手机无线充电系统设计.docx
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手机无线充电系统设计
目 录
内容摘要.........................................................1
关键词...........................................................1
Abstract.........................................................1
Keywords........................................................1
第一章绪论......................................................2
1.1手机无线充电系统的概述..................................2
1.2手机无线充电系统的特点..................................3
1.3手机无线充电系统的目前状况..............................4
第二章手机无线充电的分类........................................5
2.1电磁感应充电............................................5
2.2无线电波充电............................................5
2.3电磁共振充电............................................6
第三章手机无线充电系统原理与结构................................7
3.1手机无线充电系统原理....................................7
3.2手机无线充电系统设计....................................9
第四章手机无线充电系统的展望...................................14
4.1手机无线充电系统标准化.................................14
4.2手机无线充电系统的未来市场.............................15
结束语.........................................................17
参考文献.......................................................18
致谢...........................................................19
内容摘要：
随着现在科学技术的不断进步，手机等通讯设备的功能越来越多。
但是每款手机都有一款与之匹配的充电器。
这样既会因为循环使用导致插头的损坏或者不牢固，产生漏电的危险，还会浪费资源，增加产品的成本，不环保，给人们的生活带来很多不便。
虽然目前手机无线充电系统已经上市，但是有很多不足之处。
基于此，本论文通过对手机无线充电系统的分析与展望，让读者对手机无线充电系统的了解更进一步。
关键词：
手机无线；充电系统；分析；展望。
Abstract：
Withthecontinuousadvancementofscienceandtechnology,mobilephonesandothercommunicationdevicesmoreandmorepowerful.Buteveryphonehasamatchingcharger.Sonotonlybecauseofrecycledleadtodamagetotheplugornotsecurely,resultingintheriskofleakage,butalsoawasteofresourcestoincreasethecostoftheproduct,environmentaldamage,causedmuchinconveniencetopeople'slives.Althoughwirelesschargingsystemformobilephonesalreadyonthemarket,buttherearealotofinadequacies.Basedonthis,thepaperbyphonewirelesschargingsystemanalysisandProspectsreadersphonewirelesschargingsystemfurther.
