本科毕业设计手机无线充电器设计.docx

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本科毕业设计手机无线充电器设计

毕业设计

手机无线充电器设计

学生姓名：

专业班级：

电气工程及其自动化

指导教师：

学院：

手机无线充电器设计

摘要

随着人类社会的不断发展，科技不断进步，智能手机得以普及，给人们带来了前所未有的科技体验，智能手机耗电快、电池续航短、充电频繁带来的接口损坏以及充电宝携带不便等问题也让手机无线充电器迎来发展的契机。

基于此，本次毕业设计将设计一个手机无线充电器。

提供更好的生活方式。

本文将设计一个微距手机无线充电器，充电距离只有几厘米，或者通过接触进行充电，可对一般手机锂电池充电，充电定压不会不超过5V。

无线充电器的基本原理根本上还是电磁感应原理，并不是什么新兴技术。

本文的主要内容是设计充电器的电路，元器件的选择。

无线充电器的电路部分的设计主要分为电能发射部分、电能接收转换部分、充电部分。

若电源为交流电，首先经过整流电路整流、滤波，在高频震荡电路产生高频振荡，经过功率放大电路，通过线圈L1发射出去，线圈L2接收到来自L1辐射的电能，同样经过整流滤波以后，由一个纯控制电路来控制，给电池充电。

这就是整个充电器的设计方案。

本文将设计的无线充电器充电距离为微距，甚至需要通过接触进行充电，充电容量针对一般手机锂电池。

整体电路的设计秉承分块设计，功能集中体现的思想：

分成几个电路模块来设计，最终结合在一起实现无线充电的功能。

电路设计将按现在手机无线充电器的一贯设计方式。

关键词无线充电电磁感应互感微距

MobileWirelesschargerdesign

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofhumansociety,scienceandtechnologyprogress,thesmartphonehasgainedpopularity,hasprovidedpeoplewithunprecedentedexperiencescienceandtechnology,intelligentmobilephonepowerfastcharging,batterylifeisshort,frequentdamageinterfaceandchargingtreasurecarryinconvenienceandotherissuesalsomakeswirelesschargerformobilephonedevelopmentopportunities.Basedonthis,thisgraduationdesignwilldesignamobilewirelesscharger.Provideabetterwayoflife.

Thispaperwilldesignamacrocellphonecharger,wirelesschargingdistanceisonlyafewcentimeters,orthroughcontact,butfortheaveragecellphonelithiumbattery,chargingconstantpressuremaybenomorethan5v.Thebasicprincipleofwirelesschargerfundamentallyorelectromagneticinductionprinciple,andnotwhatemergingtechnologies.Themaincontentofthispaperistodesignachargercircuit,thechoiceofcomponents.Wirelesschargercircuitpartofthedesignismainlydividedintoelectricitytransmittingparts,powerreceivingtransformation,chargingpart.Ifthepowersupplyforalternatingcurrent（ac）,firstthroughtherectifiercircuitrectifier,filter,high-frequencyoscillationinthehighfrequencyoscillationcircuit,apoweramplifiercircuit,throughthecoilL1launchout,coilL2receivedfromL1radiationpower,alsoafterrectifyingfiltering,byapurecontrolcircuittocontrol,torechargethebattery.Thisisthedesignofthecharger.

Inthispaper,thedesignofawirelesschargerformacro,chargingbycontactwillberequired,evenfornormalcellphonelithiumbatterychargingcapacity.Thewholecircuitdesignofadheringtotheblockdesign,functionembodiedmind:

intoseveralcircuitmoduletodesign,finallytogether,wecanrealizethefunctionofwirelesscharging.Circuitdesignwillbeeffectedaccordingtothemobilewirelesschargernowconsistentdesignapproach.

Keywords　WirelesschargingElectromagneticinductionMutualinductance microspur

摘要

Abstract

1前言

1.1无线充电技术的概述

无线充电技术（Wirelesschargetechnology）。

 无线充电技术，也就是无线电力输送技术[1]。

无线充电，又名感应充电、非接触式感应充电。

无线充电，简而言之就是在没有任何导电线的情况下进行充电，只是以空气为介质就可实现电能传输的充电方式，为设备进行充电。

是利用近场感应，即电感耦合原理，由供电设备将能量传送至用电设备的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。

