小功率无线充电器设计.docx
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小功率无线充电器设计
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三江学院
本科生毕业设计(论文)
题目小功率无线充电器设计
电气与自动化工程学院(系)电气工程及其自动化专业
学生姓名学号
指导教师职称
%
指导教师工作单位电气与自动化工程学院
起讫日期
摘要
无线充电器是指采用电磁感应原理来充电的器材,原理很像变压器。
这个系统有两个端口,一个是发射端,一个是接受端,发射端和接受端都是由线圈构成,发射端线圈和电路相连可以发射电磁波,接收端接收电磁波后连接到内部电路产生直流电压。
因为这种技术还没有完全成熟很多厂商都在研究这个技术,他们对这种技术都有自己的叫法,例如无线充电、感应电力、不接触充电、无接点充电都是指这种的技术,供电与受电端交互作用就是电磁感应,所以无线充电技术是广义的词没有绝对的参数设定。
无线充电技术有很多好处,例如非常方便,通用,安全,很多电气设备都可以使用一种充电基站,相信在将来,所有的设备都会用无线充电。
这给人们带来的意义和影响非常重大。
这篇文章讲解一种以电磁感应原理为基础在运用一些无线充电控制芯片实现电能传输的无线充电器装置。
对电磁感应原理,系统电路和控制芯片进行了重要分析。
关键词:
电磁感应;无线充电技术;无线充电控制芯片
ABSTRACT
Wirelesschargeristheprincipleofelectromagneticinductiontochargetheequipment,principlesliketransformers.Thissystemhastwoports,onetransmitterandonereceivingend,thetransmittingendandthereceivingendisconstitutedbyacoil,thetransmittercoilandthecircuitconnectedtotheelectromagneticwavecanbetransmitted,thereceivingsidereceivesanelectromagneticwavegeneratingcircuitconnectedtoaDCvoltagetotheinternal.Becausethistechnologyisnotyetfullymature,manymanufacturersarelookingatthistechnology,theyhavetheirownnameforthistechnology,suchaswirelesscharging,inductiveelectricity,donottouchthecharge,non-contactchargingallrefertothistechnology,interactionwiththereceivingendpoweriselectromagneticinduction,thewirelesschargingtechnologyisabroadtermthereisnoabsoluteparameters.Wirelesschargingtechnologyhasmanyadvantages,suchasveryconvenient,universal,safe,manyelectricaldevicescanusearechargeablebase,Ibelievethatinthefuture,alldeviceswillusewirelesscharging.Thisgaverisetoaverysubstantialsignificanceandimpact.Thisarticleexplainsakindofelectromagneticinductionprincipleisbasedontheuseofsomewirelesschargingcontrolchipwirelesspowertransmissiondevicecharger.Ontheprincipleofelectromagneticinduction,circuitsandcontrolsystemsimportantchipanalysis.
Keywords:
Electromagneticinductionprinciple;Wirelesschargingtechnology;
Wirelesschargingcontrolchip;