Keywords:
Mobilewireless;chargingsystem;analysis;outlook.
第一章绪论
1.1手机无线充电系统的概述
1.1.1引言
随着社会的不断发展和信息化的加快，随时随地保持沟通交流对人们来说越来越重要，同时对移动通信设备的质量和服务要求也越来越高。
随着智能手机和3G手机的越来越普遍，在手机功能越来越多和手机屏幕越来越大的同时，手机的耗电量也迅速攀升。
据调查，移动上网的功耗是传统语音业务的2—3倍。
所以待机时间的需求不跟以前一样只局限于特定群体，而是逐渐发展成为了一种普遍需求。
目前手机主要使用锂电池，据市场调查显示锂电池技术在短期内不会有重大的突破，燃料电池目前还没有达到实用化阶段。
手机待机时间的长短很大程度取决于电池的性能，要想延长待机时间目前只有增大电池体积，而这样会使手机的便携性降低，影响手机外观。
具有统一标准的手机无线充电系统将具有多机共用，满足特殊场合的使用需求，节省大量的原材料，保护环境等诸多优势。
手机无线充电系统可以够满足人们随时随地的充电需求，这就解决了因为手机没电而带来的不便。
1.1.2手机无线充电系统的发展史
克尔·法拉第在19世纪30年代，在试验中发现了随着周围磁场的变化可以产生电流。
爱迪生光谱辐射能研究项目的一名助手尼古拉·特斯拉在19世纪90年代，就曾提出无线电力传输的构想，并成功申请了一个专利，由于当时的技术非常落后,最终以效率低且存在危险而放弃。
香港大学电机系讲座教授、电力电子学科组组长许树源教授在20世纪90年代，曾成功研制出“无线电池充电平台”，需要产品与充电器接触，它主要利用的是近场电磁耦合原理。
美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克（MarinSoljacic）等人在2007年初，使无线传输电力方面取得了新进展，他们用两米外的一个电源，“隔地”点亮了一盏60瓦的灯泡。
最近，英国一家公司利用电磁感应的原理发明了一种新型无线充电器，它能够使手机和其它设备进行充电，并可以在同一时间的多个手机和设备进行充电。
1.2手机无线充电系统的特点
不需要手机连线进行充电是手机无线充电系统最大的特点，它的原理是利用电磁感应、无线电波、电磁共振等。
手机进入无线充电器的覆盖区域就能够进行自动充电，这样节省了空间和资源。
随着科技的不断发展，手机无线充电系统通过电脑的控制，每秒钟充电的电量大概是现在的一百五十倍。
所以，这一系统能在将来得到广泛的应用[1]。
对于手机无线充电系统来说，方便是最主要的，除此之外，手机无线充电系统还更安全，因为没有了外露的连接器，所以跑电、漏电等安全隐患就彻底避免了。
有人担心辐射的问题，就像几年前对wi—fi和手机天线杆的担心一样。
这种担心完全是多余，手机无线充电系统这一技术最先在净水器中试用，至今已经有9年时间了，其安全性已经得到了40个国家的验证，肯定不会对人体和环境带来危害。
据介绍，无线充电大致上是通过磁场输送能量，而人类以及人类身边的绝大多数物件都是非磁性的。
无线充电系统还有一个好处就是省电，虽然目前手机无线充电系统的效能接收在70%左右，和有线充电设备相等，但随着科技的发展其效率还能提高很多，而且手机无线充电系统具备电满自动关闭的功能，这样就避免了不必要的浪费。
现阶段，手机无线充电系统还没有成熟的技术与先例，处于起步阶段。
手机无线充电系统的不足之处主要有：
功率小、效率差、距离短等，并且如果一些没有安全保证的手机电池进入充电区可能会导致意外火灾。
那么解决效率与安全的问题是新设计的无线充电系统的目标。
1.3手机无线充电系统的目前状况
无线充电技术是一个新兴的技术，其发展的十分迅速。
目前全球主要的无线充电标准是Qi标准，由全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟推出。
无线充电联盟覆盖无线充电解决方案各生产环节，其成员包括Verizon，NTTDocome，诺基亚，三星，德州仪器，华为等公司。
在2010年9月，无线充电联盟将该标准引入中国。
但未能成为消费者关注的焦点，因为2年多来真正采用该技术标准的产品在市场上并未形成一定气候。
目前的手机无线充电技术需要让被充电设备在2.45cm范围之内，即近磁场无线充电。
例如：
诺基亚手机Lumia920。