能量以电磁波形式通过电感耦合由电源传送至用电设备，两者之间不用电线连接，实现了无线充电的真正含[2]。

1.2无线充电技术背景

随着科技与社会的进步，随着像智能手机，智能手表、手环、平板电脑等各种形形色色的电子产品进入我们的生活，人们对充电方式也提出了新的要求。

它们在为我们的生活带来便利与乐趣的同时，也存在很多问题。

首先是续航时间短带来的问题，现在电子产品为追求用户体验多采用超大屏幕，加上现在智能手机内置各种功能软件硬件，现在人们使用手机的频率也大大提高，锂电池需要满足体积不能太大的情况下，续航时间就变得尤为短。

所以需要频繁的给手机充电，而有线充电也就意味着需要频繁的插拔充电线，极易损坏手机。

其次，现代电子产品采用的有线充电存在较多弊端，如果环境潮湿，充电线容易在充电的时候短路或者漏电，损坏充电线和手机。

有线充电需要充电线才能进行，每种电子产品或者同类电子产品就需要不同的充电线，不能一线多充，也就是说如果出门就需要携带一堆不同的充电线，携带很不方便。

有线充电已经远远不能满足人们对生活品质的追求，这种情况下，无线充电应运而生。

无线充电顾名思义即利用无线电能传输技术实现电能传输进而对电子产品进行充电，虽然无线充电技术不算是一种新兴技术，只是基于无线电力传输技术的一种新应用，但是它仍然是一种朝阳产品，在国内的运用才刚刚起步，即使在国外也运用得并不广泛，它仍然是一种不断发展不断完善的的技术，它的运用和它未来的产业将会越来越大[3]。

1.3无线充电技术的发展

从1820年安培发现电流可以产生磁场开始，电与磁就紧密的联系在了一起，在该领域相继有了更多发现。

1831年8月，迈克尔·法拉第发现了一种现象：

即穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中都会有电流产生，利用磁场产生电流的现象，也就是电磁感应现象[4]。

电磁感应现象的发现为后来1864年麦克斯韦建立电磁场理论有深刻的影响，同时还建立了统一电磁方程，用数学的方法描述出电磁场中各物理量的关系。

之后基于电磁学理论的发现。

如雨后春笋般涌现：

1889年，尼古拉·特斯拉已经取得交流电专利权，正进行着无线电力传输相关实验（图1-1），1891年，他证实了无线能量传输，于是他做了一个伟大的构想：

将地球与电离层做成一个巨型的无线能量传输系统，以电磁波来传导能量，这是最早期的无线电能传输系统，为后来的无线充电技术的发展奠定了理论基础。

图1-1特拉斯无线电力传输实验

1.3.1国内外发展现状

2007年6月，美国麻省理工学院马林·索尔贾希克（MarinSoljacic）团队在长达4年的实验研究中终于获得重大突破。

他们在实验中使用了两个直径为50cm的铜线圈，通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振，从而成功点亮了距离电力发射端2m以外的一盏60W灯泡[5]。

而且，即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其它电器，都不会影响灯泡发光通过无线电力传输技术成功点亮了一盏60w的灯（图1-2），该项实验最远能量传输距离为2.7米，但是研究者认为该距离已经足够可以给用电器充电，甚至给屋子里所有用电器充电，这是可以实现的。

图1-2无线电力实验

2010年9月，日本富士通实验室的研究人员开发了一种无线充电系统，可同时给数厘米范围内的各种小型移动设备充电，无需使用电缆[6]。

富士通的系统则是基于磁共振原理，电能可在两个共振频率相同的线圈之间无线传递。

2011年3月9日，第一辆无线充电电动车“网上电动车”（OnlineElectricVehicle/OLEV）在韩国在韩国京畿道果川市的首尔大公园投入使用[7]。

如图1-3。

2013年芬兰首都机场，为乘客免费提供无线充电器。

图1-3韩国推出全球第一辆路面充电电动车

在强大的市场需求下，无线充电技术的应用日益壮大，各大公司的相关产品也层出穷，逐渐代替传统技术下的产品，无线充电技术日趋成熟。

也将会应用在更广阔的领域。

为了促进无线充电技术的进一步发展，2008年，由德州仪器、美国国家半导体、奥林巴斯、飞利浦电子等等著名的电子制造企业共同组建了世界第一个无线充电组织联盟WPC。

该联盟目前已有109家企业会员。

在WPC联盟会员中，手机行业率先加入，包括三星、华为、诺基亚、黑莓等。

2010年联盟还制定了统一的无线充电标准Qi，用来提高各企业不同产品之间的兼容性。

目前，Qi采用现下最主流的无线充电技术，即电磁感应技术。

继WPC成立之后，2012年3月和5月相继又出现PowerMattersAlliance（PMA）、AllianceforWirelessPower（A4WP）两大无线充电联盟，采取不一样的充电标准，从而各大企业分成三大阵营[8]。

