手机无线充电器设计.doc

毕 业 设 计 手机无线充电器设计学生姓名： 专业班级：电气工程及其自动化 指导教师： 学 院： 手机无线充电器设计摘 要随着人类社会的不断发展，科技不断进步，智能手机得以普及，给人们带来了前所未有的科技体验，智能手机耗电快、电池续航短、充电频繁带来的接口损坏以及充电宝携带不便等问题也让手机无线充电器迎来发展的契机。基于此，本次毕业设计将设计一个手机无线充电器。提供更好的生活方式。本文将设计一个微距手机无线充电器，充电距离只有几厘米，或者通过接触进行充电，可对一般手机锂电池充电，充电定压不会不超过5V。无线充电器的基本原理根本上还是电磁感应原理，并不是什么新兴技术。本文的主要内容是设计充电器的电路，元器件的选择。无线充电器的电路部分的设计主要分为电能发射部分、电能接收转换部分、充电部分。若电源为交流电，首先经过整流电路整流、滤波，在高频震荡电路产生高频振荡，经过功率放大电路，通过线圈L1发射出去，线圈L2接收到来自L1辐射的电能，同样经过整流滤波以后，由一个纯控制电路来控制，给电池充电。这就是整个充电器的设计方案。本文将设计的无线充电器充电距离为微距，甚至需要通过接触进行充电，充电容量针对一般手机锂电池。整体电路的设计秉承分块设计，功能集中体现的思想：分成几个电路模块来设计，最终结合在一起实现无线充电的功能。电路设计将按现在手机无线充电器的一贯设计方式。关键词 无线充电 电磁感应 互感 微距 Mobile Wireless charger designAbstractWith the continuous development of human society, science and technology progress, the smart phone has gained popularity, has provided people with unprecedented experience science and technology, intelligent mobile phone power fast charging, battery life is short, frequent damage interface and charging treasure carry inconvenience and other issues also makes wireless charger for mobile phone development opportunities. Based on this, this graduation design will design a mobile wireless charger. Provide a better way of life. This paper will design a macro cell phone charger, wireless charging distance is only a few centimeters, or through contact, but for the average cell phone lithium battery, charging constant pressure may be no more than 5 v. The basic principle of wireless charger fundamentally or electromagnetic induction principle, and not what emerging technologies. The main content of this paper is to design a charger circuit, the choice of components. Wireless charger circuit part of the design is mainly divided into electricity transmitting parts, power receiving transformation, charging part. If the power supply