無(wú)線充電器的設(shè)計(jì)及制作

　　摘要

　　基于現(xiàn)在中國(guó)市場(chǎng)上還沒(méi)有真正的無(wú)線充電的產(chǎn)品，我們利用電磁感應(yīng)的基本原理結(jié)合模擬數(shù)字基礎(chǔ)理論設(shè)計(jì)制作了智能無(wú)線充電系統(tǒng)。此作品內(nèi)部應(yīng)用電流控制型脈寬調(diào)制集成電路來(lái)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管從而產(chǎn)生高頻振蕩脈沖，通過(guò)電磁感應(yīng)向外界傳送能量，通過(guò)接收電路把磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化成電能從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的充電（此作品以手機(jī)電池充電為例）。其系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，市場(chǎng)前景極其廣闊。

　　無(wú)線充電設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作

　　--無(wú)線充電的發(fā)射部分

　　電子信息工程 09城建電子（2）班 馬吉智

　　指導(dǎo)老師 花海安

　　1 緒論

　　無(wú)線供電是一個(gè)很吸引人的制作課題，許多電子類雜志和論壇上都有關(guān)于制作無(wú)線供電電路的介紹，這些電路雖各有千秋，但都有一個(gè)共同的不足之處，一是傳輸效率不太理想，二是不論有無(wú)接收器在工作，發(fā)射部分都一如既往地向外源源不斷地發(fā)射能量，這是不能令人滿意的。

　　無(wú)線充電技術(shù)利用了電磁波感應(yīng)原理，及相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù)，在發(fā)送和接收端用相應(yīng)的線圈來(lái)發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號(hào)來(lái)進(jìn)行充電的一項(xiàng)技術(shù)，用戶只需要將充電設(shè)備放在一個(gè)“平板”上即可進(jìn)行充電，這樣的充電方式過(guò)去曾經(jīng)出現(xiàn)在手表和剃須刀上，但是當(dāng)時(shí)無(wú)法針對(duì)大容量鋰離子電池進(jìn)行有效充電。

　　無(wú)線充電技術(shù)此前已經(jīng)出現(xiàn)，但這項(xiàng)新發(fā)明更為方便實(shí)用。手機(jī)等設(shè)備只要貼上接收線圈，放置在“鼠標(biāo)墊”上的任一位置都可充電，不像以前的一些技術(shù)那樣需要精確定位。幾個(gè)設(shè)備同時(shí)放在墊子上，可以同時(shí)進(jìn)行充電。充電器產(chǎn)生的磁場(chǎng)很弱，能夠給設(shè)備充電但不會(huì)影響附近的信用卡、錄像帶等利用磁性記錄數(shù)據(jù)的物品。

　　1.1研究的目的和意義

　　在我們的日常生活中，經(jīng)常會(huì)遇到手機(jī)、電腦等電量不足，急需沖電的情況，但是我們不可能隨時(shí)攜帶充電器，導(dǎo)致手機(jī)充電很麻煩?，F(xiàn)在有了無(wú)線充電技術(shù)就可以在很大的程度上減少這樣的麻煩。

　　無(wú)線供電的設(shè)想最早由交流電之父特斯拉在一百多年前就已經(jīng)由此構(gòu)想了。他設(shè)計(jì)在地球和電離層之間建立起8Hz左右的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的電磁波來(lái)傳輸電力，就像無(wú)線電通信一樣，但后來(lái)特斯拉在1908年停止了這項(xiàng)宏大的實(shí)驗(yàn)，他所建造的鐵塔也因經(jīng)濟(jì)困難而被拆除抵債。

　　最初由英國(guó)一家公司發(fā)明了一種新型無(wú)線充電器，它看上去就像一塊塑料鼠標(biāo)墊，這個(gè)“鼠標(biāo)墊”里裝有密集的小型線圈陣列，可產(chǎn)生磁場(chǎng)，將能量傳輸給裝有專用接收線圈的電子設(shè)備，進(jìn)行充電。接收線圈由磁性合金繞以電線制成，大小和形狀都與口香糖相似，可以很方便地貼在電子設(shè)備上。將手機(jī)等放在墊上就能充電，并能同時(shí)給多個(gè)設(shè)備充電。

　　人類對(duì)無(wú)線供電技術(shù)的研究一直在繼續(xù)，尤其在航天領(lǐng)域里，人們想建立衛(wèi)星太陽(yáng)能電站，那么就必須實(shí)現(xiàn)高效率的無(wú)線供電。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，無(wú)線供電技術(shù)開(kāi)始在民用領(lǐng)域頻繁露面，各公司紛紛推出自己的產(chǎn)品。

