基于电磁感应的无线充电系统设计

张新亮，武凯伟

（江苏工程职业技术学院，江苏 南通 226007）

0 引言

当前，随着科学技术的迅猛发展，各种各样的智能终端电子产品被研发出来，并且全面地渗透至人们的工作与生活之中。不过需要客观认识到，电子产品在使用过程中往往会产生较大功耗。所以，有必要探寻一套能够对智能终端电子产品给予有效能量补给的策略和方法。

无线电能传输技术是一种可以令电能以空气为介质的形式高速、精准、安全传播的技术，在此过程中，无须使用电缆。本文在借鉴前人研究成果的基础上，立足于实际情况，对电磁感应无线充电系统展开了全面细致地设计分析，希望能够为同类设计提供有益借鉴。

1 方波信号发生电路设计

在此设计中，本文决定将单片机及其外围电路定义为信号发生电路，它们在实际使用中会释放波信号，再将其安全高效地发送至后级驱动电路。在综合考虑各方面因素之后，本文决定选用了51系列的STC89C52型单片机，它是对初代51单片机的一种优化和扩展。

STC89C52单片机中不含有PWM模块。为保证信号传输的精准性以及系统的可扩展性，本设计决定，通过当前应用相对比较广泛且成熟先进的定时器法释放PWM方波信号，单片机外接12 MHz晶振并能够自动复位。关于信号发生电路的设计结构如图1所示。

图1 信号发生电路

2 功率放大电路设计

在整个功率放大电路系统中，最基本、最重要的当属功率放大器，在此次设计中，其主要功能是在接收到方波信号之后将其科学合理地放大，由此实现对谐振线圈的高效化驱动。本文基于具体需求采用了A类放大器，其电路结构如图2所示。其中，Q表示开关管，R表示电阻，input表示输入信号，output表示输出信号，规范合理地连接LC谐振电路。

图2 功率放大电路

对于功率放大电路中开关管Q，本设计在综合考虑各方面因素之后，决定选取性能可靠且当前应用比较普遍的MOS管IRF540，其主要特性是电流大、导通电阻小，并且能够承受较高的电压。详细来讲，电流为30 A，电压为100 V，导通电阻只有0.077 Ω，它被用作开关管时，启动非常快，一般只需要4 ns，关闭也非常快，仅为3 ns，从理论角度来讲，其开关频率高达数十兆赫兹，与本设计需求十分吻合。

关于电阻R，人们通常倾向于更小的电阻，在本设计中，可选择0.01 Ω。电源为12 V直流电源。

3 耦合线圈设计

本设计在综合考虑各方面因素之后，决定按照圆形螺旋管的形式规范合理地绕制线圈。考虑到耦合线圈一直运行于高频信号环境之中[1]，所以，在该线圈的等效模型中，将电阻和电感以串联的形式进行连接，而后和电容以并联的形式进行连接，详情如图3所示。

图3 线圈的等效模型

4 整流电路设计

本设计在综合考虑各方面因素之后，决定采用安全合理的桥式整流电路，同时，选取了性能可靠的1N4148型高速开关二极管，其反向恢复时间特别短，一般只需要4 ns，反向耐压为75 V，正向电流为150 mA，与本设计需求完全吻合，可通过此电路调制高频交流信号，促其高效安全地调制为直流信号[2]。

5 滤波电路设计

在对各种不同电路的优势和不足进行全面细致地对比分析后，鉴于本设计对滤波电路的要求相对较为宽松，所以最终采用了一个比较简单且满足实际应用需求的电容滤波电路如图4所示。

图4 电容滤波电路

6 电源产生电路设计

在此设计中，电源产生电路占据着尤为重要的地位，其主要功能是为电子电路保持稳定安全的运行提供合适的直流电源。在实际应用中，通常需要低压直流电，而这即意味着首先需要将220 V交流市电高效安全地调制为满足需求的低压直流电。其具体操作过程是：首先需要将220 V交流电安全规范、快速准确地调制为低压交流电，而后需要通过整流电路将其安全规范、快速准确地调制为脉动型直流电，完成以上步骤后，还需要通过滤波电路精准高效地剔除电流中的交流部分，由此就能够获得所需的直流电[3]。本设计中需使用5 V、15 V直流电，所以，还要根据实际情况通过变压电路安全规范地调制直流电的电压。

基于以上分析可知，电源产生电路主要由4个电路构成，详情如图5所示。

在此设计中，需要连接电源的电路主要有两个：一是信号发生电路，在实际运行中，应为单片机提供规格为5 V的直流电源；二是功率放大电路，其直流电源规格为12 V。其具体结构如图6所示。

图5 电源产生电路结构

图6 电源产生电路

此电路的输入电压是220 V交流市电，在进行一系列处理后获得12 V、5 V的电压。

关于交流变压电路，本设计最终选取了铁芯变压器，其一、二次侧电压比是220∶24，输入220 V交流电，输出24 V交流电。

关于整流电路，本设计在进行全面深入地考虑之后决定采用全桥整流电路，二极管的型号为IN418，反向耐压为75 V，满足24 V交流电整流使用。

关于整流电路后连接的滤波电路，本设计在进行全面深入地考虑之后终选取了电容滤波电路，大小不一的2个电容以并联的形式进行连接，其中，大的滤波电容为47 uF，小的只有0.1 uF，电容皆选取了电解电容。

关于直流变压电路，本设计在进行全面深入地考虑之后决定采用稳压芯片LM7812、LM7805芯片。在本电路中，它们主要发挥着直流电压变压的功能。其中，LM7812的输入、输出电压分别为24 V、12 V，连接于24 V输出的整流电路，由此即可输出24 V电压为功率放大电路供电。LM7805的输入、输出电压分别为12 V、5 V，连接于LM7812后输出5 V电压为单片机供电。

7 结语

本文对电磁感应的无线充电系统的所有主要电路进行了规范合理的设计分析。整体来讲，该系统选取了性能可靠、功能完善的STC89C52单片机，将其用作信号发生器，在外围电路的支持下，释放出高频方波信号，再通过一系列处理后即可得到高频AC信号。由发射端及接收端的LC并联谐振电路中的电感线圈形成电磁感应，能量能够直接通过无线的形式传播，再通过电容滤波电路等完成对信号的一系列规范合理地处理，而后将其传输至负载发光二极管之中。