引言§1.1無線充電技術的背景隨著智能手機、數碼相機以及平板電腦等移動電子產品在人們生活中的廣泛應用，內置鋰電池續航短問題日益凸顯，在這種情況下，無線充電技術應運而生。有研究指出，全球無線充電技術將于2017年形成一個70億美元的市場。據了解，無線充電技術來源于日本。日本富士通公司2010年9月宣布其研究出了新的無線充電技術，可實現在距離充電器幾米遠的地方進行無線充電。而所謂的無線充電技術，即不用通過電源線和電纜等一切外接設備，就可給電子設備充電。其原理是利用磁共振在充電器與設備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設備之間形成共振，實現電能高效傳輸的技術。綜觀目前的電子市場，鋰電池等電子產品用電池在技術上遲遲沒有取得新的突破，導致電池根本滿足不了用戶的用電需求。而目前出現的移動電源充電器在給電子產品充電時也需要數據線。而且移動電源容量有限，并不能從根本上解決用戶移動用電的需求。無線充電技術的出現，或可解決移動電子產品的充電難題。據了解，目前在北美，大批通過近距離無線充電技術解決智能手機充電難題的創業公司開始出現。而隨著無線充電網點的完善，無線充電技術有望得到更廣泛的應用[1]?！?.2無線充電技術的先驅根據報道和網絡檢索，世界上各個國家已經投入到這個領域的研究當中[2]。Palm︱美國

Palm公司是美國老牌智能手機廠商，它最早將無線充電應用在手機上。它推出的充電設備“觸摸石”，就可以利用電磁感應原理無線為手機充電。海爾︱中國海爾推出的概念性“無尾電視”，不需要電源線、信號線和網線。海爾稱該產品采用了與麻省理工學院合作的無線電力傳輸技術。Powermat︱美國目前

Powermat

推出的充電板有桌面式和便攜式等多種，主要由底座和無線接收器組成，售價在100美元左右。勁量︱美國勁量（Energizer）是美國知名的電池和手電筒品牌。該公司預計將正式推出一款無線充電器，售價在89美元左右。微軟︱美國由微軟亞洲研究院研發的一款無線充電板裝置名為uPad，已在2008年底造出樣機。富士通︱日本

富士通的系統與美國Witricity公司研發的技術類似，后者同樣利用磁共振傳輸電量，傳輸距離可達到幾米遠。這項技術將促使日本政府在2012年之前在公共場所設置無線充電網點?？坪昃Е蛎绹?/p>

“iNPOFi”無線充電器在2013年美國CES消費電子展上展出一款命名為“iNPOFi”的無線充電產品可以支持當下兩大主流手機陣營，即蘋果iPhone

4/4S和三星Galaxy

S

III。與手機自帶無線充電模塊的諾基亞Lumia

920不同的是，用戶只需購買與自己手機相對應，并且內置無線充電模塊的保護殼即可，有著更好的兼容性。其突出特性是無電磁線圈，無輻射，充電效率高。除了展會現場產出的產品之外，“iNPOFi”還將陸續推出系列產品，