三大联盟的会员也就采用了三种不同的无线充电标准，用不同的标准开发产品使得各个公司的产品之间的兼容性很差，用三种不同的标准进行研究，这也是是无线充电技术发展缓慢的重要原因之一。

2014年2月，PWM与A4WP两大标准宣布互通，预示着无线充技术的发展又朝前迈进一步[9]。

我国在无线充电技术方面的起步明显滞后于其他国家，还处于发展的初级阶段，近几年在国外市场旋风般的影响下，以及巨大的市场前景，我国的无线充电技术取得了一些可喜的成果。

我国深圳双飞燕有限公司于2004年推出过一款不用接USB接口的无线充电鼠标，实现了真正意义上的无线鼠标，由无线电能发射端插入电脑USB接口，以空气为介质给鼠标充电，利用的就是无线充电技术。

图1-4双飞燕AK-30免电池无线充电鼠标

比亚迪早在2005年12月就申请了非接触感应式充电器专利，并在2014年7月卖给犹他大学一辆40英尺的纯电动巴士，这款巴士就装配着最新的WAVE无线充电垫，应用的即是当时的该项专利，该项专利应用的电磁感应技术。

2005年，由香港城市大学许树源教授成功研制的基于ICPT的“无线充电平台”，该平台是利用低频磁场对电子产品进行自动充电，可数个电子设备同时进行，充电时间与正常有线一样。

美国安利企业率先将无线充电技术应用于净水器中，为内置于滤芯中的紫外线消毒设备提供实时的无线充电，避免了因为消毒设备没电而带来的麻烦，提高其安全性，也为简化了产品功能模块。

2010年9月，无线充电联盟WPC将无线充电标准Qi率先引入中国。

在2011年美国消费电子展会（ConsumerElectronicShow，CES）上，海尔公司推出了概念性的“无尾电视”，该电视突破传统电视局限，没有任何外置接线口，没有网络线、信号线、电源线。

2013年1月，哈尔滨工业大学发布了基于磁共振的无线充电技术，能够达到一米以外的充电距离。

国内已经迎来了无线充电技术蓬勃发展的时代，终端企业已经拥有足够的技术储备。

有如像华为技术有限公司一样的早在2012年初称其已经完全储备有无线充电相关技术，准备随时开发应用相关技术的新产品。

图1-5海尔无尾电视

1.3.2无线充电市场前景

　　今年的诺基亚纽约发布会上，诺基亚向我们展示了回家以后随手把手机放上充电垫边充电边听音乐的场景。

Lumia920内置了无线充电接收器，不久的将来，在美国本土的香啡缤店面和伦敦希思罗机场都将有无线充电器可用。

　　无线充电已从梦想步入现实，从概念变成了商品，未来几年将在手机、PC、电视、电动汽车等领域引领新风尚的趋势。

无线充电技术具有非常广阔的市场前景。

　　根据对北美和欧洲市场需求调查报告显示，北美与欧洲市场对无线充电产品表现出极大的兴趣，81%的消费者希望多样的电子产品可以同时充电。

这种需求刺激了无线充电产品市场的快速发展。

早在几年前，无线充电产品已经进入市场，较为大家所熟知的便是iPhone无线充电器，在日本售卖已经有一年多时间了，其中包括日立麦克赛尔已经推出的符合WPC标准的iPhone系列产品。

另外日本NTTDoCoMo公司早在CEATEC2010展会上推出了无线充电手机，并希望在2014年以前该公司推出的所有手机都具备无线充电功能。

除了日本厂商以外，目前HTC、摩托罗拉、LG的上市产品中有的也已具备无线充电功能。

有分析师预测，2013~2014年将是无线充电器市场的真正拐点，尽管目前无线充电器市场主要集中在日本和欧美地区，但随着智能设备的增多以及设备功能多样化需求，它的市占率将得到大幅提升。

根据市场研究机构MarketsandMarkets的一份报告，全球无线充电市场将在未来五年内获得井喷式增长，到2017年将形成超过70亿美元的市场，而在2011年这一数字仅仅只有4.57亿美元，年复合增长率预计为57.6%。