for alternating current (ac), first through the rectifier circuit rectifier, filter, high-frequency oscillation in the high frequency oscillation circuit, a power amplifier circuit, through the coil L1 launch out, coil L2 received from L1 radiation power, also after rectifying filtering, by a pure control circuit to control, to recharge the battery. This is the design of the charger. In this paper, the design of a wireless charger for macro, charging by contact will be required, even for normal cell phone lithium battery charging capacity. The whole circuit design of adhering to the block design, function embodied mind: into several circuit module to design, finally together, we can realize the function of wireless charging. Circuit design will be effected according to the mobile wireless charger now consistent design approach.Keywords Wireless charging Electromagnetic induction Mutual inductance microspur目 录摘要Abstract目录IV1 前言11.1 无线充电技术的概述11.2 无线充电技术背景11.3 无线充电技术的发展11.3.1 国内外发展现状21.3.2 无线充电市场前景41.3.3 最新发展趋势的现状51.3.4 手机无线充电器发展现状72 方案原理82.1 技术原理82.1.1 电磁感应式无线充电82.1.2 磁共振式无线充电92.1.3 无线电波方式92.1.4 电场耦合式102.2 解决方案选择112.3 电磁感应定律122.4 本章小结133 系统设计143.1 无线充电器原理与结构143.2 电能发送部分电路设计143.2.1 高频振荡电路模块143.2.2 功率放大模块143.2.3 发射模块153.2.4 电路设计163.3 电能接收转换与充电部分电路设计163.3.1 接收电路模块163.3.2 控制电路模块173.3.3 电路设计173.4 主要元器件选择183.5 本章小结194 充电器工作过程204.1 电能发射部分204.2 电能接收部分与充电部分204.2.1 充电过程中214.2.2 停止充电工作状态214.3 调试224.4 性能测试234.5 本章小结24结论25参考文献26附录27致谢284 充电器工作过程1 前 言1.1 无线充电技术的概述无线充电技术（Wireless charge technology ）。无线充电技术，也就是无线电力输送技术1。无线充电，又名感应充电、非接触式感应充电。无线充电，简而言之就是在没有任何导电线的情况下进行充电，只是以空气为介质就可实现电能传输的充电方式，为设备进行充电。是利用近场感应，即电感耦合原理，由供电设备将能量传送至用电设备的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。能量以电磁波形式通过电感耦合由电源传送至用电设备，两者之间不用电线连接，实现了无线充电的真正含2。1.2 无线充电技术背景 随着科技与社会的进步，随着像智能手机，智能手表、手环、平板电脑等各种形形色色的电子产品进入我们的生活，人们对充电方式也提出了新的要求。