王紅亮，張?zhí)煳?，符多鐸，張世界

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王紅亮，張?zhí)煳?，符多鐸，張世界

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

針對(duì)傳統(tǒng)充電系統(tǒng)的非便攜性，利用無線感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一種無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括發(fā)射模塊、接收模塊和監(jiān)測模塊，監(jiān)測模塊以AT89C51單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電狀態(tài)的監(jiān)測和控制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)最大充電電流達(dá)到了600 mA，最大功率達(dá)到了3 W，同時(shí)本系統(tǒng)還驗(yàn)證了不同充電距離下的充電電流和充電功率。

無線感應(yīng)，無線充電，逆變，整流濾波

引言

隨著科技的日新月異，越來越多的消費(fèi)類電子產(chǎn)品進(jìn)入人們的日常生活，例如手機(jī)、相機(jī)、MP3、PDA等［1-2］。其中充電技術(shù)方面，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品全部是接觸式充電（無論是充電模式還是換電模式），非接觸式的無線充電技術(shù)尚處于起步階段［3-5］。然而接觸式充電方式有很多不利的地方，首先頻繁的插拔很容易損壞接頭，另外也可能帶來觸電的危險(xiǎn)［6］。非接觸式的無線充電方式很好地解決了這些問題［7-9］。

本文利用無線感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一種無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了充電設(shè)備的便攜性和通用性。

1 系統(tǒng)功能及組成

本系統(tǒng)在無線傳感原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主要包括發(fā)射模塊、接收模塊和監(jiān)測模塊，其中發(fā)射模塊包含供電、驅(qū)動(dòng)、逆變和發(fā)射線圈；接收模塊包括接收線圈、整流和濾波；監(jiān)測模塊以AT89C51單片機(jī)為核心，以LCD12864為人機(jī)交互界面的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了電池充電狀態(tài)的可視化、圖形化。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)工作原理：電源部分由直流電源提供，經(jīng)過高頻逆變之后在發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻交流電。交變電流產(chǎn)生變化的磁場發(fā)射出去，接收線圈通過電磁感應(yīng)耦合接收到發(fā)射線圈發(fā)射的能量，經(jīng)過整流變換之后給電池充電。

2 硬件電路

2.1 高頻逆變電路

高頻逆變電路是本系統(tǒng)中發(fā)射電路的核心，為LC諧振發(fā)射電路提供諧振所需的交變電流。高頻逆變的主要功能是將供電模塊提供的12 V直流電，變成交流電。本設(shè)計(jì)采用MOS管組成的全橋逆變結(jié)構(gòu)，電路如圖2所示。

圖2 全橋逆變電路

如圖2所示，4個(gè)MOS開關(guān)管組成此全橋電路。當(dāng)MOS管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，Q2和Q3截至，電流由MOS管Q1經(jīng)LC電路到MOS管Q4。當(dāng)MOS管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，MOS管Q1和Q4同時(shí)截至，電流經(jīng)由MOS管Q3、LC到MOS管Q2。如此循環(huán)，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，供給LC電路發(fā)射。

在MOS管的選擇上，經(jīng)過比較和篩選以及考慮成本的因素，最終選定了IR公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款低阻抗，快速開關(guān)管IRF3205作為全橋的開關(guān)器件，其主要性能如下：

①導(dǎo)通電阻：8 mΩ；②工作溫度范圍：-55°C～175°C；③極快的開關(guān)速度，開延時(shí)14 nS，上升時(shí)間101 nS，關(guān)延時(shí)50 nS，下降時(shí)間65 nS。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)高頻逆變電路中的高端橋臂導(dǎo)通時(shí)（Q1或Q3橋臂），由于負(fù)載的存在，源極的電位將被抬升與柵極相同，就會(huì)導(dǎo)致高端橋臂不能持續(xù)導(dǎo)通，所以需要加入驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)中采用IR公司生產(chǎn)的IR2110芯片來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，同時(shí)IR2110芯片還同時(shí)具備隔離芯片的功能。

IR2110是一種雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、器件的單片式集成驅(qū)動(dòng)模塊，每個(gè)IR2110能同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)開關(guān)管，在芯片中采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡化了邏輯電路對(duì)功率器件的要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