诺基亚希望不断扩大手机无线充电的版图，让它像wi—fi一样无处不在。
第二章手机无线充电的分类
电磁感应充电、无线电波充电和电磁共振充电是目前最基本的三种无线充电技术。
2.1电磁感应充电
对于手机无线充电方式来说，最重要的一个方法就是通过电磁感应充电。
它相对于传统的传导充电方法有很多优势，如：
适应性、安全性与自主充电方面。
电磁感应充电是一种适应任何天气，能够安全、高效地进行充电方法。
电磁感应充电利用了电磁感应原理。
它是先在初级和次级线圈中产生感应电流，具体来说，就是放在变化磁通量中的导体，会产生电动势，随着闭合电路的磁通量发生变化，那么在闭合电路中就会产生感应电流，然后将能量从无线充电设备传输的手机电池当中。
电磁感应在不同频率物体之间的信号是非常弱甚至是没有的，它只有在两个共振频率相同的物体之间才能有效地传输能量。
电磁感应不仅揭示了电与磁之间的关系，还为电与磁之间的相互转化奠定了基础[2]。
2.2无线电波充电
相对于电磁感应来说，无线电波充电是一种比较成熟的无线充电方式，无线电充电又称电波接收型，最大发送距离长为10m，但是，能够接收的功率很小，只有几mW-100mW。
因此，其主要用途是在便携式终端中提供待机时消耗的功率。
无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。
利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。
它是用相应的线圈来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的的一项技术，用户只需要将充电设备放在一个“平板”上即可进行充电．通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的．
2.3电磁共振充电
电磁共振技术正处于发展阶段，但是也可实现无线充电功能。
当振荡电路为非理想状态而有电阻时，电阻发热，成为阻尼振荡；当振荡电路中有外加的周期性电动势作用时，将成为受迫振荡；当外加电动势的频率与电路自由振荡的固有频率w相同时，振幅达最大值，叫电磁共振。
2008年，英特尔公司的工程师们共同研究，曾以该项技术作为基础，在距电源一米多远的地方让一个60瓦的灯泡发光，其中传输效率也保持在了百分之七十五。
手机研究者的下一个目标将是利用无线方式对经过改装的手机进行充电。
不过，要想实现这一目标并不是那么简单的，还需要同时解决好电磁场干扰电脑其它元器件正常工作的问题[3]。
第三章手机无线充电系统原理与设计
3.1手机无线充电系统原理
3.1.1电磁感应原理
目前手机无线充电系统主要采用的是电磁感应原理。
1820年，奥斯特电流磁效应的发现，第一次揭示了电能产生磁。
善于抓住新事物的苗头，勇于创新的法拉第，围绕这一课题，他以锲而不舍的精神，精心研究实验长达十年之久，终于在1831年首次发现了电磁感应现象，并总结出来电磁感应定律。
即：
不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比。
其表达式为：
上式中的符号是楞次定律的数学表示，表明感应电动势的指向。
电磁感应原理就是通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。
手机无限充电系统的结构如图1所示。
图一无线充电系统框图
3.1.2自感
当一线圈中的电流发生变化时，它所激发的磁场使得通过线圈自身的磁通量（或磁通匝链数）也在变化，从而使线圈自身长生感应电动势。
这种因线圈自身电流变化而在线圈自身引起的电磁感应现象叫自感现象，所产生的电动势叫感应电动势。
自感现象的规律如何呢？
根据毕奥—萨伐尔定律可知，线圈中电流所激发的磁感应强度B与电流I成正比，相应的，通过同一线圈的磁通匝链数也正比于线圈中的电流I，即
式中L为比例系数，叫做自感系数，简称自感。
自感L与线圈的大小、匝数、几何形状以及周围的磁介质（µ）有关，对于一个给定的线圈，其自感L在量值上等于线圈中的电流为1单位电流是穿过该线圈所围面积的磁通匝链数。
当线圈的电流I改变时，ψ也随之改变，由法拉第电磁感应定律可知，线圈中产生的自感电动势为
当L不变时，既得
式中符号是楞次定律的数学表示，它指出线圈中的感应电动势将反抗线圈中电流的改变，即电流I增加时，
与电流方向相反；当电流I减小时，
与电流方向相同。
式中的负号还揭示了这样一种性质：
