合就是通過這種高頻的磁場變化來實現的,因此為能量發射機構提供高頻交流信號的逆變電路就是系統電路的關鍵部分之一,同時該逆變電路的效率和穩定性對整個系統的性能也有很大的影響。因此,要求逆變電路有如下特征：①能為能量發射機構提供足夠大的勵磁電流。只有發射機構上的勵磁電流足夠大才能允許發射端和接收端之間有一定的傳輸距離。②具有較低的瞬間電壓峰值、損耗值。保持較低的瞬間電壓峰值有利于保證系統的穩定性,保持較低的損耗值有利于提高系統的傳輸效率。12V直流電經過高頻逆變電路后輸出給發射端諧振網絡,發射端的諧振網絡由耦合電感和補償電容組成。由于手機無線充電系統的發射端線圈和接收端線圈耦合方式為松耦合,兩個線圈之間存在一段空氣間隙,為了使系統保持較高的傳輸效率,減少損耗,除了采用高頻逆變電路提高發射線圈電流頻率外,還需采用電容補償,補償電容可以與發射線圈串聯或并聯。檢測電路用來檢測DC-DC變換電路的輸出電壓,檢測結果傳送到控制器,使控制器根據當前的檢測結果做出合適的控制決策；檢測電路主要檢測發射線圈工作電流,檢測結果傳輸到控制。檢測發射線圈的工作電流一方面可以了解發射端電路當前的工作狀態,便于控制器計算控制誤差,以實現更精確的控制；另一方面可以了解系統的工作是否正常,一旦檢測到發射線圈電流超過正常范圍,則可以馬上使系統停止工作。因此對于發射線圈電流的檢測要求有較高的快速性和準確性。除了以上介紹的幾個模塊之外,發射端還有一個非常重要的模塊,即控制模塊。發射端電路控制模塊包含兩個控制器,LM317為DC-DC變換電路的控制器,通過控制DC-DC變換電路控制器用來調節輸出電壓的大小,使其穩定在12V。2.2.2能量接收端由2.1節可知,能量接收端由諧振網絡、AC-DC變換模塊、控制模塊和用電設備組成。接收端的諧振網絡主要作用為從發射端諧振網絡產生的交變磁場中拾取電能,并將該電能轉換為高頻交變電流。與電能發射端的諧振網絡類似,為了增強電能拾取能力,提高系統傳輸效率,電能接收端的諧振網絡也采用了補償電容,即該諧振網絡也由一個耦合電感和補償電容組。AC-DC變換模塊用于將接收線圈接收到的高頻交流電轉換成較為平穩的直流電,并輸送給用電設備。隨信號波形的變化而變化。常用的信號調制電路有電容式調制電路和電阻式調制電路。接收端的控制器是接收端的重要組成部分,監視用電設備電池的充電狀態,并根據這些狀態做出相應的反應,控制接收端的指示燈的工作狀態。2.3需求分析及設計要求2.3.1需求分析如今隨著智能手機的普及,手機電量消耗快,充電次數逐漸增多,每次都要使用數據線進行充電不免有些麻煩,本文研究的手機無線充電系統可以隨放隨充,隨取隨停,大大地方便了充電過程,不需要用手機的時候就把手機放在充電板上進行充電,需要用的時候只要拿起來可以停止充電過程,不僅可以保證手機電量充足,也可以讓人免受邊充電邊打所遭受的輻射。本文設計的手機無線充電系統要求電能發射端小巧、輕薄,放置在桌面上不占空間,或者可以方便的嵌入安裝在公共場合的桌面上；要求電能接收端嵌入到手機內部而不明顯地增加手機的體積和重量；要求手機無線充電器發射端可以自動識別手機并對其進行充電,當不需要充電時自動進入待機模式；要求手機充電異常時有適當的提示；要求充電過程中輸出電壓穩定,不會對手機電池造成損害；要求在充電過程中,線圈溫度不能過高。2.3.2主要設計要求設手機無線充電系統的設計要求如下：發射端的輸入為220V工頻交流電；接收端輸出電壓為穩定的4.2V直流電,額定輸出電流為0.5A；工作在額定狀態時,有較高的傳輸效率；不同的工作狀態有不同的指示燈提示；2.4本章小結本章首先對手機無線充電系統的基本工作原理進行分析,然后分別介紹了手機無線充電器發射端和接收端的基本結構和實現的功能,最后對手機無線充電系統的需求進行了分析并闡述了系統的主要設計要求。