如圖3所示，選用2個(gè)IR2110即可驅(qū)動(dòng)高頻逆變電路中的4個(gè)開關(guān)管，其中IR2110的SD管腳是IR2110的使能管腳，可以方便控制發(fā)射電路的開關(guān)。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

2.3 方波發(fā)生電路

驅(qū)動(dòng)電路中的IR2110芯片需要PWM波，為了整個(gè)充電模塊的調(diào)試方便，需要設(shè)計(jì)一個(gè)占空比和頻率可調(diào)的方波發(fā)生電路。

本設(shè)計(jì)的方波發(fā)生模塊采用555芯片，可以通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來控制方波的占空比和頻率。NE555芯片構(gòu)成的方波發(fā)生電路，如圖4所示。

圖4 NE555構(gòu)成的方波發(fā)生電路圖

RA為R2的左端導(dǎo)通電阻，RB為R2的右端導(dǎo)通時(shí)的阻值。

電路上電時(shí)，電源通過R1、RA支路給電容C1充電，此時(shí)3腳輸出高電平，當(dāng)C1的電位充至2/3 Vcc時(shí)，555內(nèi)部比較器使RS觸發(fā)器輸出低電平，通過與非門打開放電回路，電容放電，此時(shí)輸出低電平，當(dāng)電容電位放到1/3Vcc時(shí)，比較器使RS觸發(fā)器輸出高電平，放電回路關(guān)閉，電容充電，輸出高電平。

單個(gè)周期內(nèi)，電路的充電時(shí)間tr=0.7（R1+RA）C1，放電時(shí)間tf=0.7（R3+RB）C1，輸出的方波頻率為：

占空比為：

由于驅(qū)動(dòng)電路需要兩路反相PWM波，為了防止電源中上下橋臂MOSFET出現(xiàn)“直通”現(xiàn)象，必須遵循先關(guān)斷后開通的原則。所以，輸入IR2110的高低壓通道的兩路PWM波應(yīng)適當(dāng)留“死區(qū)”，即555構(gòu)成的方波發(fā)生器產(chǎn)生的波的占空比不等于50%，而兩路反相PWM波則由555產(chǎn)生的波通過反相器產(chǎn)生。

2.4 接收端電路

本設(shè)計(jì)的接收端電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 接收端電路圖

由于接收端接收到的也是交流電，充電電池充電所需的是直流電，所以，接收端電路需要將交流電變換成直流電，完成這一任務(wù)主要靠整流電路，整流電路依靠的是二極管的單向?qū)щ娦?。本設(shè)計(jì)利用的是橋式整流電路，橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，整流二極管要求快恢復(fù)，較高的電流上限，綜合考慮選擇了1N5819。

2.5 監(jiān)測控制電路

2.5.1 主控單元電路

系統(tǒng)中充電狀態(tài)檢測電路中的主控單元電路以美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS單片機(jī)AT89C51為核心。片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C51單片機(jī)能應(yīng)用許多高性價(jià)比的場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

2.5.2 AD電壓采集轉(zhuǎn)換電路

充電電壓作為一個(gè)模擬量，需要數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以供單片機(jī)進(jìn)行讀寫計(jì)算來完成控制。本設(shè)計(jì)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為ADC0804，它是CMOS 8位單通道逐次漸近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電路圖如圖6所示。

圖6 AD轉(zhuǎn)換電路

如圖所示，當(dāng)CS、RD端為低電平時(shí)，ADC0804會(huì)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)由DB7～DB0輸出至其他處理單元。當(dāng)CS、WR端皆為低電平時(shí)，ADC作清除動(dòng)作，系統(tǒng)重裝，當(dāng)WR由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，ADC0804會(huì)開始轉(zhuǎn)換信號(hào)。CLKIN、CLKR為頻率的輸入輸出端，一般要求頻率范圍100 KHz～1.28 MHz。一般通過外接RC電路產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘頻率為f=1/1.1RC。