　　無(wú)線充電可以解決很多問(wèn)題。

　　第一，它可以改變電子產(chǎn)品充電接口不兼容的情況。

　　第二，有很多傳感器需要無(wú)線充電，還有一些遠(yuǎn)程的監(jiān)控的傳感器，一樣地需要無(wú)線充電技術(shù)。

　　第三，就是植入性醫(yī)療器件的充電。

　　第四，無(wú)線充電技術(shù)還可以運(yùn)用到市政交通方面。

　　第五，無(wú)線充電技術(shù)還可以提高設(shè)備的安全性，比如一些在潮濕環(huán)境中工作的設(shè)備，外露的充電接口是安全隱患。

　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

　　無(wú)線充電技術(shù)引源于無(wú)線電力輸送技術(shù)，利用磁共振在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振，實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸?shù)募夹g(shù)。

　　麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在2007年6月7日美國(guó)《科學(xué)》雜志的網(wǎng)站上發(fā)表了他們的研究成果。研究小組把共振運(yùn)用到電磁波的傳輸上而成功“抓住”了電磁波。他們利用銅制線圈作為電磁共振器，一團(tuán)線圈附在傳送電力方，另一團(tuán)在接受電力方。當(dāng)傳送方送出某特定頻率的電磁波后，經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)擴(kuò)散到接受方，電力就實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳導(dǎo)。這項(xiàng)被他們稱為“無(wú)線電力”的技術(shù)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，已經(jīng)能成功為一個(gè)兩米外的60瓦燈泡供電。目前這項(xiàng)技術(shù)的最遠(yuǎn)輸電距離還只能達(dá)到2.7米，但研究者相信，電源已經(jīng)可以在這范圍內(nèi)為電池充電。而且只需要安裝一個(gè)電源，就可以為整個(gè)屋里的電器供電。富士通表示這一系統(tǒng)可以在未來(lái)得到廣泛應(yīng)用，例如針對(duì)電動(dòng)汽車的充電區(qū)以及針對(duì)電腦芯片的電量傳輸。采用這項(xiàng)技術(shù)研制的充電系統(tǒng)所需要的充電時(shí)間只有當(dāng)前的一百五十分之一。

　　隨著科技的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，人們的需求正日益發(fā)生著深遠(yuǎn)的變化，對(duì)科技含量的要求越來(lái)越高，關(guān)于無(wú)線充電的技術(shù)已經(jīng)有過(guò)多年的討論和研究，目前一些知名公司已經(jīng)推出一些無(wú)線充電設(shè)備，但有一些地方還不很完善，還需進(jìn)一步改進(jìn)。

　　無(wú)線充電技術(shù)在小功率的范圍內(nèi)還是可以顯示出它的優(yōu)越性的。比如小型直流用電設(shè)備中的通訊儀器儀表、民用無(wú)線通訊手機(jī)、微型計(jì)算機(jī)、小型便攜式家用電器等。但實(shí)施大功率的無(wú)線傳輸來(lái)說(shuō)，就比較困難了。

　　目前國(guó)內(nèi)主要的研究方向集中在系統(tǒng)諧振頻率及原副邊的補(bǔ)償電路拓?fù)涞确矫?，基本上都還處在理論領(lǐng)域進(jìn)行研究，在應(yīng)用領(lǐng)域最近兩年才有所突破，但都還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

　　無(wú)線充電技術(shù)目前可通過(guò)三種方式實(shí)現(xiàn)：電磁感應(yīng)式（利用電流通過(guò)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)近程無(wú)線供電）、電磁耦合共振方式（利用磁耦合共振效應(yīng)近程無(wú)線供電）、微波/激光輻射方式（電力轉(zhuǎn)換成電波以輻射傳輸供電）。

　　1.2.1 電磁感應(yīng)方式

　　電磁感應(yīng)式是使用最廣的一種方式，其原理類似于分離的空心變壓器。飛利浦的電動(dòng)牙刷就是此類應(yīng)用。目前許多公司都在開(kāi)發(fā)這方面的技術(shù)。但電磁感應(yīng)技術(shù)的一個(gè)不足就是用以傳遞能量的變化磁場(chǎng)，會(huì)隨著兩個(gè)線圈的距離增加而迅速減小，所以傳輸距離非常有限。

