制作无线充电器以及对功率参数的测量

最近做了一个无线充电的玩意儿，，是采用磁耦合式制作的，做这种东西，功率问题很难解决，一下是技术报告的摘抄：

    1 绪 论

    随着ios、Android手机和平板电脑的普及，手机电池充电变得越来越重要，由此孕育而生的无线充电技术也越来越受到研究人员的重视，当今社会人们对移动设备要求越来越高，截止2013年10月，我国移动手机用户总数首次突破12亿大关，达到12.07亿户，移动互联网用户渗透率达到67.9%，手机上网成为移动用户首选方式，因此研发一种更加便捷的无线充电技术迫在眉睫，反观无线充电技术的现状，从袖珍型消费电子产品、家用电器到交通工具、无线充电技术已经慢慢的融入我们的生活，但是目前市场占有率还不高，主要受到传输功率等问题的困扰，随着3G网络和智能手机的普及，手机的功能越来越强大，屏幕越来越大，同时，手机的耗电量也在迅速攀升。有数据显示，视屏播放的耗电量是普通语音业务的2~3倍。过去待机时间的长短很大程度决定于电池的性能。然而，根据市场调研，在短期内，手机电池的技术不会有重大突破，燃料电池以及太阳能充电电池都还没有达到商业化的程度。

     尽管得益于网盘、wifi、无线电传输等新兴技术的崛起，使得电池的耗电量的进一步增加，所以如果人们的手机能无时无刻处于充电状态那将是一种美好的愿望，甚至在旅途中，只需要把手机放在桌面就能自行充电，彻彻底底摆脱了对充电器的依赖，甚至发展到以后人们再也没有手机去充电的概念，应该人们的手机在无时无刻在充电，地铁、火车、办公室、家里都装有无线充电装置。手机无线充电的实现将给手机用户带来极大的便捷。手机无线充电技术引入电磁感应技术、磁场共振技术，是手机技术在充电方面的再次进化和发展的方向。

    无线充电技术不再受手机和有线充电器的接口匹配的限制,充电器可以检测任何正确放置在其表面上的可充电设备,只要满足充电要求充电器就会发射能量给手机,充满电时手机和充电器还可以进入节电待机状态。除了智能便捷的充电方式和可减少资源浪费等优点,相对于有线充电,无线充电还有安全性的优势,它可以在特殊环境下使用,比如潮湿的环境下使用,因为充电器和手机之间充电时不需要有金属的物理连接。这是有线充电不能匹敌的优势。

1.1 引言

1.2无线充电技术国内外研究现状

  无线充电并非是一项新技术。顾名思义,"无线充电"就是利用一种特殊设备将电源插座的电力转变为可充电的电磁波,从而在扔掉电线的情况下,直接对电子设备充电。无线充电几十家国际公司现在建立了QI标准，统一了频率接口等行业标准，国内也有企业参与，另外高通联合三星也建立了一套标准，无线充电的小功率现在已经发展成熟了，现在都是行业大佬统一标准，建立门槛，抢地盘的时代，但市场还没得到真正发展。深圳市中恒创世科技发展有限公司在搞无线充电方面的研发。

1.2.1无线充电技术的分类

   现今以无线方式传递电源的方法有好几种，以安全性跟技术成熟度的角度切入的话，其中又以磁感应（magnetic induction）、跟磁共振（magnetic resonance）为两大主流、未来可能普及化的技术。在这边简单地介绍此两种技术：

磁感应（magnetic induction）：基本原理是在发送和接收端都装置一个线圈，当发送端线圈连接电源时进而形成「电流会产生磁能、磁能会制造电流」的电磁感应，而接收端线圈感应到这个电磁信号，透过磁场的变化便可产生电力为电池充电。然而磁感应技术的缺点就是有其物理极限，充电距离无法超过5公厘，且随着距离的增加，电能损耗会变得很大。透过磁感应充电时，电子装置会有过热的问题，对于支持大功率产品会有安全上的疑虑。

磁共振（magnetic resonance）：磁共振原理不同于磁感应利用互相感应原理来交换电磁能，而是利用充电基座与待充物相同频率的共振原理来高效传输能量。当发送端与接受端都以相同的频率振动时，接受端就能接收到发送端所产生的电磁场，进而接收到这个传递过来的能量。

1.2.2无线充电技术的应用现状

市调机构IHS iSuppli的统计，2012年已有超过500万台电子装置搭载无线充电功能，更预测2015年时将会突破1亿台。不过，现今的无线充电技术还没有一个共同的标准，各家厂商都希望自己的技术成为市场主流。面对无线电源生态系统的逐渐成形所产生的庞大商机，消费性电子产品制造厂商、电脑、汽车厂商无不纷纷注册无线充电技术的相关专利，并各自组成不同的联盟团体，准备大打一场无线充电标准之战。