它们在为我们的生活带来便利与乐趣的同时，也存在很多问题。首先是续航时间短带来的问题，现在电子产品为追求用户体验多采用超大屏幕，加上现在智能手机内置各种功能软件硬件，现在人们使用手机的频率也大大提高，锂电池需要满足体积不能太大的情况下，续航时间就变得尤为短。所以需要频繁的给手机充电，而有线充电也就意味着需要频繁的插拔充电线，极易损坏手机。其次，现代电子产品采用的有线充电存在较多弊端，如果环境潮湿，充电线容易在充电的时候短路或者漏电，损坏充电线和手机。有线充电需要充电线才能进行，每种电子产品或者同类电子产品就需要不同的充电线，不能一线多充，也就是说如果出门就需要携带一堆不同的充电线，携带很不方便。 有线充电已经远远不能满足人们对生活品质的追求，这种情况下，无线充电应运而生。无线充电顾名思义即利用无线电能传输技术实现电能传输进而对电子产品进行充电，虽然无线充电技术不算是一种新兴技术，只是基于无线电力传输技术的一种新应用，但是它仍然是一种朝阳产品，在国内的运用才刚刚起步，即使在国外也运用得并不广泛，它仍然是一种不断发展不断完善的的技术，它的运用和它未来的产业将会越来越大3。1.3 无线充电技术的发展从1820年安培发现电流可以产生磁场开始，电与磁就紧密的联系在了一起，在该领域相继有了更多发现。1831年8月，迈克尔法拉第发现了一种现象：即穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中都会有电流产生，利用磁场产生电流的现象，也就是电磁感应现象4。电磁感应现象的发现为后来1864年麦克斯韦建立电磁场理论有深刻的影响，同时还建立了统一电磁方程，用数学的方法描述出电磁场中各物理量的关系。之后基于电磁学理论的发现。如雨后春笋般涌现：1889年，尼古拉特斯拉已经取得交流电专利权，正进行着无线电力传输相关实验（图1-1），1891年，他证实了无线能量传输，于是他做了一个伟大的构想：将地球与电离层做成一个巨型的无线能量传输系统，以电磁波来传导能量，这是最早期的无线电能传输系统，为后来的无线充电技术的发展奠定了理论基础。 图1-1 特拉斯无线电力传输实验1.3.1 国内外发展现状2007年6月，美国麻省理工学院马林索尔贾希克（MarinSoljacic）团队在长达4年的实验研究中终于获得重大突破。他们在实验中使用了两个直径为50cm的铜线圈，通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振，从而成功点亮了距离电力发射端2m以外的一盏60W灯泡5。而且，即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其它电器，都不会影响灯泡发光通过无线电力传输技术成功点亮了一盏60w的灯（图1-2），该项实验最远能量传输距离为2.7米，但是研究者认为该距离已经足够可以给用电器充电，甚至给屋子里所有用电器充电，这是可以实现的。图1-2 无线电力实验2010年9月，日本富士通实验室的研究人员开发了一种无线充电系统，可同时给数厘米范围内的各种小型移动设备充电，无需使用电缆6。富士通的系统则是基于磁共振原理，电能可在两个共振频率相同的线圈之间无线传递。2011年3月9日，第一辆无线充电电动车“网上电动车”（Online Electric Vehicle/OLEV)在韩国在韩国京畿道果川市的首尔大公园投入使用7。如图1-3。2013 年芬兰首都机场，为乘客免费提供无线充电器。 图1-3 韩国推出全球第一辆路面充电电动车在强大的市场需求下，无线充电技术的应用日益壮大，各大公司的相关产品也层出穷，逐渐代替传统技术下的产品，无线充电技术日趋成熟。也将会应用在更广阔的领域。为了促进无线充电技术的进一步发展，2008年，由德州仪器、美国国家半导体、奥林巴斯、飞利浦电子等等著名的电子制造企业共同组建了世界第一个无线充电组织联盟WPC。该联盟目前已有109家企业会员。在WPC联盟会员中，手机行业率先加入，包括三星、华为、诺基亚、黑莓等。2010年联盟还制定了统一的无线充电标准 Qi，用来提高各企业不同产品之间的兼容性。目前，Qi采用现下最主流的无线充电技术，即电磁感应技术。