线圈回路的自感系数越大，自感应的作用也越大，回路中的电流越不容易改变，也就是说，回路中的自感应有使回路保持原有电流不变的性质，这一性质与力学中物体的惯性相似，故称为“电磁惯性”，自感L则是回路本身电磁惯性的量度[4]。
3.1.3互感
当某一线圈中的电流发生变化时，它所产生的变化磁场，将使位于它附近的另一线圈中产生感应电动势。
这种电磁感应现象称为互感现象。
由此产生的感应电动势称为互感电动势。
有两个相邻的线圈
和
，分别通有电流
和
，匝数分别为
和
。
电流
产生的磁场通过
每匝的磁通量标记为
，对应的互感磁通链数记为
；电流
产生的磁场通过
每匝的磁通量记为
对应的互感磁通链数记为
。
若两线圈的形状、相对位置及周围磁介质的磁导率都保持不变，根据毕奥-萨伐尔定律，应有
和
。
式中
和
是两个比利系数，在量值只与两个回路的形状、相对位置及周围介质的磁导率有关。
实验和理论证明二者相等，因此，可统一用
表示，称为两回路的互感系数或简称互感。
这样上面两式可记为
和
。
即两个线圈的互感系数，在量值上等于其中一个线圈中的电流强度为1单位时，在另一线圈产生的磁通链数。
在非铁磁性介质的情况下，互感系数
与电流无关；在铁磁介质中，
将受线圈中电流强度的影响[5]。
3.2手机无线充电系统的设计
手机无线充电系统由电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射、接收线圈和高频整流滤波电路5部分组成，系统框架如下图2所示，最后给可充电电池充电。
从无线电路传输的原理上看，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首先要有电磁振荡，电磁波的频率越高其向空间辐射能力的强度就越大，电磁振荡的频率至少要几十KHZ，才有足够的电磁辐射。
图二手机无线充电系统的系统框架
3.2.1高频振荡电路设计
用CMOS电路六反相器CD4069的晶体振荡电路CD4069构成的两种晶体振荡电路如图3所示
图三高频振荡器电路图
3.2.2功率放大器的设计
场效应管属于电压控制元件，是一种类似于电子管的三极管，与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有输入阻抗高，输入功耗小，温度稳定性好，信号放大稳定性好，信号失真小，噪声低等特点，而且其放大特性也比电子三极管好，图4功率场效应管电路中三个电阻R1、R2、R3并联接到场效应管的栅极G，前级的高频振荡电路也接到G；原级S直接接地；漏极D接LC振荡电路，其谐振频率和前级的高频振荡频率相同。
图四功率放大器的电路图
3.2.3发射、接收电路的流程图
图五发射、接收电路的流程图
3.2.4发射电路
无线充电器主振电路采用2MHz有源晶振作为振荡器。
有源晶振输出的方波，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13003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。
其电路图如图6所示。
测得与电容组成的并联谐振回路的空芯耦合线圈的线径为O．5mm，直径为7cm，电感为47uH，载波频率为2MHz。
根据并联谐振公式得匹配电容C约为140pF。
因而．无线充电器发射部分采用2MHz有源晶振产生与谐振频率接近的能源载波频率。
图六发射电路
3.2.5接收电路
接收电路与发射电路有点相同，但相对于发射电路要简单，其电路图如图7所示。
图七接收电路
3.2.6充电电路
充电电路的作用就是为手机实现无线充电，当发射电路传输的能量经过接收电路后，接受电路的能量经过充电电路一系列的转化后形成电流，其电路图如图8中所示为手机充电电路。
该电路主要由一块软塑封集成块和三极管等组成，从变压器端感应出的交流电压经过二极管整流，电容滤波后，空载时输出直流电压，该电压一部分加到三极管的e极，另一部分送到集成块，提供工作电源，集成块有了工作电源启动工作后输出低电平脉冲，三极管导通，开始充电。
图八充电电路
第四章手机无线充电系统的展望
4.1手机无线充电系统标准化
随着人们把移动电子产品设计的越来越轻越来薄，这样很大程度的降低了功率，这使无线充电系统的应用空间更广泛。
由于无线充电器制造原理简单，而且具实际应用价值很高。
如果火车上、家庭或酒店都装有这种无线充系统，这样就我们不再需要随身携带充电器却可以随时随地为手机充电了。
最近无线充电产品越来越受人们关注，也使人们越来越看好这一产品的发展前景[6]。
只有经历了市场的检验，才能说这款产品成功与否。