目前市面上采取磁感应技术的联盟有两个，分别是WPC（Wireless Power Consortium）和PMA（Power Matters Alliance），另一个联盟A4WP（Alliance for Wireless Power）则是采取磁共振技术；其中又以WPC所拥有的会员数最多、最为活跃，约有130多家厂商。WPC的标准Logo为「Qi」，目前所搭载Qi 商标的产品达140款，在智能型手机方面其中又以诺基亚（Nokia）的Lumia 920或是宏达电（HTC）的Droid DNA最为广为人知。目前Qi的下一个版本规格正在积极制定中，目标让平板电脑也能无线充电，才能使无线充电的应用更加普及。

属于PMA联盟的金顶电池（Duracell），也打算花费数亿美元的成本，为麦迪逊广场花园和达美航空贵宾室打造无线充电设备。星巴克（Starbucks）和麦当劳（McDonald's）也计划在店内设置无线充电板，提供顾客可以在店内充电的便利性，带动无线充电市场的成长。不过搭载不同协会标准无线充电功能的手机，是无法跨装置充电的。而也正因为缺乏一个共同的标准，让许多厂商尚未表态要投资哪项技术，也在现阶段造成消费者购买时的隐忧，担心所选购的产品会不会在日后被淘汰。

1.2.3 无线充电技术的应用前景

根据百佳泰资深技术测试团队表示，目前磁感应和磁共振技术都积极地在寻找更有效率的充电方式，未来若是要提供充电功率与增加充电距离，且同时改善充电效率的话，「磁共振」技术似乎是比较可行的方向。因为采用磁共振的无线充电产品，不若磁感应技术的距离限制，而能够支持充电板同时为两具以上电子产品充电的功能，大大节省消费者空间、预算成本且增加购买意愿，因此磁共振技术具有较被看好的未来市场。

    整体而言，无线充电是个很实用的功能，能够让用户不须透过电线或USB插头，就能为电子装置充电。而此技术不只能够应用在手持电子装置上，对于公共设施或是电动车也可以透过磁共振技术，把无线充电技术落实在生活之中。磁共振是将能量集中在发送端与接受端上，可以有效地减少不必要的能量耗损，并且能够拓展至中、大功率的市场上，例如：笔电、电视，或是电动车的无线充电设备。磁共振无线充电应用商用价值前景看好，协会和许多大厂也正相继开发中。

从市场面来看，因为目前尚未有统一个标准规格，因此发展上呈现多头马车的状况。消费者因为担心所购买的产品被淘汰或是无法和其他产品享有兼容性，所以购买意愿不高。即使像是同一个协会认证的产品，彼此之间还是会有兼容性的问题存在，例如：Qi认证过后的产品，发送端跟接受端之间在接口沟通时会产生协议错误，造成无法充电的现象。然而不论是磁感应或磁共振技术，我们都可以预测无线充电技术在未来绝对会是消费市场的主流之一，因此更有赖这三大标准协会的消长态势以及电信业者的支持与否，来决定无线充电技术市场的走向与未来普及度。身为测试验证业界的专家，百佳泰也将会持续追踪无线充电的技术与发展，并提供厂商最实时的信息，以及市场的趋势走向

2.1.1 无线充电原理:

无线充电器采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。系统工作时输入端将220v交流市电经变压器变成12v的交流电，再经过整流、滤波、稳压产生5V直流电源。通 过 2 M 有 源 晶 振 逆 变 转 换 成 高 频 交 流 电 供 给 初 级 绕 组 。通过两个线圈耦合，由次级线圈输出电流，经接受转换电路转成直流电为手机充电。

2.1.2 电磁感应

电磁感应是指因为磁通量变化产生感应电动势的现象。电磁感应现象1)电磁感应现象：闭合电路中的一部分导体做切割磁感线运动，电路中产生感应电流。(2)感应电流：在电磁感应现象中产生的电流。(3)产生电磁感应现象的条件：①两种不同表述a．闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动b．穿过闭合电路的磁场发生变化②两种表述的比较和统一a．两种情况产生感应电流的根本原因不同闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动时，是导体中的自由电子随导体一起运动，受到的洛伦兹力的一个分力使自由电子发生定向移动形成电流，这种情况产生的电流有时称为动生电流。穿过闭合电路的磁场发生变化时，根据电磁场理论，变化的磁场周围产生电场，电场使导体中的自由电子定向移动形成电流，这种情况产生的电流称为感应电流或感生电流。b．两种表述的统一两种表述可统一为穿过闭合电路的磁通量发生变化。③产生电磁感应现象的条件不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生。条件：a．闭合电路；b．一部分导体 ； c．做切割磁感线运动能量的转化能的转化守恒定律是自然界普遍规律，同样也适用于电磁感应现象。

2.1.3 感应电动势

在电磁感应现象里，既然闭合电路里有感应电流，那么这个电路中也必定有电动势，在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势。感应电动势分为感生电动势和动生电动势。

感生电动势的大小跟穿过闭合电路的磁通量改变的快慢有关系，。

产生动生电动势的那部分做切割磁力线运动的导体就相当于电源。

理论和实践表明，长度为L的导体，以速度v在磁感应强度为B的匀强磁场中做切割磁感应线运动时，在B、L、v互相垂直的情况下导体中产生的感应电动势的大小为：， 式中的单位均应采用国际单位制，即伏特、特斯拉、米、米每秒。