第一章绪论1
无线充电技术的概论1
电磁感应技术1
电磁共振技术1
无线电波技术1
无线充电研究现状2
无线充电研究的意义3
第二章电磁感应原理4
电磁感应发现4
电磁感应基本概念5
磁通量5
电磁感应现象5
能量的转化6
感应电动势6
计算公式6
电磁感应意义6
第三章电路设计8
结构设计8
具体电路设计9
无线充电器主电路设计9
控制芯片的简介10
无线充电器分电路设计12
第四章测试结果与分析16
结果分析16
结束语19
致谢20
参考文献21
第一章绪论
无线充电技术的概论
用无线电来传输电能的技术即所谓的无线电源技术。
因为要能够满足对电能质量的需求,所以要求传输的效率高、功率大;并且能够研究应用它的领域非常广泛,如因它相差很大的传输功率,从大的磁悬浮列车上的几兆瓦功率到机器人、电动汽车的上千瓦功率到小型器材的几十瓦功率再到用于生物技术的几十毫瓦。
目前拥有三种比较成熟的技术,无线电波技术、电磁感应技术、电磁共振技术。
1.1.1电磁感应技术
这种技术类似电力系统中经常用的变压器原理。
将交变电流接入变压器的原边,根据电磁感应原理副边就会产生出现相对应的感应电动势,此时若副边电路连通,便能产生感应电流,利用麦克斯韦电磁理论可求得它的大小,方向可以用楞次定律知道。
所以发射端的线圈就相当于变压器的原边,接收端的线圈就是变压器的副边,这样的话就可以完成电的无线传输。
制作成本较之十分低、结构简单、技术牢靠、大功率传输是这种传输方式的优点;但是这种方式传输距离特别短,充电器要远离其他金属物品,不然可能向其他金属物品充电可能导致其发热发生火灾。
1.1.2电磁共振技术
电磁共振耦合原理是无线充电的技术基础,需要以感应线圈做成的发射和接收的两个共振线圈系统。
通过改变发射频率的高低从而使发射端以一种很高的频率振动,这会在两个线圈之间产生一种能量通道。
因为发射点的频率同接收点的固定频率一样,于是共振就产生了。
接收点感应器电压的产生就来源于每一次的共振。
当共振的次数达到一定数量,感应器才能产生足够多的能量,才能在非辐射磁场中让接收端产生很多的能量,完成磁到电的变换,最终实现无线传送电能。
在保护了电磁共振技术所需的频率后,它的传输距离最远可达3至4米,并且传输的功率很大,它要求传输频率特别高,在很近的范围内要求频率达到好几MHZ。
1.1.3无线电波技术
无线电波技术是利用微波或激光形式来进行电能的远距离传送,系统由以下部分构成:
发射天线,接收天线,高频电磁波整流器,电磁波发生器,有线电网和变电设备。
电磁波发生器也叫做激光器或微波源,它可以让电源发送的电能转化的大功率、高频的电磁波然后反馈给发射天线;发射天线发送电磁波;电磁波被接收天线接收,发射天线吸收能量然后接入高频电磁波的整流器,高压直流电产生了,然后逆变,之后就可以接入电网。
这种方式传输的距离是最远的,但是他的传输功率也很小,效率低,很多能量会以无线电波的方式浪费。
无线充电研究现状
在国内,现在的研究方面是“耦合变压器的技术”,该技术主要运用于感应充电或磁悬浮列车等几个方面,并且无线传送的距离非常小。
相对于国外而言,国内的感应耦合电能传输技术刚刚发展,近几年对这种电能传输技术进行相关研究的也包括严陆光和西交大的王兆安,并在国内发表了几篇研究文章。
在2002年《电气传动》上发表了一篇相关的文章,这篇文章的作者是西安学院的李发教授发表的。
与国际上在该领域研发工作处于先进水平的新西兰波依斯进行了更深层次的交流和合作的重庆大学电气与自动化学院无线电能传输技术研发组,对国内外无线电能接入技术理论与实用技术开始研究并在理论与技术上有了很大的突破。
该课题组在2007年终于有所突破并且掌握了无线供电的关键技术,这样他们制作出了一种无线传输装置,传输效率极高为70%,而且能够向很多个用电装置同时供电,即其供电的稳定性很高。
目前我国在这方面的技术仍然是理论研究阶段,在最近的这几年我们的科研专家才有所突破,但是都是在实验室的研究阶段没有任何实际应用的发面。
国内的一流科学家主要研究的方向是系统频率和原副边的补偿电路的拓扑方面。
现如今无线充电没有广泛应用,也有好几种标准,主要的有三种标准:
PowerMattersAlliance(PMA)标准、Qi标准、AllianceforWirelessPower(A4WP)标准。
PowerMattersAlliance标准
PowerMattersAlliance标准是由DuracellPowermat公司发起的,该公司实力非常强并且还是AllianceforWirelessPower(A4WP)标准的支持成员之一。