　　无线充电技术备受国际知名手机厂商的重视，未来无线充电器将在手机行业率先进行大力推广，并有可能会与手机一起捆绑进行销售。

除了手机行业以外，目前在开发的无线充电应用市场还包括家具行业、电信行业、汽车行业、玩具行业、消费电子领域。

根据市场调研公司iSuppli的数据显示，无线充电设备市场在2013年将达到140亿美元的规模。

　　无线充电带来的效益不仅仅是单个无线充电器市场的发展，而是无线充电平台的打造，即公共移动设备充电站将有可能成为现实，它可以让你在飞机场、麦当劳、咖啡厅等公共场所随时随地进行充电。

或许有一天，在没有数据线连接的情况下，无线充电器不但能给设备充电，还可以实现同步数据和资料传送功能。

而目前的无线充电主要还是接触式充电，未来还可能是隔空充电，但要实现这些功能，首先要解决的便是充电效率低的问题，而这还需要一段时间。

中国是世界最大的无线移动通讯市场，对于便捷、易用、互通、兼容的无线充电产品的需求将呈几何级别增长。

无线充电行业发展的巨大潜力，也能促进中国企业积极参与和研究这一市场，有效地提升企业的产品宽度和竞争能力。

中国有强劲的国内消费市场和份额巨大的海外出口，预计中国市场的无线充电技术发展应会很快。

如今与此相关的各项核心技术，鲁恩科技已经全面解决，可以提供整套PCBA及软件，为成品厂商提供与国际巨头同台竞技的强大技术支持。

1.3.3最新发展趋势的现状

1.3.3.1领域扩大化

据研究这讨论认为，无线充电技术在未来的应用前景广阔，市场前景也被看好，业内专业机构预计2017年世界无线充电市场将达到73亿美元。

无线充电技术本身及相关技术都日趋成熟，加上现在市场上对无线充电的相关电子产品需求量不断增长，人们对无线充电技术便有了更多期待，这也是无线充电技术应用领域不断扩大化的主要原因之一。

无线充电技术在早期不够纯熟，传输功率比较小，最早应用于像手机、MP3、耳机这一类功率低，功耗小的电子产品领域。

现在，无线充电技术逐渐成熟，传输功率也不断增加，开始应用在更多的电子产品领域，功耗增大，范围更广。

首先就是医疗领域，无线充电技术的发展无疑的也推动了医疗器械的改革，它改变了传统的植入式医疗电子产品的供电方式，不再需要定期更换电池，所以也避免了更换电池带来的一切手术后果。

例如心脏调节器、心脏起搏器、内窥镜等都有应用。

其次是交通运输领域，已经出现了无线充电的电动汽车，目前，无线充电的电动汽车在各大汽车制造公司成为大热之势，纷纷研发自己的无线充电汽车。

现在无线充电技术在交通运输方面的应用成为研究的热点。

早在2011年3月9日，韩国推出全球第一辆无线充电电动车“网上电动车”。

再次，家电行业也早有无线充电技术的应用范例，例如最早的安利公司推出的的无线充电净水器，用无线充电方式为内芯的紫外线消毒设备供电，以及最近的这几年海尔公司推出的“无尾电视”，都采用无线充电方式。

未来洗衣机、空调、吸尘器等等都将是无线充电技术应用的发展方向。

最后是更宏大的太空领域，建立太空无线电能传输系统，以地球为依托，电离层与地球之间通过电磁波传递能量，将太阳能转化成电能然后供给人类使用，将是一个伟大的构想。

无线充电技术的应用领域远远不止这些，在伟大的国防事业，航空航天事业，海洋开发事业，海底探测事业都将有更高的研究价值和研究热点，也将得到更有效的应用。

1.3.3.2发展动力多重化

任何一种技术的革新和大热都离不开背后的强大推手，也就是其技术发展的驱动力，无线充电技术也是如此。

无线充电起初只是小众技术，属于小范围开发利用，而且也仅仅出现在实验室而已，发展至今，无线充电技术已经活跃在我们视野中，应用于我们生活中各种电子产品，各个国家在该技术上加大投入，争相进行技术竞赛，技术快速发展的因素主要在于市场需求，需求量加大正是一种最强大的驱动力，但不是唯一的驱动力，而是日益多重化：