继WPC成立之后，2012年3月和5月相继又出现Power Matters Alliance（PMA）、Alliance for Wireless Power（A4WP）两大无线充电联盟，采取不一样的充电标准，从而各大企业分成三大阵营8。三大联盟的会员也就采用了三种不同的无线充电标准，用不同的标准开发产品使得各个公司的产品之间的兼容性很差，用三种不同的标准进行研究，这也是是无线充电技术发展缓慢的重要原因之一。 2014年2月，PWM与A4WP两大标准宣布互通，预示着无线充技术的发展又朝前迈进一步9。我国在无线充电技术方面的起步明显滞后于其他国家，还处于发展的初级阶段，近几年在国外市场旋风般的影响下，以及巨大的市场前景，我国的无线充电技术取得了一些可喜的成果。我国深圳双飞燕有限公司于2004年推出过一款不用接USB接口的无线充电鼠标，实现了真正意义上的无线鼠标，由无线电能发射端插入电脑 USB 接口，以空气为介质给鼠标充电，利用的就是无线充电技术。图1-4 双飞燕AK-30免电池无线充电鼠标比亚迪早在2005年12月就申请了非接触感应式充电器专利，并在2014年7月卖给犹他大学一辆40英尺的纯电动巴士，这款巴士就装配着最新的WAVE无线充电垫，应用的即是当时的该项专利，该项专利应用的电磁感应技术。2005年，由香港城市大学许树源教授成功研制的基于 ICPT 的“无线充电平台”，该平台是利用低频磁场对电子产品进行自动充电，可数个电子设备同时进行，充电时间与正常有线一样。美国安利企业率先将无线充电技术应用于净水器中，为内置于滤芯中的紫外线消毒设备提供实时的无线充电，避免了因为消毒设备没电而带来的麻烦，提高其安全性，也为简化了产品功能模块。2010 年 9 月，无线充电联盟WPC将无线充电标准Qi率先引入中国。在2011 年美国消费电子展会（Consumer Electronic Show，CES） 上，海尔公司推出了概念性的 “无尾电视”，该电视突破传统电视局限，没有任何外置接线口，没有网络线、信号线、电源线。 2013 年 1 月，哈尔滨工业大学发布了基于磁共振的无线充电技术，能够达到一米以外的充电距离。国内已经迎来了无线充电技术蓬勃发展的时代，终端企业已经拥有足够的技术储备。有如像华为技术有限公司一样的早在2012 年初称其已经完全储备有无线充电相关技术，准备随时开发应用相关技术的新产品。图1-5海尔无尾电视1.3.2 无线充电市场前景今年的诺基亚纽约发布会上，诺基亚向我们展示了回家以后随手把手机放上充电垫边充电边听音乐的场景。Lumia920 内置了无线充电接收器，不久的将来，在美国本土的香啡缤店面和伦敦希思罗机场都将有无线充电器可用。无线充电已从梦想步入现实，从概念变成了商品，未来几年将在手机、PC、电视、电动汽车等领域引领新风尚的趋势。无线充电技术具有非常广阔的市场前景。根据对北美和欧洲市场需求调查报告显示，北美与欧洲市场对无线充电产品表现出极大的兴趣，81%的消费者希望多样的电子产品可以同时充电。这种需求刺激了无线充电产品市场的快速发展。早在几年前，无线充电产品已经进入市场，较为大家所熟知的便是iPhone无线充电器，在日本售卖已经有一年多时间了，其中包括日立麦克赛尔已经推出的符合WPC标准的iPhone系列产品。另外日本NTT DoCoMo公司早在CEATEC2010展会上推出了无线充电手机，并希望在2014年以前该公司推出的所有手机都具备无线充电功能。除了日本厂商以外，目前HTC、摩托罗拉、LG的上市产品中有的也已具备无线充电功能。有分析师预测，20132014年将是无线充电器市场的真正拐点，尽管目前无线充电器市场主要集中在日本和欧美地区，但随着智能设备的增多以及设备功能多样化需求，它的市占率将得到大幅提升。根据市场研究机构Marketsand Markets的一份报告，全球无线充电市场将在未来五年内获得井喷式增长，到2017年将形成超过70亿美元的市场，而在2011年这一数字仅仅只有4.57亿美元，年复合增长率预计为57.6%。无线充电技术备受国际知名手机厂商的重视，未来无线充电器将在手机行业率先进行大力推广，并有可能会与手机一起捆绑进行销售。除了手机行业以外，目前在开发的无线充电应用市场还包括家具行业、电信行业、汽车行业、玩具行业、消费电子领域。