2.5.3 顯示電路

可視化界面使充電系統(tǒng)使用更加方便，友好的界面能對(duì)充電進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測。本設(shè)計(jì)采用帶中文字庫的LCD12864作為顯示單元，帶中文字庫的LCD12864是一種具有4位、8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊，其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)主要在充電系統(tǒng)的監(jiān)測控制這一部分中。在主程序中，系統(tǒng)上電自動(dòng)復(fù)位以后，首先啟動(dòng)ADC0804轉(zhuǎn)換程序，采集接收端的電壓值，根據(jù)采集來的電壓值來判斷接收端是否處于空載或充電狀態(tài)。在上電復(fù)位后顯示單元初始化，將送入顯示單元的狀態(tài)顯示出來。

由于ADC0804轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，采集出數(shù)據(jù)要通過LCD12864顯示出來，AD轉(zhuǎn)換程序的主要任務(wù)是將所采集的二進(jìn)制數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制。

在轉(zhuǎn)化進(jìn)制之前，為了保證采集電壓的準(zhǔn)確性，采用N次（本文中N=10）采樣取平均值的方法。將轉(zhuǎn)化后的十進(jìn)制數(shù)據(jù)送入顯示單元進(jìn)行顯示。AD轉(zhuǎn)換的流程圖，如圖7所示。

圖7 AD轉(zhuǎn)換流程圖

顯示程序需要完成電池電量的顯示和充電的圖形動(dòng)態(tài)顯示，鋰電池電壓和電量的關(guān)系如下頁表1所示。通過Matlab軟件擬合電量和電壓（擬合曲線如圖8所示），可以得出二者間的函數(shù)關(guān)系：f（x）=p1×x4+p2×x3+p3×x2+p4×x+p5，其中 p1=4 919、p2=-7.638e+04、p3=4.441e+05、p4= -1.146e+06、p5=1.107e+06。

由此可通過AD采集的電壓值來判斷電池的充電量，從而可在LCD12864上顯示其相應(yīng)的狀態(tài)。

圖8 電壓和電量的擬合曲線

表1 鋰電池電壓和電量關(guān)系示意表

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試時(shí)（如圖9所示），用數(shù)字電源給發(fā)射端供12 V電壓，750 mA電流。在保證接收端5 V電壓的前提下，不斷拉大發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離，測試對(duì)應(yīng)的接收端的電流，同時(shí)計(jì)算相應(yīng)的功率，具體測試結(jié)果如表2所示。

圖9 系統(tǒng)整體測試

圖10 不同距離下的充電效率

由圖10可以看出效率隨之距離的增加而減小。經(jīng)過分析得出，影響無線充電裝置傳輸?shù)囊蛩赜校壕嚯x、線圈直徑、頻率。其中傳輸效率會(huì)隨著距離的增加而減小，距離與效率成倒數(shù)關(guān)系，而線圈直徑越大傳輸?shù)男室簿驮礁摺?/p>

表2 不同距離下的電流和功率

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)利用無線感應(yīng)的原理設(shè)計(jì)出無線充電系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)最大充電電流為600mA，最大功率3W的無線充電功能。本文提供了一種有別于有線充電方式的新型充電模式，對(duì)電子產(chǎn)品的充電技術(shù)乃至電子產(chǎn)品本身的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用。

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Design and Implementation of Wireless Charging System

WANG Hong-liang，ZHANG Tian-wen，F(xiàn)U Duo-duo，ZHANG Shi-jie
（North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement;Ministry of Education，National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the non-portable of traditional charging system，the paper design a wireless chargine system by using wireless induction principe.The system include transmitting module，receiving module and monitor module.The monitor module centered on AT89C51 MCU，realized the monitoring and control of the charging state.The experiment proved that the charging current can reach 600 mA. besides the maximum of the power is 3 W.Meanwhile，the system also test the charging current and power at different distance.

wireless induction，wireless charging，contravariant，rectifying and fitration

TN914

A

1002-0640（2014）11-0183-04

2013-07-05

2013-08-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61004127）

王紅亮（1978- ），男，河南林州人，副教授，碩士。研究方向：動(dòng)態(tài)測試技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理和目標(biāo)識(shí)別。