比如“移動無線充”，這款產品本身自帶高容量電芯，可以讓使用者即使是在無人區，也可以連續為手機供電，這是其他任何無線充電產品都不具備的，除此之外我們還將針對更多的品牌和機型推出系列配套產品，滿足更多終端客戶的需求。§1.3市場前景去年的諾基亞紐約發布會上，諾基亞向我們展示了回家以后隨手把手機放上充電墊邊充電邊聽音樂的場景。Lumia920內置了無線充電接收器，不久的將來，在美國本土的香啡繽店面和倫敦希思羅機場都將有無線充電器可用[3]。無線充電已從夢想步入現實，從概念變成了商品，未來幾年將在手機、PC、電視、電動汽車等領域引領新風尚的趨勢。無線充電技術具有非常廣闊的市場前景。根據對北美和歐洲市場需求調查報告顯示，北美與歐洲市場對無線充電產品表現出極大的興趣，81%的消費者希望多樣的電子產品可以同時充電。這種需求刺激了無線充電產品市場的快速發展。早在幾年前，無線充電產品已經進入市場，較為大家所熟知的便是iPhone無線充電器，在日本售賣已經有一年多時間了，其中包括日立麥克賽爾已經推出的符合WPC標準的iPhone系列產品。另外日本NTTDoCoMo公司早在CEATEC2010展會上推出了無線充電手機，并希望在2014年以前該公司推出的所有手機都具備無線充電功能。除了日本廠商以外，目前HTC、摩托羅拉、LG的上市產品中有的也已具備無線充電功能。有分析師預測，2013~2014年將是無線充電器市場的真正拐點，盡管目前無線充電器市場主要集中在日本和歐美地區，但隨著智能設備的增多以及設備功能多樣化需求，它的市占率將得到大幅提升。根據市場研究機構MarketsandMarkets的一份報告，全球無線充電市場將在未來五年內獲得井噴式增長，到2017年將形成超過70億美元的市場，而在2011年這一數字僅僅只有4.57億美元，年復合增長率預計為57.6%。無線充電技術備受國際知名手機廠商的重視，未來無線充電器將在手機行業率先進行大力推廣，并有可能會與手機一起捆綁進行銷售。除了手機行業以外，目前在開發的無線充電應用市場還包括家具行業、電信行業、汽車行業、玩具行業、消費電子領域。根據市場調研公司iSuppli的數據顯示，無線充電設備市場在2013年將達到140億美元的規模。無線充電帶來的效益不僅僅是單個無線充電器市場的發展，而是無線充電平臺的打造，即公共移動設備充電站將有可能成為現實，它可以讓你在飛機場、麥當勞、咖啡廳等公共場所隨時隨地進行充電?；蛟S有一天，在沒有數據線連接的情況下，無線充電器不但能給設備充電，還可以實現同步數據和資料傳送功能。而目前的無線充電主要還是接觸式充電，未來還可能是隔空充電，但要實現這些功能，首先要解決的便是充電效率低的問題，而這還需要一段時間。中國是世界最大的無線移動通訊市場，對于便捷、易用、互通、兼容的無線充電產品的需求將呈幾何級別增長。無線充電行業發展的巨大潛力，也能促進中國企業積極參與和研究這一市場，有效地提升企業的產品寬度和競爭能力。中國有強勁的國內消費市場和份額巨大的海外出口，預計中國市場的無線充電技術發展應會很快。如今與此相關的各項核心技術，魯恩科技已經全面解決，可以提供整套PCBA及軟件，為成品廠商提供與國際巨頭同臺競技的強大技術支持。第二章方案論證§2.1方案一微距離無線充電器[4]：將直流電轉換成高頻交流電，然后通過沒有任何有有線連接的原、副線圈之間的互感耦合實現電能的無線饋送。基本方案如圖2-1所示。圖2-1無線電能傳輸方案示意圖本無線充電器由電能發送電路和電能接收與充電控制電路兩部分構成。2.1.1電能發送部分

如圖2-2,無線電能發送單元的供電電源有兩種：220V交流和24V直流（如汽車電源），由繼電器J選擇。按照交流優先的原則，圖中繼電器J的常閉觸點與直流（電池BT1）連接。正常情況下S3處于接通狀態。圖2-2無線電能發送單元電路圖當有交流供電時，整流濾波后的約26V直流使繼電器J吸合，發送電路單元便工作于交流供電方式，此時直流電源BT1與電能發送電路斷開，同時LED1（綠色）發光顯示這一狀態。經繼電器J選擇的+24V直流電主要為發射線圈L1供電，此外，經IC1（78L12）降壓后為集成電路IC2供電，為保證J的動作不影響發送電路的穩定工作，電容C3的容量不得小于2200uF。電能的無線傳送實際上是通過發射線圈L1和接收線圈L2的互感作用實現的，這里L1與L2構成一個無磁芯的變壓器的原、副線圈。為保證足夠的功率和盡可能高的效率，應選擇較高的調制頻率，同時要考慮到器件的高頻特性，經實驗選擇1.6MHz較為合適。IC1為CMOS六非門CD4069,這里只用了三個非門，由F1,F2構成方波振蕩器，產生約1.6MHz的方波，經F3緩沖并整形，得到幅度約11V的方波來激勵VMOS功放管IRF640.足以使其工作在開關狀態（丁類），以保證盡可能高的轉換效率。為保證它與L1C8回路的諧振頻率一致?？蓪4定為100pF,R1待調。為此將R1暫定為3K,并串入可調電阻RP1。在諧振狀態，盡管激勵是方波，但L1中的電壓是同頻正弦波。由此可見，這一部分實際上是個變頻器，它將50Hz的正弦轉變成1.6MHz的正弦。2.1.2電能接收與充電控制部分