虽然无线充电技术已经占有了部分市场，但只有形成一个国际通行的标准，才能普及无线充电技术，目前无线充电技术国际通行标准是Qi标准。
这样电能接受设备和电能发送设备之间具有广泛的兼容性，不同产家的不同产品之间也能实现相互转换。
所以无线充电技术标准化具有很大的作用。
从环保的角度来说，几年前，虽然关于手机有线充电器的相关标准文件已经颁布，即都采用USB接口，但是它仅仅实现了统一了充电器端的接口标准，对于手机端的接口并没有统一，这并不是完全意义上的统一，因为这样既浪费资源又会使环境造成污染。
但是，如果为无线充系统制定一个统一的标准，而不是像有线充电器那样只能为一种电子产品充电，这样就可以为用同一充电器为所有符合这一标准制造的可充电电池充电，这样使充电器具备了通用性，在某种程度上，无线充系统可以为手机和笔记本电脑等其它类型的电子产品同时充电。
因此，使无线充系统标准化，这样既对环境有利，又节省资源。
对于消费者来说，无线充电系统[7]标准化之后，这样只要有一个固定的发送端，用户就可以轻松的充电，还可以实现包括换手机不换充电器、多机共用。
如果这样的发送设备安装到公共场所，只要按下充电的开关，消费者就再也不用为手机没电而苦恼了。
这样消费者即节约了部分开资又带来了很大的方便。
从宏观角度来说，无线充电系统的标准化是符合产业整体利益的，标准化对各个产业链都是有好处的。
因为无线充电系统的标准化程度越高，产品的成本就会越低。
从数码产品的发展过程来看，数码产品发展的方向都是标准化、开放化。
因此，手机无线充电系统标准化将成为发展的必然趋势[8]。
无线充电系统标准化后，只需用一个发送端，这样就能够为所有符合这种标准制造的手机电池用同一无线充电系统充电，真正实现了手机充电的通用性。
4.2手机无线充电系统的未来市场
无线充电，目前得到了诸多大厂家的广泛支持，并且并进行了用力推广。
无线充电系统受到很多全球知名厂商尤其是手机厂商的重视。
手机被公认为首先普及标配无线充电功能产品，无线充电已成为便携式电子产品应用的发展趋势。
目前在美国波士顿的17家星巴克咖啡连锁店中装有手机无线充电设备，这样让客人在享用咖啡和Wi-Fi网络的同时，只需将支持无线充电的手机放到桌子上，就能为自己的手机补充电量，轻松简便。
预计在今年将在全球范围内开始全面投入无线充电系统。
在未来无线充电器有可能会与手机一起捆绑进行销售，使其在手机行业进行大力推广。
除了手机行业以外，无线充电系统还应用于其他行业，如：
家具行业、电信行业、汽车行业、玩具行业等。
根据调研公司iSuppli发布的数据来看，无线充电市场将呈井喷式增长，截止到2013年，无线充电设备市场在2013年将达到140亿美元，无线充电器销售额将达到1.8亿美元，其中绝大部分将来自于手机产业。
iSuppli公司还预测：
2014年，配备无线充电功能的设备出货量将增至2.35亿台，这个数字是2010年的65倍，其市场规模也将增至180亿美元。
该公司认为，未来几年手机、PC、数码相机等电子产品将出现配备无线充电功能的浪潮，这将全面开启无线充电系统的应用与普及，从而彻底摆脱有线充电带来的束缚。
对于全球最大的手机通讯市场中国来说，具有诸多优点的手机无线充电产品的需求将呈几何增长。
所以手机无线充电系统行业有很大发展潜力。
这对于中国企业来说，既是机遇也是挑战，只有积极参和共同研究、开发，才能有效地提升企业的产品宽度和竞争能力。
也许有一天，无线充电器不仅能给手机充电，还可以在没有数据线连接的情况下实现与PC的链接。
而“数据线”则会像有线充电器一样被人们所遗忘。
不管怎样，更加方便实用的手机无线充电系统相比凌乱的有线充电来说已经被越来越多的厂商所看好。
2012年，诺基亚lumia920的上市已经给很多手机厂商看到了新的商机，手机无线充电功能将作为未来手机设计中的重头戏。
手机无线充电系统的设计也将越来越具有商业价值。
结束语
虽然无线充电技术起步较早，但目前仍然不够完善，并没有大量的应用到实际操作中。
本文通过对手机无线充电系统的工作原理和电路图研究，使读者对手机无线充电系统有了一个大概的了解。
手机无线充电系统将给消费者带来极大的方便，并且节约成本，保护环境。
通过数据分析相信手机无线充电系统会有广阔的未来市场。
随着社会的不断进步与科学技术的不断提高，无线电流就会像空气一样存在于整个世界。
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一种新颖的无接触充电
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