根据市场调研公司iSuppli的数据显示，无线充电设备市场在2013年将达到140亿美元的规模。无线充电带来的效益不仅仅是单个无线充电器市场的发展，而是无线充电平台的打造，即公共移动设备充电站将有可能成为现实，它可以让你在飞机场、麦当劳、咖啡厅等公共场所随时随地进行充电。或许有一天，在没有数据线连接的情况下，无线充电器不但能给设备充电，还可以实现同步数据和资料传送功能。而目前的无线充电主要还是接触式充电，未来还可能是隔空充电，但要实现这些功能，首先要解决的便是充电效率低的问题，而这还需要一段时间。中国是世界最大的无线移动通讯市场，对于便捷、易用、互通、兼容的无线充电产品的需求将呈几何级别增长。无线充电行业发展的巨大潜力，也能促进中国企业积极参与和研究这一市场，有效地提升企业的产品宽度和竞争能力。中国有强劲的国内消费市场和份额巨大的海外出口，预计中国市场的无线充电技术发展应会很快。如今与此相关的各项核心技术，鲁恩科技已经全面解决，可以提供整套PCBA及软件，为成品厂商提供与国际巨头同台竞技的强大技术支持。1.3.3 最新发展趋势的现状1.3.3.1 领域扩大化据研究这讨论认为，无线充电技术在未来的应用前景广阔，市场前景也被看好，业内专业机构预计2017年世界无线充电市场将达到73亿美元。无线充电技术本身及相关技术都日趋成熟，加上现在市场上对无线充电的相关电子产品需求量不断增长，人们对无线充电技术便有了更多期待，这也是无线充电技术应用领域不断扩大化的主要原因之一。无线充电技术在早期不够纯熟，传输功率比较小，最早应用于像手机、MP3、耳机这一类功率低，功耗小的电子产品领域。现在，无线充电技术逐渐成熟，传输功率也不断增加，开始应用在更多的电子产品领域，功耗增大，范围更广。首先就是医疗领域，无线充电技术的发展无疑的也推动了医疗器械的改革，它改变了传统的植入式医疗电子产品的供电方式，不再需要定期更换电池，所以也避免了更换电池带来的一切手术后果。例如心脏调节器、心脏起搏器、内窥镜等都有应用。其次是交通运输领域，已经出现了无线充电的电动汽车，目前，无线充电的电动汽车在各大汽车制造公司成为大热之势，纷纷研发自己的无线充电汽车。现在无线充电技术在交通运输方面的应用成为研究的热点。早在2011年3月9日，韩国推出全球第一辆无线充电电动车“网上电动车”。再次，家电行业也早有无线充电技术的应用范例，例如最早的安利公司推出的的无线充电净水器，用无线充电方式为内芯的紫外线消毒设备供电，以及最近的这几年海尔公司推出的“无尾电视”，都采用无线充电方式。未来洗衣机、空调、吸尘器等等都将是无线充电技术应用的发展方向。最后是更宏大的太空领域，建立太空无线电能传输系统，以地球为依托，电离层与地球之间通过电磁波传递能量，将太阳能转化成电能然后供给人类使用，将是一个伟大的构想。无线充电技术的应用领域远远不止这些，在伟大的国防事业，航空航天事业，海洋开发事业，海底探测事业都将有更高的研究价值和研究热点，也将得到更有效的应用。1.3.3.2 发展动力多重化任何一种技术的革新和大热都离不开背后的强大推手，也就是其技术发展的驱动力，无线充电技术也是如此。无线充电起初只是小众技术，属于小范围开发利用，而且也仅仅出现在实验室而已，发展至今，无线充电技术已经活跃在我们视野中，应用于我们生活中各种电子产品，各个国家在该技术上加大投入，争相进行技术竞赛，技术快速发展的因素主要在于市场需求，需求量加大正是一种最强大的驱动力，但不是唯一的驱动力，而是日益多重化：电子产品美观性和安全性要求的提高。社会发展到今天，生活中形形色色的电子类产品在设计上除了在技术上要求精益求精，美观度也在不断提出新的要求，人们的审美也越来越挑剔。电子产品的机身不在设置充电接口，也就不再需要繁杂的充电线，提高了美观度和便携度。同样，没有了充电接口也就减少了因为充电给设备带来的损坏，安全性能也得到更大的改善，设备使用寿命得以延长。 充电端口统一化。从有了充电器开始，充电技术的发展一直没有停止，面对形形色色的充电器的中，相关研究者一直在为了统一同类产品充电端口而努力，为了简化充电器的复杂，然而有线充电器最大程度的统一也只限于同一类别的电子产品，无线充电方式却可以最大程度的实现端口统一化。