第3章手機無線充電系統主電路設計手機無線充電系統主要分為發射端和接收端兩部分,發射電路主要是由整流濾波電路、DC-DC變換電路、高頻逆變電路和諧振網絡組成,接收端電路主要由諧振網絡、整流濾波電路和負載組成。整流濾波技術和DC-DC變換技術已比較成熟,故本文電路設計的重點為高頻逆變電路和諧振網絡電路。3.1輔助電源正常穩定的工作,都需要使用合適的直流電為其供電,因此,有必要在對主體電路需要經過整流、濾波等階段,并且,還應考慮到電壓的穩定性問題,因此還必須有合適的變壓電路和穩壓電路等。人們習慣上把實現這種穩定供應直流電壓和電流功能的電路通稱直流穩壓電路。現在常用的直流穩壓電路有兩個種類,一類是調整管工作在線性狀態下,成本低,紋波小,但是工作效率也較低的線性穩壓電源。另一類叫做開關型穩壓電源。本課題所設計的電源主要有給振蕩電路提供的5V直流電和給功放電路提供的12V直流電。其主要組成部分有變壓器、橋式整流電路和濾波電路。首先接220V交流電,經變壓器降壓,然后由橋式整流電路進行全波整流,經電容濾波后,將得到的直流進行穩壓〔DC—DC轉換。由于振蕩電路的工作電壓為5V,且功放電路的工作電壓為12V。變壓器選擇輸出100W,15V和8V的環形變壓器；整流管選擇3A肖特基二極管IN4007；電源轉換芯片可選用三端可調的穩壓器LM317。輔助電源〔以正12V穩壓為例的系框圖如圖3.1所示。圖3.1穩壓電源原理圖3.2手機無線充電系統發射端3.2.1震蕩電路設計采用NE555構成頻率可調的多諧振蕩器。555計時IC芯片是一款使用時間十分久遠,使用范圍十分廣泛,設計方案十分成熟的計時IC芯片。而NE555是555計時IC芯片大家族中的一個型號。與其它的計時IC芯片相比,NE555有其獨特的優勢。比如,NE555不僅可以作為定時器使用,還可以作為施密特觸發器使用,并且還不需另外的元器件。此外,當NE555用來輸出PWM波時其外圍電路十分簡單,其本身的工作也十分穩定。NE555可穩定輸出1MHz以下的方波,并且占空比可調,電路調試容易,成本較低。NE555的缺點是不帶電路保護功能,PWM波輸出需另接驅動電路,且不具備任何擴展功能。NE555計時IC芯片一共有8個引腳。1腳是芯片的公共地端；2腳是一個觸發端,當2腳電壓處于VCC/3到2VCC/3之間時,NE555才能啟動其時間周期；3腳是輸出端,在本設計中最終輸出的PWM波信號就是經由3腳輸出的；4腳是重新置位端,其工作原理是當輸入此端口的電平是一個低電平時,系統置位；5腳是控制電壓端口,此端口的作用是通過調整輸入到此端口的電壓,可以調整輸出PWM波的頻率；6腳是重置鎖定端口；7腳是放電端口；8腳則是整個系統的供電端口,當VCC的值為4.5V~16V之間時,芯片才能正常工作。本設計是想利用NE555芯片輸出PWM波,從而驅動開關MOS管的開閉。而PWM波可以看作是無數個高電平和低電平相互轉換所形成的一種波形。因而此時NE555不應工作在穩態而是應該工作在振蕩狀態。此外,系統在輸出高電平和輸出低電平兩個狀態下來回切換,是依靠其自身的激勵,系統最后呈現出的實際上是一種無穩態的電路,一旦上電開始工作,系統就通過在兩個暫穩態的不停切換中輸出PWM波。僅僅需要兩個電阻和兩個電容,NE555計時IC芯片就能構成振蕩器電路結構。