　　目前常見(jiàn)的充電墊也是利用了電磁感應(yīng)原理，將多個(gè)電子產(chǎn)品，如手機(jī)、相機(jī)、MP3等放到同一個(gè)充電墊上，能進(jìn)行同時(shí)充電，而且無(wú)需精確定位，原因是充電墊內(nèi)裝有密集的小型線圈陣列，能在各個(gè)方向上建立磁場(chǎng)。接收線圈由磁性合金繞以電線制成，它附著于電子設(shè)備的充電電池上，充電時(shí)置于充電墊磁場(chǎng)中的接收線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，能量就從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?。由于充電墊產(chǎn)生的磁場(chǎng)很弱，所以不會(huì)對(duì)附近的信用卡、錄像帶等利用磁性記錄數(shù)據(jù)的物品造成不受影響。該解決方案提供商包括英國(guó)Splash power、美國(guó)wild Charge等公司。這種接觸式無(wú)線電力傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠，但是傳輸功率較小、傳送距離短，一般只適用于為小型便攜式電子設(shè)備供電。

　　1.2.2電磁耦合共振方式

　　07年MIT的一個(gè)無(wú)線供電的研究成果使世界為之一嘆，其背后的原理就是電磁耦合共振。

　　在07年，MIT的助理教授馬林·索爾賈?？耍∕arin Soljacic）和他的研究小組在長(zhǎng)達(dá)4年的實(shí)驗(yàn)研究中終于獲得重大突破。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)直徑為50cm的銅線圈，通過(guò)調(diào)整發(fā)射頻率使兩個(gè)線圈在10MHz產(chǎn)生共振，從而成功點(diǎn)亮了距離電力發(fā)射端2m以外的一盞60W燈泡，效率為45%。而且，即使在電源與燈泡中間擺上木頭、金屬或其它電器，都不會(huì)影響燈泡發(fā)光。

　　另外還有采用射頻點(diǎn)播發(fā)射能量的方法。

　　美國(guó)的Power cast，目前占有射頻波段無(wú)線能量傳輸?shù)念I(lǐng)先地位。與需要接觸的充電墊子不同，Powercast公司推出的無(wú)線供電組件，在915Mhz的波段下，可以在一米的范圍內(nèi)給小型電子設(shè)備充電，而接收器則利用共振線圈吸收射頻電波。

　　1.2.3微波/激光輻射方式

　　理論上，無(wú)線電波波長(zhǎng)越短，其定向性越好，彌散越小，所以，可利用微波或激光形式來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸， 這對(duì)于新能源的開(kāi)發(fā)和利用、解決未來(lái)能源短缺等問(wèn)題也有著重要意義。因此，許多國(guó)家都沒(méi)有放棄這方面的研究。

　　1968年，美國(guó)工程師彼得格拉澤提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電（Space Solar Power，SSP）的概念，其構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽(yáng)能發(fā)電基地，通過(guò)微波將電能送回地球。1979年，美國(guó)航空航天局NASA和美國(guó)能源部聯(lián)合提出太陽(yáng)能計(jì)劃，建立“SPS太陽(yáng)能衛(wèi)星基準(zhǔn)系統(tǒng)” ， SPS（Solar Power satellite）是太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星， 處在地球約36000km的靜止軌道上，那里太陽(yáng)的能量約為地球上的1．4倍。

　　據(jù)預(yù)測(cè)，一個(gè)SPS所裝載的太陽(yáng)電池的直流輸出功率為IOGW，電池輸出的電力通過(guò)振蕩器變換成微波電力， 從送電的天線向地球表面以微波（2．45GHz）形式無(wú)線送電。地球上的接收天線由半波長(zhǎng)的偶極天線、整流二極管、低通濾波器及旁路電容組成，可接收到5GW的電力。

　　目前，SPS的建設(shè)方法、天線的放射特性、微波發(fā)送裝置的姿態(tài)控制、宇宙空間的微波傳播特性、為確保故障時(shí)安全的保安系統(tǒng)等都是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。歐盟在非洲的留尼汪島建造了一座10萬(wàn)千瓦的實(shí)驗(yàn)型微波輸電裝置，已于2003年向當(dāng)?shù)卮迩f送電。日本擬于2020年建造試驗(yàn)型太空太陽(yáng)能發(fā)電站SPS2000，2050年進(jìn)入規(guī)模運(yùn)行。

　　1.2.4 優(yōu)缺點(diǎn)

　　無(wú)線充電會(huì)不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害呢？麻省理工學(xué)院的研究人員表示，身體對(duì)電場(chǎng)的反應(yīng)很強(qiáng)，但身體對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)則幾乎沒(méi)有，因此這一系統(tǒng)不會(huì)影響人體健康。不過(guò)，這還只是一種推測(cè)，有研究人員對(duì)此觀點(diǎn)表示擔(dān)心，在真正應(yīng)用于生活前，還需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)。

　　做為電子類充電產(chǎn)品，充電器本身避免不了輻射，所以無(wú)線充電器有輻射是必然的。但是目前無(wú)線充電器的功率很小，充電時(shí)間較短，所產(chǎn)生的輻射也小，應(yīng)該不會(huì)對(duì)人產(chǎn)生較大的傷害。