电磁感应现象中产生的电动势。常用符号E表示。当穿过某一不闭合线圈的磁通量发生变化时，线圈中虽无感应电流，但感应电动势依旧存在。当一段导体在匀强磁场中做匀速切割磁感线运动时，不论电路是否闭合，感应电动势的大小只与磁感应强度B、导体长度L、切割速度v及v和B方向间夹角θ的正弦值成正比，即E=BLvsinθ(θ为B,L,v三者间通过互相转化两两垂直所得的角)。

在导体棒不切割磁感线时，但闭合回路中有磁通量变化时，同样能产生感应电流。

在回路没有闭合，但导体棒切割磁感线时，虽不产生感应电流，但有电动势。因为导体棒做切割磁感线运动时，内部的大量自由电子有速度，便会受到洛伦兹力，向导体棒某一端偏移，直到两端积累足够电荷，电场力可以平衡磁场力，于是两端产生电势差，应用楞次定律可以判断电流方向。

3.1.1 无线充电的功率

   在无线充电技术的发展过程中，充电效率一直是人们所关心的问题，无线充电效率受到很多的因素的影响，一：受到不同励磁方式的影响，磁感应（magnetic induction）、跟磁共振（magnetic resonance）。二：受到发射端的频率、振幅的影响。三受到线圈大小和形状的影响。

3.1.2 不同形状的耦合线圈对性能的影响

    本文章及其作品采用的是松动式磁感应方式，发射端为1.11KZ的发射频率，发射线圈为圆形。我们在实验中分别采用了三种线圈形状，圆形，椭圆，正方形，通过波形观察得到结论，只有当无线充电线圈为圆形的时候，充电效能最大，所以本设计采用了圆形设计。

3.1.3 励磁材料

   为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，增加原线圈与副线圈之间的耦合系数，同时为了减少漏磁辐射对人体的危害，图1中的原边磁心(Primary Core) 和副边磁心(Secondary Core)选用了Ferrite Pot Core，其形状和基本材料属性如图2所示。  磁性材料可分为硬磁材料和软磁材料。其中软磁材料磁导率大，矫顽力小,磁滞损耗低，磁滞回线成细长条形状，这种材料容易磁化，也容易退磁，适用于交变磁场。  同时还要通过磁路计算，选用的磁性材料饱和磁感应强度要大于实际的磁感应强度需求。还要注意磁性材料损耗与频率的关系特性。

 

                                                                                                                          图1

 

                                                                                        图2 

4.1.1 设定系统指标

     1、实现无线点亮LED、无线充电

     2、实现无线传输距离达到10mm

     3、实现同时无线点亮LED、无线充电，即向多电器同时供电

     4、实现充电功率大于0.5W

     5、实现传输效率大于70%

4.1.2 系统框图

 

4.1.3 硬件电路图

电源电路

由于手机的充电电压为5V直流电源。将220V交流市电经变压器变成12V的交流电，再经过全桥整流、滤波、三端稳压块LM7805产生5V直流电源。

 

原理图如下：

发射电路

由电源电路得到的5V直流电源，无法对手机进行无线充电。本系统采用电磁感应原理，使用2 MHz有源晶振作为振荡器，输出方波，经过二阶低通滤波器滤除高次谐波，得到稳定的正弦波输出。经三极管及其外围电路组成的丙类放大电路后输出至线圈与电容组成的并联谐振回路辐射出去，为接收部分提供能量 。

 

接收转换电路

发射电路产生的正弦波经耦合线圈，把能量由发射电路传给接收电路，接收电路经全桥整流、滤波后变成直流给手机充电。接收转换电路采用空芯耦合线圈，载波频率为2MHz。与发射电路采用的2MHz有源晶振产生的谐振频率接近的能源载波频率。

 4.1.4 数据测试与波形 

负载电流与线圈之间距离的关系数据记录：

 

发射波形图：

 

接收波形图：

 

5 结论

5.1.1 结论

本次试验采用的是主次感应线圈是十五匝,从实验数据,波形图可以看出,传输功率与距离有关,并且是一种非线性关系,当主次线圈在3mm的时候，感应功率达到最大，传输效率最高。此后随着距离增大，感应功率不断减小，当距离达到30mm的时候，传输功率已经变为0.

当感应电路大于100mA时，因为充电电压为稳压5V直流，即此时传输功率大于0.5W，可以实现无线充电。并且可以同时点亮LED。

 

 

5.1.2问题与探究

（1）系统电磁耦合模型缺乏理论分析，两线圈自感和互感计算问题有待研究。

（2）本设计未有对磁路进行研究，线圈的绕制方式会对电能传输有较大的影响。

（3）由于分离空心线圈的电磁耦合系数很小，本系统传输功率有待提高。

 

实物图及实验现象图：

电源：

 

 

 

单独给MP4充电：

 

给MP4充电同时点亮一盏LED：