此時振蕩器能夠自激工作是通過向振蕩電容C來回的充電和放電來實現的。此時,將NE555的2腳和6腳相連并與振蕩電容的非接低端連在一起,這樣就能通過振蕩電容電壓的變化使系統在2/3Vcc觸發和1/3Vcc觸發來回轉換。一開始,當系統剛剛上電時,VCC通過電阻向振蕩電容充電,此NE555輸出端口輸出為高電平；當振蕩電容的電壓達到高電平出發的閥值時,振蕩電容該由通過電阻R2進行放電,此時NE555輸出端口輸出為低電平,如此來回反復,從而達到振蕩的效果,電路圖如3.3所示。圖3.3NE555構成多諧振蕩器由圖3.3所示,振蕩源由555電路,為功放電路提供激勵,電源接通時,555的3腳輸出高電平,同時電源通過R1R2向電容c1充電,當c1上的電壓到達555集成電路6腳的閥值電壓〔2/3電源電壓時,555的7腳把電容里的電放掉,3腳由高電平變成低電平。當電容的電壓降到1/3電源電壓時,3腳又變為高電平,同時電源再次經R1R2向電容充電。這樣周而復始,形成振蕩,測試振蕩器輸出波形。電路如圖3.4所示。圖3.4NE555構成發射端電路圖3.6所示,已知f=1.44/<R1+2R2>C1,設：f=128KHz,確定R1；R2；C1之值信號,輸出占空比約等于2/3的方波,所以使高頻振蕩電路的工作與間歇時間比也等于2/3。為了能在小功率的推動下也能輸出足夠大的高頻功率,輸出級選用場效應管IRF460,場效應管是一種電壓控制器件,原則上不消耗激勵功率,但它的極間輸入、輸出電容很大,如果直接接到555的輸出端,會因為555電路的輸出電流很小而使波形的上升時間和下降時間變大,而導致效率下降。所以我還在555電路的后面加了一對互補的三極管,此互補管接成射極輸出,具有極小的輸出電阻,可以使方波的上升和下降時間大大減小。加上了這級電路后效率提高。555產生的高頻信號再通過C3和R3組成的耦合電路之后被功率開關管功放放大后,的高頻信號通過L1C8組成的諧振電路發射出去,諧振功率放大器由LC并聯諧振回路和開關管IRF460構成。當源、漏極接有電感性負載時,管子截止時電感電流不能突變,D2用這個二極管續流。防止高壓擊穿管子。由NE555構成多諧振蕩器,產生頻率為400KHz,占空比為60%的方波信號,通過MOS管的開關作用,將+12V直流信號轉化為交流信號,再通過LC諧振網絡將能發射出去。3.3手機無線充電系統接收端3.3.1整流變換電路對于無線電能傳輸的接收端線圈的整流變換電路結構如圖3.5所示。其工作原理與前文的整流濾波電路相同,同樣采用單相橋式整流電路,后接濾波電容。利用二極管的單向導通特性,用四個相同的二極管排列成橋式結構,達到將交流電轉變為直流電的目的。圖3.5整流變換電路結構圖3.3.2手機無線充電接收端控制整流濾波后的電壓經過TL413和Q18050組成恒壓充電電路給手機充電。TL431是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從2.5V到36V范圍內的任何值。該器件的典型動態阻抗為0.2Ω,在很多應用中可以用它代替齊納二極管,例如,數字電壓表,運放電路、可調壓電源,開關電源等等。封裝引腳圖如圖3.6所示。圖3.6TL431符號及內部方框圖TL431特點：可編程輸出電壓為36V電壓參考誤差：±0.4％低動態輸出阻抗,典型0.22Ω