同一套无线充电设备可以分别给智能手机、智能手环、智能手表、平板电脑等不同产品统一供电，更方便更容易，还节省了制作不同产品不同端口的充电器的材料。科技领域一直提倡环境友好型发展。社会的进步离不开良好的环境，世界各国一直提倡关注全球气候变暖，关注人类生活环境，所以科技的发展也是逐渐朝着绿色环保的方向发展，保持与环境保护步调一致。无线充电端口高度的统一化，节省了大量用来制作不同端口充电器的材料，避免了材料的浪费，同时，方便的充电方式，也减少了用户对电池的需求量，减少电池的生产，即是对环境最大的一种保护，生产电池过程中产生的废物以及废旧电池中的有害物也更少的流入土壤。无线充电的能耗也大大减小，节省能源。应用于电动汽车方面，减少汽车尾气排放。1.3.3.3 发展瓶颈明朗化无线充电技术现下处于一种大热之势，各国争相发展该项技术，投入大量人力物力，各家企业纷纷推陈出新，涌现不少新鲜产品。然而其发展速度与普及速度并不与其投入力度成正比，比人们预料的还慢很多，在巨大的市场需求与投入下，发展瓶颈日益凸显。没有统一标准。无线充电技术发展迅猛，成为现下最热门技术之一，世界各大企业纷纷投入巨资，组织成千上万的专家团队，大大小小的实验室，在这一领域大展拳脚，争相研究。国际上还没有统一的无线充电标准，目前有Qi、A4WP 和 PMA 三大标准，第一，Qi 标准是无线充电联盟WPC（Wireless Power Consortium）制定的标准，依据的是电磁感应原理，具备便携性和通用性的特点，适用于近程小功率的电能传输。第二， A4WP（Alliance for Wireless Power） 标准是由是无线联盟A4WP提出的标准，该联盟由美国高通，韩国三星等公司提出组建，也由他们制定了该标准，该标准采用的是“电磁谐振无线充电”技术，具有传输功率低的特点，适用于中程距离电能传输，较Qi标准距离更远。第三， PMA（Power Matters Alliance）标准是由Duracell Powermat 公司提出的标准，依据电磁感应原理，特点跟采用Qi标准的系统一样，适用于近距，小功率，同样也存在发热，充电位置必须精准等充电困扰。PMA标准是一种符合IEEE协会标准的手机和电子设备的无线供电标准，在无线充电领域中具有一定领导地位。三大联盟各自的会员分成了三大阵营，采用各自的无线充电标准开发的产品，用各自的标准进行技术研究。互不兼容的充电标准导致各自的产品也互不兼容，研究成果也不能共享，这也就直接影响了无线充电技术的发展，导致其进展速度如此缓慢，无线充电相关产品不能更快的普及。传输效率较低，无线充电技术发展一直存在瓶颈，进展缓慢，尤其是传输功率低，效率低，距离短等问题一直是技术发展的难点，也是无线充电需要突破的关键点。尤其是电磁感应式的无线电能传输，线圈产生的磁场辐射到次级线圈时会有大量的能量损耗，一些实验数据表明，能量的传输效率仅在 70%左右，造成的能源浪费问题不可忽视。并且当传输距离保持一定范围内，否则传输效率会因为距离加大而迅速降低，甚至会感应消失，不能进行无线电能传输。良好的感应距离在 5 cm 以下，只能实现近程充电。传输效率低、传输距离短以及以及传输功率，还有充电的设备和环境的受限无疑都是阻碍它发展的重要原因。1.3.4 手机无线充电器发展现状上世纪90年代，无线传输技术只能点亮一盏12W的灯，因此早期无线充电技术最大的困难在于无线电力传输的距离和传输的功率。无线电能传输过程中，以空气作为介质，因此在能量的传输过程中，磁力线损耗极大，尤其是以电磁波形式辐射能量，更容易在空中衰减10。因为当时的技术水平决定了当时的传输功率还较小，加上损耗大，传输效率不高，同时还要考虑裸露的磁场对人体是否造成伤害。还有一大因素，就是充电距离问题，即使能实现无线充电，但是当时并没有做到真正意义上无线传输，距离仅仅只有几厘米，甚至需要接触充电。所以当时无线充电技术率先在手机等小型电子产品领域被应用。各大电子制造商开始在手机上进行激烈的技术竞赛，这无疑推动着无线充电技术的更快的发展。2011年2月10日，惠普公司在旧金山发布了最新的一款手机Palm pre3。这款手机在当时来说，不仅在性能上独树一帜，还有一个特别的亮点就是支持Touchstone点金石充电平台进行无线充电。