正常情況下，接收線圈L2與發射線圈L1相距不過幾cm,且接近同軸，此時可獲得較高的傳輸效率。電能接收與充電控制電路單元的原理如圖2-3所示。L2感應得到的1.6MHz的正弦電壓有效值約有16V（空載）。經橋式整流（由4只1N4148高頻開關二極管構成）和C5濾波，得到約20V的直流。作為充電控制部分的唯一電源。由R4,RP2和TL431構成精密參考電壓4.15V（鋰離子電池的充電終止電壓）經R12接到運放IC的同相輸入端3。當IC2的反相輸入端2低于4.15V時（充電過程中），IC3輸出的高電位一方面使Q4飽和從而在LED2兩端得到約2V的穩定電壓（LED的正向導通具有穩壓特性），Q5與R6、R7便據此構成恒流電路I0=2-0.7R6+R7。另一方面R5使Q3截止，LED3不亮。圖2-3無線電能接收器電路圖當電池充滿（略大于4.15V）時，IC3的反相輸入端2略高于4.15V。運放便輸出低電位，此時Q4截止，恒流管Q5因完全得不到偏流而截止，因而停止充電。同時運放輸出的低電位經R8使Q3導通，點亮LED3作為充滿狀態指示。兩種充電模式由R6、R7決定。這個非序列值可以在E24序列電阻的標稱值為918的電阻中找到，就用918的也行。