負載電流能力1.0mA到100mA等效全范圍溫度系數50ppm/℃典型溫度補償操作全額定工作溫度范圍低輸出噪聲電壓圖3.7接收端電路接收端電路圖如圖3.7所示,L2是次級耦合線圈,<1mm漆包線密繞15圈實測電感值約為66uH>的耦合被無線傳送到次級接收電路,高頻交流信號通過FR107高速整流管整流后,c4/c5濾波,D1穩壓后變成5V直流電能電壓,TL413和Q18050組成恒壓充電電路給3.7V的鋰電池進行充電,充電指示紅LED燈亮TL413為Q1基極提供基準電壓當充電池充滿時電壓超過一定量亮,Q1導通Q2也導通從而點亮led綠燈。R1是取樣電阻,R2R4分壓電阻調整R4阻值值到基準電壓,R5為限流電阻,調整它可以得到不同的充電電流.3.3.3手機無線充電系統耦合線圈振蕩線圈按要求用直徑13cm1mm的漆包線密繞10圈,接收線圈13cm1mm的漆包線密繞15圈實測電感值約為32uH。當功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵信號頻率相同時,功率放大器發生諧振,此時線圈中的電壓和電流達最大值,從而產生最大的交變電磁場。當接收線圈與發射線圈靠近時,在接收線圈中產生感生電壓,當接收線圈回路的諧振頻率與發射頻率相同時產生諧振,電壓達最大值。實際上,發射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態時,具有最好的能量傳輸效果。3.4本章小結本章首先介紹了常用的高頻逆變電路和諧振網絡,分析了各種網絡的特點,并根據手機無線充電系統的實際需求確定了合適的電路分析。完成了發射端和接收端的控制芯片選型,闡述了手機無線充電系統的控制方法以及電能傳輸各個階段的控制目標,然后詳細地分析了發射端的控制流程,設計了發射端的電源控制電路、發射線圈電路和逆變器輸入電壓電路,最后詳細地分析了接收端的控制流程。第4章手機無線充電系統仿真為了使手機無線充電系統的接收端接收端之間有能量傳輸,為此,本章首先設計了接收端的調制電路,最后用MULisim13.0對信號調制電路進行了仿真分析。4.1信號調制電路的仿真驗證由于這次仿真是電磁感應結構的仿真,為了得到更為準確的結果,在仿真時對一些輔助電路做了處理。在電路的發射端,220V交流電經過整流電路得到直流電的部分直接用一個12V理想直流源代替。PWM波產生電路及驅動電路用一個產生標準方波的信號發生器代替。在電路的接收端,電池部分由一個負載代替,仿真原理圖如下所示：為了驗證所設計的信號調制電路的調制效果,用MULisim13.0對其進行仿真,仿真模型如圖4.1所示。圖4.1仿真圖在仿真中一個最讓人感興趣的問題是例如像線圈相對位置,線圈相對距離等一系列實際中可能出現的問題對接收端能量接收的影響到底如何,而仿真軟件無法直接模擬這些實際情況,因此,可以通過設定耦合系數的值來模擬這些現實中可能遇到的問題。由于電磁感應方式屬于松耦合方式,松耦合方式的耦合系數一般在0.3-0.7之間,因此,在所有的仿真結果中,取耦合系數k=0.3,k=0.7兩組數據來比較最具有代表意義。仿真結果如下：〔1取k=0.7此時,發射端電源功率如下所示：圖4.2k=0.7時發射端電源功率由圖可知,此時電源的瞬時功率會根據開關管的閉合和斷開而相應變化。而接收端負載功率為：圖4.3k=0.7時接收端端負載功率由圖可知,在12V直流供電下,開關管頻率為40kHz時,當電路工作穩定后,接收端負載的的負載功率約為1.45W。〔2取k=0.3此時,發射端電源功率如下所示：圖4.4k=0.3時發射端電源功率由圖可知,此時電源的瞬時功率會根據開關管的閉合和斷開而相應變化。而接收端負載功率為：圖4.5k=0.3時接收端負載功率當電路工作穩定后,接收端負載的的負載功率約為70mW,此時,接收端由于接收到的功率太小,已經無法正常工作。