1无线电力传输方式的探讨
考虑电能的无线传输方式主要有三种：电磁感应，电磁辐射和电磁共振。通过分析比较可知，电磁感应的传输方法电能在传输效率、监控能力、高效清洁等方面占有绝对的优势，且相对易于实现，因此作为无线充电的主要探讨方向。同时无线充电系统要达到实用性，还要考虑三个问题，一是传输效率；二是输出功率；三是传输距离。否则将影响实用，便捷性。在电磁学历史上，首先是奥斯特在实验中发现了电生磁现象，法拉第受罗盘的磁针偏移实验的启发，找到了磁与电的另一个关系即电磁感应定律：回路磁通量变化所产生的感应电动势和通过回路中变化的磁通对时间的变化是成正比例的。与传统的有线传输方式时不同，无线电能传输时，希望不用线路接触就可以实现电能的传递与转换。回顾我们常见的交流电力传输中，交流变压器就是非直接连线电力传输的一种形式，从交流电压器我们可以得到启发：如果把变压器的磁心切开为两部分，是不是就可以做成可分离的电能传递呢？当然，因为空气的导磁性能较差，低频的电磁需要非常紧密的贴合才能进行电能的传输，实用性不高，但我们可以考虑通过提高磁场变化的频率来提高磁耦合效果，提高能量的传输效率，以达到真正实用的效果。从传递能量分析看，电路结构应由能量发射部分、能量传输部分以及能量接收部分三个部分组成，发射部分与接受部分由互感线圈，通过磁能进行能量传输，实现电能到磁能，磁能再到电能的变换。人们研究电磁感应式传输电能时发现：如果无线充电系统发射和接收部分能在同一频率下谐振时，耦合强度很好，利用谐振回路高效、低能耗，就可以实现能量的传输。电磁感应式传输方式易于实现，耗散小、辐射小，传输方向性好，很适用于厘米级别的传输，对非磁性障碍物还可以实现透射传播。但这种方式不适合低频率谐振，需高频传输，对电磁波抗干扰能力较弱的问题。
2锂电池充电电路的考虑因素探讨
与一般的电能传输不同，用于充电的设计必须考虑电池本身的要求。对于智能手机使用的标准锂电池，为了达到最佳的效果，要求采用恒流恒压充电方式。手机锂电池充电电压一般有4.1V和4.2V两种规格，如果充电电压过高将会缩减电池的使用寿命。如果充电电流过小（小于电池容量的10%），充电时间要持续很久才能充满。如果充电电流过大将会引起电池发热，将会缩减电池的使用寿命。基于以上锂电池充电的特性考虑，在设计充电电路时必须加上防止过充、过压、过流的保护电路。因为锂电池芯片内部带有电池保护电路可以受到单片机的控制，考虑结合锂电池的充电路和电池管理芯片进行电路设计。
3无线充电系统的整体结构与部分电路探讨
本设计可分为三大部分，分别为能量发射单元，能量传输单元，能量接收单元。其中发射部分主要由发射控制电路、波形产生电路以及LC谐振回路等构成;传输能量部分主要由空气介质构成;接收部分由LC谐振回路、整流稳压电路，充电控制电路等构成。整体结构如图1所示。发射单元的电源部分可采用常用的电源设计，不再详述，要求输出三路电压：输出20V左右的为LC谐振回路进行供电，输出12V作为方波发生器供电，输出5V作为发射单元的控制模块供电。
3.1波形产生及LC谐振发射电路
能量发射单元的核心部分由方波发生器和LC谐振电路组成，方波发生器采用555定时器外接电位器和电容器组成多谐振荡器。通过调节电位器的大小，调节频率和占空比的矩形波的范围。由谐振回路的15uH的电感和16.6nf的并联电容，据f=1/2π（LC）1/2可得输出矩形波的频率范围在400KHZ至430KHZ之间。实验发现产生的矩形波接近方波时，谐振效果为最好，谐振频率最好点在420KHZ，占空比为1:1，用该方波直接驱动IRF640B场效应管。发射能量的LC谐振回路由方形线圈和三个瓷片电容并联得到，采用20V电压进行供电。调整输出方波的频率值使之与LC谐振回路的谐振频率点吻合时，能量发射效率最好。此时让接收线圈与发射线圈在1CM的范围内靠近，镜像对齐，发射模块中的谐振回路与接收模块中的接收线圈同时处于谐振状态，此时无线充电系统有着最好的输出效率，传输距离也达最远。为了提高矩形波的驱动能力，添加IRF640B场效应管进行功率放大。方波发生器采用NE555与RP1、R2、RP2、C1、C2构成矩形波产生电路，C3、C4、C5与L1（14uH方形线圈）构成谐振回路，NE555的3管脚输出方波作为激励源驱动场效应开关管IRF640B。
3.2发射控制电路及红外接收电路
考虑与电子设备的匹配和过充保护，这里采用红外信息进行通信。发射模块通过红外二级管接收充电开启信号、充电出错信号、充电充满信号。若单片机检测到系统开启信号，则控制能量发射单元中的继电器导通，方波产生电路正常工作，产生420kHZ的方波使充电系统工作;若检测到充电出错或充电充满信号单片机则控制继电器断开，方波产生电路停止工作，系统进入低功耗状态。详细电路如图3所示。
3.3接收模块的LC谐振和整流稳压电路部分
接收线圈L2与两个瓷片电容C9、C10并联构成LC回路，接收到能量以后，经过4个二极管构成的桥式整流电路进行整流。并经电容滤波以后，输出相对比较平稳的电压，再用稳压二极管IN4733进行稳压，得到5.1V直流电压提供给锂电池充电电路。
3.4锂电池充电电路部分
综合前面分析可知，锂电池充电路应加入过压过流过充保护电路，如何协调完成接收端控制电路与锂电池充电电路？当无线充电系统开始工作时，接收端由单片机控制红外发射管发射一定频率的方波给发射模块的红外接收管。当充电电路检测到锂电池充满或者充电错误时发射另一频率的方波，同时LED灯以1.5HZ的频率闪烁警告。当检测到锂电池电压低于2.5V时，控制进入输出电流为电池容量十分之一的快速充电模式。当检测到电池电压高于2.5V时，控制进入恒压恒流充电模式。最后检测到电池充满时，控制从红外发射管发射关闭信号，由发射部分关闭能量发射。详细电路图如图5所示。
3.5发射单元与接收单元的控制部分
主要考虑电池信号的检测和红外信号的发射和接收，这里利用单片机编程来实现。发射单元程序流程为：首先进行发射单元初始化，然后进行按键检测，如果检测到按下则控制继电器的开关导通，启动无线充电系统。启动后若接收到正常充电红外信号，就进入正常充电模式。若接收到电池充满或充电错误的红外信号时，则控制继电器断开，关闭系统。接收单元程序流程为：首先进行接收程序的初始化，为锂电池充电，当锂电池充电充满时发信给单片机，单片机检测到充满信号后，控制红外发射管发射一定频率的方波告知发射模块，由发射模块关闭无线充电系统。
4结束语
以上对手机的无线充电进行可行性的分析研究，充分考虑各方面的因素，进行无线电能传输方式的研究。设计出采用555系列的定时器组成谐振回路震荡源，输出矩形波直接控制场效应管与LC谐振回路，并以LC谐振回路接收能量，再借助单片机和锂电池管理芯片，为手机锂电池充电快捷、有效进行充电的电路。
作者：韦瑞雪 单位：广西第一工业学校