①电子产品美观性和安全性要求的提高。

社会发展到今天，生活中形形色色的电子类产品在设计上除了在技术上要求精益求精，美观度也在不断提出新的要求，人们的审美也越来越挑剔。

电子产品的机身不在设置充电接口，也就不再需要繁杂的充电线，提高了美观度和便携度。

同样，没有了充电接口也就减少了因为充电给设备带来的损坏，安全性能也得到更大的改善，设备使用寿命得以延长。

②充电端口统一化。

从有了充电器开始，充电技术的发展一直没有停止，面对形形色色的充电器的中，相关研究者一直在为了统一同类产品充电端口而努力，为了简化充电器的复杂，然而有线充电器最大程度的统一也只限于同一类别的电子产品，无线充电方式却可以最大程度的实现端口统一化。

同一套无线充电设备可以分别给智能手机、智能手环、智能手表、平板电脑等不同产品统一供电，更方便更容易，还节省了制作不同产品不同端口的充电器的材料。

③科技领域一直提倡环境友好型发展。

社会的进步离不开良好的环境，世界各国一直提倡关注全球气候变暖，关注人类生活环境，所以科技的发展也是逐渐朝着绿色环保的方向发展，保持与环境保护步调一致。

无线充电端口高度的统一化，节省了大量用来制作不同端口充电器的材料，避免了材料的浪费，同时，方便的充电方式，也减少了用户对电池的需求量，减少电池的生产，即是对环境最大的一种保护，生产电池过程中产生的废物以及废旧电池中的有害物也更少的流入土壤。

无线充电的能耗也大大减小，节省能源。

应用于电动汽车方面，减少汽车尾气排放。

1.3.3.3发展瓶颈明朗化

无线充电技术现下处于一种大热之势，各国争相发展该项技术，投入大量人力物力，各家企业纷纷推陈出新，涌现不少新鲜产品。

然而其发展速度与普及速度并不与其投入力度成正比，比人们预料的还慢很多，在巨大的市场需求与投入下，发展瓶颈日益凸显。

①没有统一标准。

无线充电技术发展迅猛，成为现下最热门技术之一，世界各大企业纷纷投入巨资，组织成千上万的专家团队，大大小小的实验室，在这一领域大展拳脚，争相研究。

国际上还没有统一的无线充电标准，目前有Qi、A4WP和PMA三大标准，第一，Qi标准是无线充电联盟WPC（WirelessPowerConsortium）制定的标准，依据的是电磁感应原理，具备便携性和通用性的特点，适用于近程小功率的电能传输。

第二，A4WP（AllianceforWirelessPower）标准是由是无线联盟A4WP提出的标准，该联盟由美国高通，韩国三星等公司提出组建，也由他们制定了该标准，该标准采用的是“电磁谐振无线充电”技术，具有传输功率低的特点，适用于中程距离电能传输，较Qi标准距离更远。

第三，PMA（PowerMattersAlliance）标准是由DuracellPowermat公司提出的标准，依据电磁感应原理，特点跟采用Qi标准的系统一样，适用于近距，小功率，同样也存在发热，充电位置必须精准等充电困扰。

PMA标准是一种符合IEEE协会标准的手机和电子设备的无线供电标准，在无线充电领域中具有一定领导地位。

三大联盟各自的会员分成了三大阵营，采用各自的无线充电标准开发的产品，用各自的标准进行技术研究。

互不兼容的充电标准导致各自的产品也互不兼容，研究成果也不能共享，这也就直接影响了无线充电技术的发展，导致其进展速度如此缓慢，无线充电相关产品不能更快的普及。

②传输效率较低，无线充电技术发展一直存在瓶颈，进展缓慢，尤其是传输功率低，效率低，距离短等问题一直是技术发展的难点，也是无线充电需要突破的关键点。

尤其是电磁感应式的无线电能传输，线圈产生的磁场辐射到次级线圈时会有大量的能量损耗，一些实验数据表明，能量的传输效率仅在70%左右，造成的能源浪费问题不可忽视。

并且当传输距离保持一定范围内，否则传输效率会因为距离加大而迅速降低，甚至会感应消失，不能进行无线电能传输。

良好的感应距离在5cm以下，只能实现近程充电。

传输效率低、传输距离短以及以及传输功率，还有充电的设备和环境的受限无疑都是阻碍它发展的重要原因。

1.3.4手机无线充电器发展现状

上世纪90年代，无线传输技术只能点亮一盏12W的灯，因此早期无线充电技术最大的困难在于