4.2本章小結由電路仿真可以看出,通過電磁感應方式實現電能的無線傳輸在理論上是可行的。此外,線圈的耦合系數直接影響著接收端接收能量的效果,隨著耦合系數的變小,電能傳輸效率會大幅度下降,在實際的設計環節應盡可能的減小電能在傳輸過程中的損耗。第5章手機無線充電系統原邊線圈與副邊線圈設計即原邊能量發射線圈和副邊能量接收線圈,是無線充電系統中的關鍵部分之一,發射與接受線圈設計的合理與否直接影響系統的傳輸效率、傳輸能力和可靠性。而對于手機無線電能傳輸系統來說,線圈需要滿足體系小、質量輕、傳輸效率高等特點。目前無線充電系統常用的線圈都是由李茲線或細銅線繞制而成的,這種線圈不僅成本昂貴,制作工藝復雜,而且還增加了模具成本以及裝配的復雜性。為了解決上述問題,本文設計了一種線圈,不僅解決了成本問題,而且簡化了制造的復雜度,可以一次成型,同時也可以克服機械繞制線圈一致性差的缺點,使線圈的可靠性大大提高,并減輕整個系統的重量。5.1線圈自感的影響因素分析本節將采用電磁場仿真軟件對線圈的參數對自感的影響進行分析,主要從線圈的形狀、尺寸、線寬、匝數、電阻等幾個方面著手。5.1.1線圈尺寸分析本節主要分析線圈的外尺寸和內尺寸對線圈電感值的影響,假設線圈匝數保持不變,對圓形線圈進行仿真,分別分析線圈內徑不變外徑改變時線圈自感的變化規律、線圈外徑不變內徑變化時線圈自感的變化規律和線圈內外徑同時變化時線圈自感的變化規律。仿真結果如圖5.1,5.2和5.3所示。圖5.1自感隨外徑變化曲線圖5.2自感隨內徑變化曲線圖5.3自感隨線圈尺寸的變化曲線由圖5.1,5.2和5.3可以看出,當線圈的內徑不變時,隨著外徑的增大,線圈自感幾乎保持不變；當線圈外徑不變,隨著線圈內徑的增大,線圈自感也隨之增大；當線圈的內徑和外徑同步增大時,線圈的自感也隨之增大。由此可見線圈內尺寸對自感的影響大于線圈外尺寸,在實際設計中,一般將允許的最大尺寸作為線圈的外尺寸,而內尺寸則還需根據布線的線寬、線間距和匝數來確定。5.1.2線圈線寬和線間距分析本節分兩種情況對線圈的匝數影響進行分析：線圈的內尺寸和外尺寸保持不變,通過改變線寬來改變匝數；線圈的線寬保持不變,內尺寸隨著匝數的增多而變小。分別對這兩種情況進行仿真分析,得到的結果如表5.1和5.2所示。仿真模型為圓形線圈,其外半徑固定為35mm。表5.1圓形線圈內外半徑不變時線圈自感與線圈匝數的關系表5.2圓形線圈外徑和線寬不變時線圈自感與匝數的關系由表5.1可以看出,當線圈的內外半徑固定不變,通過改變線圈的線寬來改變線圈匝數時〔這里假設布線寬度可以隨意選擇,不用考慮線圈的載流能力,線圈的自感隨著線圈的匝數增加而增大。由表5.2可以看出,當線圈的外徑和線寬保持不變,通過使線圈的內半徑減小來增加圈數時,線圈的自感隨匝數的增加先變大后變小。其原因是由于線圈內徑的減小會使其自感值變小,當內徑小到一定程度后,其變化對自感的影響程度會超過匝數對自感的影響,因而使線圈自感變小。5.2線圈之間互感的影響因素分析影響線圈之間的互感的主要因素為兩線圈之間垂直距離、中心點水平距離以及兩線圈各自的自感。線圈間的垂直距離和中心點水平距離示意圖如圖5.4和5.5所示。圖5.4線圈間垂直距離圖5.5線圈間水平距離通過對兩個參數完全相同且同軸的圓形線圈進行仿真,可得線圈間的垂直距離與互感的關系曲線如圖5.6所示。圖5.6垂直距離對互感的影響通過對兩個參數完全一樣的線圈進行仿真,使它們之間的垂直距離固定為3mm,得到中心點之間的水平距離和互感的關系曲線如圖5.7所示。