AT&T、Google和星巴克这三家公司都加入了PMA联盟。
PMA联盟一直在研究无线充电并且为其制定标准,在无线充电方面走的世界前沿。
Qi标准
Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟(WirelessPowerConsortium,简称WPC)推出的“无线充电”标准,具备便捷性和通用性两大特征。
Qi可以让所有标识了Qi的产品都用一样的充电设备充电,这样所有的电子产品就可以用同一种充电器充电,非常方便。
这就可以大规模充电。
Qi采用了目前最为主流的电磁感应技术。
这个方面,中国的研究领先世界。
Qi主要是手机无线充电当面,目前三星,苹果等著名的手机公司都加入Qi联盟。
A4WP标准
A4WP是AllianceforWirelessPower标准的简称,由美国高通公司、韩国三星公司和Powermat公司共同创建的无线充电联盟创建。
该联盟还包括EverWinIndustries、GillIndustries、PeikerAcustic和SKTelecom等成员,目标是为包括便携式电子产品和电动汽车等在内的电子产品无线充电设备设立技术标准和行业对话机制。
该无线充电联盟将重点引入“电磁谐振无线充电”技术,与Qi的“电磁感应技术”有所区别,这两种技术各有千秋。
前者传输效率可能较低,但可以实现稍远距离的无线充电。
后者需要近距离接触,但这样充电效率较高。
A4WP标准组成联盟希望让无线充电迅速普及,让用户在任何地方都可进行无线充电。
无线充电研究的意义
无线充电是人们的追求,无线充电技术肯定降成为充电系统的最主要的方式,代替现在的充电方式。
无线充电系统非常方便,在生活中也是安全,可靠的,所以他有很好的市场前景。
首先,它可以让目前电子产品的充电接口大部分都不兼容的现象得到很大改善,让消费者没必要携带很多充电器和充电线,只要需要充电的电子产品放在发射器的附近,就可以用来充电了。
其次,就是现在广泛应用的医疗器件,例如心脏起搏器,七八年后就需要动手术来用来换电池。
可以对心脏起搏器无线充电,那就不要手术了,也减轻了病人的疼痛。
然后,现在大多数传感器需要无线充电了,例如在墙体里的传感器,把它接上线或者拿出来充电是不现实的,并且还有用于远程的监控和查看的传感器,都必须需要无线充电。
还有就是无线充电安全系数高,生活里一些电气设备工作的潮湿的环境里,那些在外面的充电接口有很大的安全隐患。
如果用无线充电技术,线圈接收端放在设备的内部中,这样这些设备的外表就全封闭了。
安全隐患会变得小很多。
最后,无线充电也能为市政交通做出贡献。
2009年2月,在美国的研究员研制出第一辆采用无线充电的电动车,它不想地铁那样用车顶上的电线得到能量,它只要在有电感应带的路面上行驶时便可边走边充电。
这种类型的车叫作网E电动车,由在地面下10厘米处的充电带提供电力驱动电机。
而且通过实验表明,这种无线充电系统中的磁场对人体并无任何危害。
最值得关注的是,解决消耗越来越大、乱如麻的电线和电池的环境污染带来的困扰,解决人类非常强烈的电能热爱,无线充电技术是很好的解决途径。
第二章电磁感应原理
电磁感应发现
在电磁感应发现之后,对它的研究就没有断过,有些著名科学家在研究它的逆效应,他们猜测磁能否产生电及磁能否对电产生影响问题;1823年在测量地磁强度的时候,阿喇戈发现金属对其附近磁场的振荡有作用,于是在1825年,阿喇戈在发现这个现象后进行了一次铜盘实验,实验中大仙自由悬挂在上方的磁针会随着转到的铜盘的转到而转到,但磁针的旋转和铜盘并不是同步。
因为当时科技原因没有直接发现感应电流,而发现最早的电磁感应现象是电磁阻尼和电磁驱动,并且没有文字说明。
在十九世纪法拉第将一个长方形的铁环的两边都绕上线圈,其中一个线圈接入一个闭合回路,在导线下端平行放了一根磁针;而另一个线圈与电池组相连,接上开关,形成闭合回路。
发现了在切断开关后,磁针偏转;在合上开关后,磁针反向偏转,这就表明在另一端的线圈中有感应。
在发现这种现象后,法拉第紧接着做了很多实验,分为5类情况:
变化的电流,变化的磁场,运动的磁铁,运动着的恒定电流和在磁场中运动的导体,并把这些现象定名为电磁感应。
在实验操作中他发现,感应电流的产生大小与导体本身的导电能力成正比。
由此发现,感应电动势会导致感应电流的产生,且就算没有回路和感应电流,感应电动势也会一直存在。
楞次定律用来确定感应电流方向和法拉第电磁感应定律描述电磁感应定量规律。
他们产生的原因不同,然后将感应电动势分为动生和感生两种,前者是因为洛伦兹力产生,后面的是由于变化磁场产生的有旋电场。
法拉第电磁感应定律是一直做了成百上千次试验才得出的定律。