§2.2方案二:石英晶體振蕩器2.2.1方波信號的產生圖2-4方波生成電路圖由于石英晶體振蕩器產生的波形穩定性很高，選頻特性非常好，它有一個穩定的串聯諧振頻率fs，且等效品質因數Q值也很高，只有頻率為fs的信號最容易通過，而其他的頻率的信號群會被晶體所衰減。圖中并聯在兩個反相器輸入輸出間的電阻R1、R2的作用是使反相器工作在現行放大區，R的阻值，對于TTL門電路通常在0.7~2kΩ之間，對于CMOS門則常在10-100MΩ之間；電路中電容C1用于兩個反相器間的耦合；C2的作用是抑制高次諧波，以保證穩定的頻率輸出；電容C2的選擇應使RC2并聯網絡在fs處產生極點，以減少諧振信號損失；C1的選擇應使C1在頻率為fs的容抗可以忽略不計。電路的振蕩頻率僅取決于石英晶體的串聯諧振頻率fs，而與電路中RC的值無關。第三個CMOS反相器的功能是改善輸出波形，增強帶負載能力。R1=R2=2MΩ，晶振X1=2M(因mulitisim中無2M晶振，故選擇3M)，故由應滿足的公式：2πRC2fs=1得出C2≈1nF。但是，由于在實際電路中，石英晶體晶體振蕩器產生的方波信號為22kHz,并沒有產生所需的2MHz的方波信號，故舍棄方案?！?.3方案三:門電路組成的多諧振蕩與丁類功率放大器2.3.1門電路組成的多諧振蕩圖2-5多諧振蕩電路圖上圖門電路參考數字電路（康華光）的教材設計的組成的多諧振蕩電路圖，該電路由30pf可調電容C1、5KΩ的R1和R2、兩個10KΩ的可調電阻R3和R4、三個CMOS非門組成；該電路的震蕩的過程是通過電容C充放電作用來實現的。補償電阻R4、R2可減小電源電壓對振蕩頻率的影響。振蕩周期理論值計算：T=1/fs=RCln4≈1.4(R1+R3)C1（C1=30pf，fs=2MHz）2.3.2丁類功率放大器丁類功率電路特點：效率高，產生的熱量少，丁類功率放大器電路的基本設計思想是，要求功率管在導通時，飽和管壓降為零；截止時，流過功率管的電流為零。顯然，這時的功率管處于開關工作狀態，三極管放大器采用CMOS管IRF640,L1參數大小由網上所買的元器件所給，約30uH；為達到2MHz的諧振頻率，由公式f=1/(2π(RC))得出C≈400pf,C由C2和C3并聯得到；實際用100pf可調電容。R5起到分壓的作用；S極和D極電阻決定放大倍數。放大倍數由Rd/Rs決定。實際取Rd=100Ω，Rs=5.1kΩ。圖2-6丁類功率放大器2.3.3發射電路圖2-7發射電路此電路為數電中描述的用門電路組成的多諧振蕩器。原理是通過電容C1充放電作用。振蕩周期理論值計算：T=1/f=RCln4≈1.4(R1+R3)C1；（C1=30pf）當R3=0時，f=7.1MHz；當R3=10KΩ時，f=2.38MHz；實際電路電容C1為可調100pf；振蕩周期實際值：波形不失真的狀況下500k~2.68MHz；滿足波形不失真情況，故該電路為所選方案。第三章方案實施§3.1發射電路圖3-1發射電路原理圖3.1.1門電路多諧振蕩電路組成及工作原理[5]：

由門電路組成的多諧振蕩器的特點：

產生高、低電平的開關器件，如門電路、電壓比較器、BJT等具有反饋網絡，將輸出電壓恰當的反饋給開關器件使之改變輸出狀態

有延遲環節，利用RC電路的充、放電特性可實現延時，以獲得所需要的振蕩頻率（在許多實用電路中，反饋網絡兼有延時的作用）

一種由CMOS門電路組成的多諧振蕩器如圖3-2所示。

圖3-2由CMOS門電路組成的多諧振蕩器

其原理圖和工作波形圖分別如圖3-3（a)、(b)所示。

（a）多諧振蕩器原理圖（b）多諧振蕩器波形圖

圖3-3多諧振蕩器原理圖和波形圖

圖a中D1

、D2

、D3

、D4均為保護二極管。

為了討論方便，在電路分析中，假定門電路的電壓傳輸特性曲線為理想化的折線，即：

VON為開門電平，VOFF為關門電平，

Vth為門坎電平（閾值電平）。

第一暫穩態及電路自動翻轉的過程

假定在t=0時接通電源，電容C尚未充電，電路初始狀態，即第一暫穩態

V01=VOH

，

vI=v02=VOL

此時，電源

VDD經G1的Tp管、R和G2的TN管給電容C充電，如圖3-2(a)所示。隨著充電時間的增加，vI的值不斷上升，當vI達到Vth時，電路發生下述正反饋過程：

這一正反饋過程瞬間完成，使G1導通，G2截止，電路進入第二暫穩態

V01=VOLV02=VOH。

（2）第二暫穩態及電路自動翻轉的過程

電路進入第二穩態瞬間，v02由0V上跳至

VDD，由于電容兩端電壓不能突變，則vI也將上跳

，本應升至VDD+Vth

，但由于保護二極管的鉗位作用，

vI僅上跳至VDD+?V+

。隨后，電容C通過G2的T1、電阻R和G1的TN放電，使vI下降，當vI降至

后，電路又產生如下正反饋過程：

從而使G1迅速截止，G2迅速導通，電路又回到第一暫穩步態，V01=VOH，vI=v02=VOL。此后，電路重復上述過程，周而復始地從一個穩態翻轉到另一個暫穩態，在