此举宣告了无线充电技术开始大规模应用在手机商用领域。不过采用的当时非主流的Android和iOS系统，这款手机并没有达到大热的局面，反而是其点金石（Touchstone）无线充电平台在电子发烧友中广泛流传。该充电平台的主要亮点首先是可对手机进行无线充电，其次是充电器能够自动感知手机的位置并实时调整进而保持正常充电。将不同款手机进行改装，使其可以利用点金石（Touchstone）进行无线充电，成为了当时电子发烧友的一种潮流。在之后的一段时间里，iPhone5和三星的Galaxy S III都曾经流传出要引用无线充电技术，但最后都无疾而终。2012年9月，诺基亚发布了Lumia920和Lumia820两款手机，这两款手机的出现代表了无线充电技术在手机领域的应用正式普遍的进入人们的生活中。现下有很多手机无线充电器：三星S6手机环形无线充电器；LG公司 G4手机无线充电皮套；果时代的无线通用充电器等等等。国内手机制造行业也开始大量生产采用无线充电方式的手机，华为荣耀系列荣耀8支持无线充电；OPPO finder无线充电套装也采用无线充电。2 方案原理2.1 技术原理从无线充电技术的原理和解决方案来说，目前主要有电磁感应式、电场耦合式、磁共振式、无线电波式四种。这四种解决方案分别适用于近距、中程距、远程距不同距离段的电能传输。2.1.1 电磁感应式无线充电当前最主流、最成熟的技术方案是电磁感应式，应用也最普遍的。利用的是最基本的电磁感应原理，与变压器工作原理类似，发送端与接收端两端各为一个线圈，发送线圈上通过固定频率的交流电，通过线圈之间互感耦合作用在次级线圈产生交流电，从而能量从发送端传输到接收端，如图2-1。Powermat公司曾经推出一款WiCC充电卡，跟SD卡一般的大小，插入现有智能手机电池旁边即可为手机无线充电，该卡采用电磁感应式充电方案。图2-1电磁感应方式充电如何用电磁感应方式实现手机无线充电系统，设计原理很简单。无线充电技术利用近场感应原理，先将直流电转换成高频交流电，经过功率放大后，通过原、副线圈之间的互感耦合实现电能的无线馈送，再经过整流滤波、稳压、充电管理，最终实现无线充电。基本方案如图2-2所示。图2-2电磁感应式无线充电器原理示意图由图可以看出，充电器将分成两部分，发送部分与电源连接，接收部分与锂电池连接，应该是内置于手机。2.1.2 磁共振式无线充电磁共振式也称近场谐振式，原理是由发送与接收两部分装置组成的系统中由两装置之间通过共振传导能量，即两装置在一相同频率发生共振，通过共振传递能量，原理跟声音的共振是一样的11。在磁场中拥有相同振动频率的两个线圈，它们之间就可以发生电能传输。如图2-3。该种解决方案的技术难点在于如何实现高效率化和小型化，专家认为磁共振式是将来最适合广泛应用于电动汽车的无线充电方式。2007年6月，美国麻省理工学院马林索尔贾希克（MarinSoljacic）团队用两个相隔两米外的电铜线圈，成功点亮了一盏60w的灯，利用的就是磁共振式无线充电原理。 图2-3 磁共振式无线充电示意图 磁共振式无线充电系统的示意图如图2-4，正如以上所说，磁共振的传输电能的本质是依靠两线圈产生共振传递能量。图2-4磁共振式无线充电系统2.1.3 无线电波方式基本原理类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，典型的是20世纪60年代布朗（William C. Brown）的微波输电系统11。其示意图如图2-5。整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线3部分,微波源内有磁控管，能控制源在2. 45 GHz频段输出一定的功率，发射天线是64个缝隙的天线阵，接收天线拥有25%的收集和转换效率11。日本龙谷大学设计的可移动无线充电系统，即是采用无线电波式充电，通过发送频率为2.45GHz 的微波，给移动中的模型警车的警灯供电11。图2-5无线电波式电能传输2.1.4 电场耦合式其基本原理是利用通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能，通过电场将电能从发送端传输到接收端11。