在现在已经被正式化,他有许多其他的版本,现在都是被称为电磁学的国宝。
法拉第电磁感应定律是由于法拉第于1832年所做的实验。
在这同一时间也有人发现这电与磁的关系但是他发表万物法拉第。
楞次定律的发现为判别感应电动势的方向和生成感应电动势的电流方向提供了一种方法。
电磁感应现象是指闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动导体中就会产生电流的现象,这是因为磁通量会发生变化然后产生电动势这样就可以产生电流,产生的电流称为感应电流。
上面是初中物理课本定义的电磁感应现象,但是没有对电磁感应现象进行全面的概述,具体应该为:
改变磁场强度,不改变闭合线圈的面积,这样磁通量也会产生变化,也会有感应电流产生。
所以本质的概述是,电磁感应现象是因磁通量发生变化而产生感应电流的现象。
电磁感应基本概念
2.2.1磁通量
在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面,设该平面的面积为S,磁感应强度是B。
(1)定义:
在匀强磁场中磁感应强度B与垂直磁场方向平面的面积S的乘积是一个面的磁通量。
(2)公式:
Φ=BS
当平面与磁场方向不垂直时:
Φ=BS⊥=BScosθ(θ为两个平面的二面角)
(3)物理意义
穿过一个面的磁通量表示穿过这个面的磁感线条数。
(4)单位WB
在国际单位中,磁通量单位是韦伯,称韦,符号就是Wb。
1Wb=1T·1m2=1V·s。
2.2.2电磁感应现象
(1)电磁感应现象:
闭合电路中的部分导体在做切割磁感线运动时,闭合电路中会产生感应电流这种现象叫做电磁感应现象。
(2)感应电流定义:
电磁感应现象中所产生的电流就是感应电流。
(3)电磁感应现象产生的条件:
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.两种情况所产生感应电流的根本原因不一样
闭合电路中的部分导体与磁场产生相对运动时,导体中的自由电子跟随导体一起运动,然后受到洛伦兹力的一个分力从而是自由电子发生定向移动然后形成电流,这种情况所产生的电流称为动生电流。
当穿过闭合回路的磁场发生变化时,我们知道变化的磁场周围会产生电场,电场会使导体中的自由电子发生定向移动形成电流,由这种情况所产生的电流称为感生电流。
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
在任何情况下,只要穿过闭合的电路的磁通量一旦发生变化,闭合电路中就一定会有电流产生。
条件:
1.闭合回路,2.部分导体,3.做切割磁感线的运动
2.2.3能量的转化
自然界普遍规律之一的能的转化守恒定律,同样也适用于电磁感应现象。
2.2.4感应电动势
(1)感应电动势定义:
在电磁感应现象中产生的电动势,就叫做感应电动势。
其方向是低电势指向高电势。
(2)产生感应电动势的条件:
磁通量在穿过回路时发生一定的变化。
(3)方向规定:
内部电路中的感应电流方向,为感应电动势的方向。
(4)物理的意义:
感应电动势是电磁感应现象根本的物理量。
(5)反电动势的定义:
电动机转动时候,线圈中会产生一定感应电动势,这种感应电动势起到削弱电源电动势的作用。
计算公式
1感应电动势的大小计算公式
(1)E=nΔΦ/Δt(法拉第电磁感应定律,E:
感应电动势V,n:
感应线圈的匝数,ΔΦ/Δt:
磁通量变化率)。
(2)E=BLVsinB(做切割磁感线运动),E=BLV中的V和L的方向不会和磁感线平行,但是可以不跟磁感线垂直,公式中sinB中B为V或L与磁感线的夹角。
(L:
做切割磁感线运动的有效长度m),主要用于计算瞬时感应电动势,有时也用来求平均电动势。
(3)Em=nBSω(交流电机的最大感应电动势)(Em:
感应电动势最大值)。
(4)E=B(L^2)ω/2(导体一端固定以角速度ω旋转切割)(ω:
角速度单位rad/s,V:
速度单位m/s,L^2是L的平方)。
2.磁通量Φ=BS(Φ:
磁通量单位Wb,B:
磁场的磁感应强度T,S:
正对面积单位是平方米)变化的磁通量计算公式为△Φ=Φ1-Φ2或者△Φ=B△S=BLV△t。
3.感应电动势的正负极可采用感应电流的方向判定(电源里面的电流方向:
负极流向正极)。
4特别注意Φ,△Φ,△Φ/△t无必然联系,E与电阻无关E=n△Φ/△t。
电动势的单位是伏特V,磁通量单位是韦伯Wb,时间的单位是秒s。
电磁感应意义
通过法拉第的电磁实验表明,只要穿过闭合回路的磁通量产生变化就会有感应电流产生,产生的电流为感应电流,这种现象称之为电磁感应现象。