G2的輸出端得到方波。

由上述分析不難看出，多諧振蕩器的兩個暫穩態的轉換過程是通過電容C充、放電作用來實現，電容的充、放電作用又集中體現在圖中vI

的變化上。因此，在分析中要著重注意vI的波形。

2.振蕩周期的計算

狀態轉換：主要取決于電容的充、放電

振蕩過程中

轉換時刻：決定于vI的數值

根據以上分析所得電路在狀態轉換時vI

的幾個特征值，可以計算出圖3-2(b)中的T1

、T2

值。

（1）T1的計算對應于第一暫穩態，將圖3-2(b)中t1

作為時間起點,

根據RC電路瞬態響應的分析，有

（2）T2的計算

對應于圖3-2(b),在第二暫穩態，將t2

作為時間起點，

由此可求出

所以

將Vth=VDD/2代入，上式變為

圖3-2是一種最簡型多諧振蕩器,上式僅適于R?RON(P)+RON(N)[

RON(P)、RON(N)分別為CMOS門中NMOS、PMOS管的導通電阻]、C遠大于電路分布電容的情況。當電源電壓波動時，會使振蕩頻率不穩定，在Vth=VDD/2

時，影響尤為嚴重。一般可在圖3-2中增加一個補償電阻RS

，如圖3-4所示。RS可減小電源電壓變化對振蕩頻率的影響。當Vth=VDD/2

時，取RS?R（一般取RS=10R

）。

圖3-4

加補償電阻的CMOS多諧振蕩器3.1.2XKT-4081）．簡介[6]：

XKT-408系列集成電路，采用CMOS制程工藝，具有精度高、穩定性能好等特點，其專門用于無線感應智能充電、供電管理系統中，可靠性能高。XKT-408負責處理該系統中的無線電能傳輸功能，采用電磁能量轉換原理并配合接收部分做能量轉換及電路的實時監控；負責各種

電池的快速充電智能控制，XKT-408只需配合

極少

的外部元件就可以做成高可靠的無線快速

充電器、無線電源供電器。

．特點：

*

自動頻率鎖定

*

自動檢測負載

*

自動功率控制

*

高速能量輸出傳送

*

高效電磁能量轉換

*

高密度能量輸出

*

智能檢測系統，免調試

*

工作電壓：DC

3V~15V

*

高度集成化，僅幾個普通外圍元件

*

經過嚴格測試及批量生產，性能穩定

3）．腳位圖及說明：

4）．工作極限參數：

工作溫度：-55℃to+125℃

存儲溫度：-65℃to+150℃

最大工作電壓：15V

輸出驅動電流：800mA3.1.3T5336T5336系列集成電路，采用的也是CMOS制作工藝，專門用于無線智能充電中，與XTK-408A配合可形成良好的發射控制電路，自動控制發射線圈的電磁波發射電壓和頻率。LC振蕩電路在振蕩過程中由于線圈的內阻不能忽略且在能量傳輸過程的能量損耗導致電路中振蕩電流肯定會大幅衰減，這時通過控制T5336的7、8號輸出口電壓，調整LC振蕩電路兩端的電壓，用以補償電路中阻抗和能量傳輸損耗的電壓，使發射線圈的發射的電磁波維持穩定正弦交流變化?！?.2接收電路圖3-5接收電路圖3.2.1TD1583能夠使輸出電壓是穩定的5V引腳及說明[7]：1，6，8NC無2VIN電源電壓輸入引腳。td1583在3.6V至28V直流電壓。旁路到GND接適當大的電容器以消除輸入噪聲的影響。3SW開關電源輸出引腳。SW是功率輸出的開關節點。4GND接地5FB反饋引腳。通過一個外部電阻分壓網絡，FB可以調節輸出電壓。反饋閾值電壓1.222v。7EN使能引腳。EN是一個數字輸入，來調節裝置的開啟或關閉。高電平開啟裝置，低電平關閉。第四章電路的仿真與調試§4.1發送部分4.1.1方波信號的產生門電路組成的多諧振蕩利用MULTISIM繪制出如圖4-1所示的仿真實驗電路圖4-1門電路組成的多諧振蕩仿真圖（2）按圖設置各元件的參數，打開仿真開關，從示波器上兩個通道觀察輸出波形以及與輸入信號的關系。如4-2圖所示。圖4-2仿真波形圖4.1.2發送模塊整體電路（1）利用MULTISIM繪制出如圖4-3所示的仿真實驗電路圖4-3發送模塊整體電路發仿真圖按圖設置各元件的參數，打開仿真開關，從示波器上兩個通道觀察輸出波形以及與輸入信號的關系。如4-4圖所示。圖4-4仿真波形圖4.1.3實際電路的測試實際發射電路示波器仿真波形，如4-5圖所示。圖4-5示波器仿真波形(2)實際電路測試數據發射線圈：銅線線徑φ0.6mm,線圈外徑50mm,繞17匝