村田制作所开发的一种基于电场耦合原理的无线充电系统，其原理如图2-6所示，以淡蓝色标示的部分产生强感应电场，通过电场将电力从送电侧转移到受电侧。用到的两组电极，村田制作所将其称为active electrode和passive electrode。图2-6电场耦合式充电示意图电场耦合式无线充电系统的原理图如图2-7，沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能，通过电场将电能从发送端传输到接收端。无线供电系统的供电部分是由供电模块和供电电极组成的，而接收部分则是由接收电极、接收模块和DC-DC转换器组成的。通过电源电路设计技术，为供电模块设计了电源电路，并在供电模块中安装了能够确保产品安全性的控制电路。 来自供电模块的被转换成交流电的电流在经过由供电电极和接收电极之间形成的耦合电容的耦合后，被传递到接收部分。 通过在接收部分安装了整流电路和电压转换电路，无线供电系统能够向电池和电子设备提供稳定的直流电。 图2-7电场耦合式无线充电原理示意图2.2 解决方案选择各种无线充电方式都有各自的特点，如表2-1所示：表2-1四种充电方案比较 无线充电方式电磁感应式磁共振式无线电波式电场耦合式英文Magnetic inductionResonanceRadio ReceptionCapacitiveCoupling原理电流通过线圈，线圈产生磁场，对附近线圈产生感应电动势，产生感应电流发送端能量遇到共振频率相同的接收端，通过共振传递能量将环境中的电磁波转换成电流，电流通过电路传输沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能传输功率数w-5w数千w大于100mw1-10w传输距离数mm-数cm数cm=数m大于10m数mm-数cm 使用频率范围22KHz13.56MHz2.45GHz560-700kHz充电效率80%50%38%70%-80%优点适合短距离充电；转换效率较高适合大功率远距充电；转换功率适中适合远距小功率充电；自动随时随地充电适合短距小功率充电；转换效率较高；发热较低；位置可不固定限制特定的充电位置，充电中不可随意改变；金属感应接触容易发热转换效率较低；还有辐射危害健康等问题转换效率较低；充电较长（传输功率较小）充电系统较大；功率较小解决方案供应商Ti Powermat Splashpower等MIT Intel 日本富士通PowercastMurata村田制作所 电磁感应式：电磁感应式是比较主流的无线充电方式，也是目前市场上的产品中应用最广泛，技术最成熟的一种无线充电方式。无线充电联盟WPC所制定的Qi标准采用的即是电磁感应式。适合微距，小功率传输12。 磁共振式：磁共振式是现下研究最热的技术，被众多业内人士看好，有望成为未来最广泛应用于电动汽车行业的充电方式。目前，磁场共振式无线充电在技术上存在难点，例如如何实现系统的高效率化、小型化，都是亟待解决的技术问题。现在的技术水平大约是直径半米的线圈，能在1m左右的距离提供60w的电力。特点是较大功率，传输距离更远。电磁波送电方式：有专家提出在太空建太阳能发电站，依据的原理就是无线电波送电原理，如果未来实现，可能解决人类能源危机，但这项技术目前还处在研究的初级阶段，不够成熟。电场耦合式：电耦合技术的技术难点在于解决距离问题，其次小型化、大功率也是该项技术的发展瓶颈，该技术未来的应用前景非常广泛，需要时间来突破。目前有一项比较有前景的研究项目，通过使用具有延伸性的材质，让线圈处于同一个范围的谐振频率，达到更远程充电。适合近程距离的充电。本文将采用市场上最主流的电磁感应式来设计手机无线充电器，也属于本人力所能及的办法，一般来说，利用电磁感应原理的无线供电技术最具现实性，并且现在手机无线充电器大多采用这一方式。综合考虑，本文将基于电磁感应原理设计一个微距的手机无线充电器。2.3 电磁感应定律电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化，对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。若闭合电路为一个n匝的线圈，则又可表示为：式中n为线圈匝数，为磁通量变化量，单位Wb ，t为发生变化所用