圖5.7水平距離對互感的影響對兩個同軸放置且垂直距離固定為3mm的圓形線圈進行仿真,得到其自感對互感的影響曲線如圖5.7所示,仿真模型中兩個線圈的自感同時變化。圖5.8線圈自感對互感的影響由圖5.6,5.7,5.8可以看出,線圈間的互感隨著線圈間垂直距離和水平距離的增大而變小,隨著線圈自感的增大而增大。由于手機無線充電系統在用過程中兩個線圈間的垂直距離一般固定,其大小由發射端上表面的厚度和手機背的厚度確定,一般為3mm左右,故在線圈設計時,一般按照垂直距離為3mm來考慮。由于線圈之間的水平距離對互感也有較大影響,因此在充電系統發射端的表面應該有明顯可見的標記來引導用戶將接收備放置在合理的位置〔即發射線圈上方,而在設計時一般只考慮兩線圈同軸的情況。當線圈的垂直距離和水平距離都定了以后,主要考慮線圈自感對互感的影響,通過增大線圈的自感來增加互感,直到線圈間的傳輸效率滿足要求。5.3實驗驗證發射端的輸入為220V,50Hz的交流電。放置在發射端上面的為接收端,接收端通過接收線圈拾取到電能后,通過整流濾波形成穩定的4.2V直流電給手機電池充電。圖5.9充電實物圖圖5.9中的接收端帶有手機充電接口,但是實驗測試時一般將輸出端直接接到手機上。5.4本章小結本章設計了一種適用于手機無線充電系統的線圈。首先分析線圈的參數對其自感和互感的影響,得出了線圈的自感和互感隨線圈的形狀、尺寸、線寬、線間距和匝數等參數的變化曲線,并在此基礎上給出了線圈的設計流程,最后以手機無線充電系統的接收端線圈為例,設計了一個具體的線圈。總結與展望6.1全文總結本文通過將電磁感應原理,高頻開關技術與鋰電池充電技術相結合,成功設計出一種適用于小功率,便攜式電子產品的鋰電池無線充電模塊。用NE555實現了頻率和占空比可調的PWM波輸出功能。有效的避免了發射電路出現短路,電流過大,尖峰電壓擊穿功率MOS管等危險情況的發生。在電路接收端,實現了充電電壓穩壓,充電電流可調功能,設計出的鋰電池無線充電模塊結構簡單,工作穩定,成本低廉,線充電和無線供電技術現在還處于剛剛起步的階段,有許多現實的問題還沒有解決。例如傳輸距離問題,傳輸功率問題,以及電磁輻射對人和其他物體是否有負面的危害等等都尚無定論。此外,成本過高以及工藝要求較高也對無線充電技術進入市場商業化帶來了很大的困難。但是盡管如此,我們仍能看到無線充電技術帶來的技術革命和巨大的商業價值。擺脫電線的束縛,實現接口的統一,在未來,當智能控制系統,太陽能供能技術以及無線供電技術本身取得長足的發展和進步之后,人類或許能實現直接從太陽獲取可用能量的夢想。可以預見的是,無線供電技術將對人類的未來產生巨大的影響,將在各個人類活動的領域發揮越來越大的作用。6.2展望雖然本文所設計的手機無線充電系統已滿足工程要求,但仍有一些不足之處有待改進,后續可以改進的地方主要有：①通信信號調制問題。本文采用幅值調制方法將通信信號調制到能量上進行傳輸,這難免會影響系統的傳輸效率,未來可以嘗試采用別的方法來進行信號調制,使信號傳輸對能量傳輸不產生影響；②線圈的內阻問題。本文設計的線圈雖然已滿足設計要求,但其內阻還是比繞線線圈大,未來可以嘗試增加板的層數或改變各層銅箔之間的連接方式等來降線圈的內阻并使其維持一定的自感。致謝此次畢業設計已接近尾聲,在這半年中,我有付出,也有收獲,經歷了許多,學會了許多,也成長了許多。在此,我要感謝我的母校,感謝我的老師,感謝陪伴我的同學們,感謝我的家人。我首先要感謝的是王媛彬老師。