接收線圈同發射線圈

發射線圈接上12V電源:待機工作電流200mA

負載為4.2V600mAH聚合物鋰電池測試數據如表4-1所示表4-1實際電路測試數據線圈距離(mm)接收電壓(V)充電電流(mA)線圈距離(mm)接收電壓(V)充電電流(mA)15800115132257101251203560013511045450145705536015554653101654175240175288521018519951621951710515020510由表格中的數據可以看到:此電路可以輸出穩電的5V電壓，且最大電流超過500mA，可以在20mm內給4.2V600mAH聚合物鋰電池充電。第五章結論本設計由于本人的知識有限，制作工藝，測試條件等等各方面的限制下，在制作過程中，元器件的選擇，電路調試的繁瑣，給本設計帶來了很大影響。在老師與同學的幫助，一次次的解決了問題，但是最終本設計沒能達到一個完美的功能體現。本設計也僅是作為可行性的探索，目標功能仍然僅僅局限于小容量鋰電池或者鋰聚合物電池，而應用到這些電池的，一般都是我們隨身的電子產品，如MP3，手機等等。如果要將這個設計推廣到大容量電池，從原則上來說，是不存在問題的。當然每一個設想從創意，到市場上大量生產銷售，這是一個極為漫長的過程，中間需要考慮的問題，有很多很多，但是我們看得到這個設計所能體現出來的價值。因此，對于無線充電器的研究，我們已經繼續前行。我們看整個充電器的行業，有線充電器仍然占據了主導的部分，傳統的有限充電器的工作原理是將市電經過變壓器變壓之后，變為小幅度電流，然后經過橋式整流從而成為直流電，為電器充電。在這一點上面，傳統的有線充電器和本設計所做的無線充電器基礎理論大致上是一致的，但是對比于有線充電，無線充電對于我們的生活細節來說，可以提供更為便利的體驗。我們完全可以想象，即便是在公共場所，只要有設置了無線充電點，人們日常生活路過該點，拿出我們的電子設備，即可進行充電，這對我們來說，是多么美好的一個想法，并且這個想法是現實的，可以實現的。結束語本文設計的是無線充電器，用電磁轉換與磁耦合技術用于無線充電器中，實現了微距離無線充電：在5V的直流輸入下，通過一個10uF的電容整流之后，保持輸入電壓恒定。在XKT-408A的控制下，通過T5336輸出一個可控的低電壓。直流電壓與T5336的輸出電壓的電壓差控制L1和C3的LC振蕩電路，發射出穩定的高頻電磁波。經接收線圈接收后，由td1583控制輸出穩定的5V電壓給電池充電。此次設計中主要是做了以下幾件事：發射電路的選擇電路的仿真與調試電路的焊接與測試盡管此次無線充電器的設計，并且達到了基本的目標，但仍需要我對實驗中的錯誤反思。我會在以后的學習中更加努力，在這個方面進行更加深入的學習，繼