感应电动势用符号ε表示,就是ε=nΔΦ/Δt。
根据大量实验事实,法拉第得出定律:
电路中感应电动势的大小,和穿过这一电路的磁通变化率成正比,随着其变大而变大。
电磁学中最重要的发现就是电磁感应现象,它证明了电和磁之间的相互联系。
并且法拉第电磁感应定律有很重要的意义:
首先,很据电磁感应的原理,人类制造出电动机、发电机,使电能的大规模应用和远距离传送成为现实;其次,在电子技术、电工技术以及很多电磁测量等很多方面电磁感应现象都有重要的作用。
人类社会从此进入了电气化时代。
第三章电路设计
结构设计
电磁感应原理是无线充电系统的基础原理,通过线圈电磁波的发射与接收实现能量之间的传递。
根据原理设计下图,这个系统工作时,输入端直接采用24V直流电供电,也可以用市电然后经过整流编程24V直流电为该电路供电。
然后经过一些特殊芯片和LC震荡发生器产生电磁波,然后接受线圈得到电压,在经过整流和特殊芯片的处理会产生5V直流电为电池供电。
图2-1系统原理图
根据电磁感应原理设计,系统的结构图设计如下。
图2-2系统结构图
根据电磁感应原理,利用原边线圈和副边线圈的两个线圈的电磁感应,实现电能的传送。
系统简化电路图如下。
图2-3互感原理图
具体电路设计
3.2.1无线充电器主电路设计
图3-1无线充电器主电路图
该系统用12V直流电供电,XKT-408A是一种无线充电,供电的控制芯片。
在12V直流电供电的情况下,由于电容整流使得输出电压稳定。
在XKT-408A6端的控制下然后使IRF7492输出一个稳定的低电压,然后与12V直流电压产生电势差,然后在电容与电感共同作用的情况下,产生LC震荡,这样的话就会产生一个稳定的高频的电磁波。
3.2.2控制芯片的简介
图3-2XKT-408引脚图
一.简介:
这款XKT-408系列集成电路,采用了CMOS制程工艺,稳定性能好、具有精度高等特点,专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中,可靠性能高。
XKT-408负责处理该系统中的无线电能传输功能,采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换及电路的实时监控;负责各种电池的快速充电智能控制,很多可靠的无线快速充电器、无线电源供电器都是由XKT-408和一些少数的外部元件构成。
二.特点:
1自动频率锁定
2自动检测负载
3自动功率控制
4高速能量输出传送
5高效电磁能量转换
6高密度能量输出
7智能检测系统,免调试
7工作电压:
DC3V~15V
8高度集成化,仅几个普通外围元件
10经过严格测试及批量生产,性能稳定
三.应用范围:
医疗产品、军用产品、防水产品、安防产品、玩具产品、成人用品、数码产品、MP3和MP4、手机、手持家用电器等的电池无线充电、无线供电。
四.脚位图:
1脚FIN频率检测;
2脚AIN电压检测;3脚AO功能调节;
4脚GND地;
5脚OUT2高压工作接口;
6脚OUT1普通输出口;
7脚IN检测接口;
8脚VDD电源正极。
五.典型应用电路图:
1.小功率微体积应用电路
图3-3XKT-408应用图1
2.直流大功率应用电路
图3-4XKT-408引用图2
七.工作极限参数:
工作温度:
-55℃to+125℃
存储温度:
-65℃to+150℃
最大工作电压:
15V
输出驱动电流:
800mA
3.2.3无线充电器分电路设计
图3-5无线充电器分电路
主电路产生高频的电磁波后,由于电磁感应原理,这边的感应线圈会产生高频的电磁波,然后由四个二极管和两个电容进行整流和滤波得到12V的直流电。
然后接入CS51414降压输出稳定的5V的直流电。
3.2.4CS51414介绍
产品CS5141X系列是1.5A的降压转换器这类器件是以固定频率260KHz和520KHz工作的,它们使用V2TM控制结构来提供无与能比的瞬时反应,这对于如今的高速逻辑器件来说是最好的,全局调整控制也是最简单的环路,补偿这些产品的输入电压为:
到40V。
CS51411和CS51413是带有同步电路系统的,为了提高效率尤其是在高输入电压低负载的情况下,CS51412和CS51414能够选择从到的外部电源启动控制器。
内部集成的NPN晶体管能够提供最小值为1.5A的输出电流为了确保饱和通过一个外部的”boost”电容偏置这样就可以使芯片内部的电源损耗最小化保护电路系统包括热关断逐周期电流限制和频
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- 功率 无线 充电器 设计