在本次畢業設計的整個過程,王媛彬老師傾注了大量的時間和心血,從論文的選題、開題報告的撰寫、平時進度的檢查、期中和期末檢查、論文的撰寫,到最后答辯的注意事項等,對我嚴格要求,幫助我解答了許多疑難問題。此外,我還要感謝王黨樹老師。在我的本科學習期間以及本次畢業設計期間,王黨樹老師為我提供了大量的幫助。特別是方案的設計及總體設計思路上,王黨樹老師提出了許多建設性的意見。最后我還要感謝所有在大學期間為我授業解惑的老師。在所有老師的幫助下,我的畢業設計才得以順利完成。感謝王老師對我的學業和論文研究工作的關心和指導,導師嚴謹的治學態度、淵博的知識和無私的奉獻精神使我深受啟迪。從尊師的身上,我不僅學到了扎實、寬廣的專業知識,也學到了很多做人的道理。在此,我要再次向我的導師致以最衷心的感謝！他讓我在實踐中學會了獨立和堅強,培養了我的責任心和使命感,讓我明白了企業和學校的差別,為我踏出校園做好了準備,使我成長為一個更好的人。在此向李聃工程師表示崇高的敬意和衷心感謝！此外,我還要感謝實驗室的同學為我提供器材,幫我解答難題。對我此次的畢業設計提出了寶貴的意見。最后,我要感謝我的家人,是他們對我的默默支持,使得我順利完成大學四年的學業,是他們的默默付出,使得我擁有了一個光明的前途。感謝所有參考文獻的作者,他們的工作為我的研究打下了基礎！感謝各位評審專家百忙之中評閱我的論文,感謝各位答辯組的老師們參加我的論文答辯工作,謝謝！參考文獻Takeno,K.Wirelesspowertransmissiontechnologyformobiledevices[J].IEICEElectronicsExpress,2013.10<21>:2003~2010.Wang,C.,G.A.Covic,O.H.Stielau.Powertransfercapabilityandbifurcationphenomenaoflooselycoupledinductivepowertransfersystems[J].IndustrialElectronics,IEEETransactionson,2004.51<1>:148-157.Systemdescriptionwirelesspowertransfer,VolumeI：LowPower,Part3：Compliancetesting[s].VanWageningen,D.,T.Staring.TheQiwirelesspowerstandard[C].PowerElectronicsandMotionControlConference<EPE/PEMC>,201014thInternational.2010:IEEE.Guo,Y.X.,R.Jegadeesan.Analysisofinductivepowerlinkforefficientwirelesspowertransfer[C].HighSpeedIntelligentCommunicationForum<HSIC>,20124thInternational.2012:IEEE.Ni,B.,C.Y.Chung,H.L.Chan.Designandcomparisonofparallelandseriesresonanttopologyinwirelesspowertransfer[C].IndustrialElectronicsandApplications<ICIEA>,20138thIEEEConferenceon.2013:IEEE.Fan,H.,W.Jianqiang.Investigationonfullbri