摘要

　　基于現在中國市場上還沒有真正的無線充電的產品，我們利用電磁感應的基本原理結合模擬數字基礎理論設計制作了智能無線充電系統。此作品內部應用電流控制型脈寬調制集成電路來驅動場效應管從而產生高頻振蕩脈沖，通過電磁感應向外界傳送能量，通過接收電路把磁場能轉化成電能從而實現對用電設備的充電（此作品以手機電池充電為例）。其系統經濟實用，市場前景極其廣闊。

　　無線充電設備的設計與制作

　　--無線充電的發射部分

　　電子信息工程 09城建電子（2）班 馬吉智

　　指導老師 花海安

　　1 緒論

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

　　無線充電技術利用了電磁波感應原理，及相關的交流感應技術，在發送和接收端用相應的線圈來發送和接收產生感應的交流信號來進行充電的一項技術，用戶只需要將充電設備放在一個“平板”上即可進行充電，這樣的充電方式過去曾經出現在手表和剃須刀上，但是當時無法針對大容量鋰離子電池進行有效充電。

　　無線充電技術此前已經出現，但這項新發明更為方便實用。手機等設備只要貼上接收線圈，放置在“鼠標墊”上的任一位置都可充電，不像以前的一些技術那樣需要精確定位。幾個設備同時放在墊子上，可以同時進行充電。充電器產生的磁場很弱，能夠給設備充電但不會影響附近的信用卡、錄像帶等利用磁性記錄數據的物品。

　　1.1研究的目的和意義

　　在我們的日常生活中，經常會遇到手機、電腦等電量不足，急需沖電的情況，但是我們不可能隨時攜帶充電器，導致手機充電很麻煩。現在有了無線充電技術就可以在很大的程度上減少這樣的麻煩。

　　無線供電的設想最早由交流電之父特斯拉在一百多年前就已經由此構想了。他設計在地球和電離層之間建立起8Hz左右的低頻共振，再利用環繞地球的電磁波來傳輸電力，就像無線電通信一樣，但后來特斯拉在1908年停止了這項宏大的實驗，他所建造的鐵塔也因經濟困難而被拆除抵債。

　　最初由英國一家公司發明了一種新型無線充電器，它看上去就像一塊塑料鼠標墊，這個“鼠標墊”里裝有密集的小型線圈陣列，可產生磁場，將能量傳輸給裝有專用接收線圈的電子設備，進行充電。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備上。將手機等放在墊上就能充電，并能同時給多個設備充電。

　　人類對無線供電技術的研究一直在繼續，尤其在航天領域里，人們想建立衛星太陽能電站，那么就必須實現高效率的無線供電。進入21世紀以來，無線供電技術開始在民用領域頻繁露面，各公司紛紛推出自己的產品。

　　無線充電可以解決很多問題。

　　第一，它可以改變電子產品充電接口不兼容的情況。

　　第二，有很多傳感器需要無線充電，還有一些遠程的監控的傳感器，一樣地需要無線充電技術。

　　第三，就是植入性醫療器件的充電。

　　第四，無線充電技術還可以運用到市政交通方面。

　　第五，無線充電技術還可以提高設備的安全性，比如一些在潮濕環境中工作的設備，外露的充電接口是安全隱患。

　　1.2國內外研究現狀和發展趨勢

　　無線充電技術引源于無線電力輸送技術，利用磁共振在充電器與設備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設備之間形成共振，實現電能高效傳輸的技術。

　　麻省理工學院的研究團隊在2007年6月7日美國《科學》雜志的網站上發表了他們的研究成果。研究小組把共振運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，一團線圈附在傳送電力方，另一團在接受電力方。當傳送方送出某特定頻率的電磁波后，經過電磁場擴散到接受方，電力就實現了無線傳導。這項被他們稱為“無線電力”的技術經過多次試驗，已經能成功為一個兩米外的60瓦燈泡供電。目前這項技術的最遠輸電距離還只能達到2.7米，但研究者相信，電源已經可以在這范圍內為電池充電。而且只需要安裝一個電源，就可以為整個屋里的電器供電。富士通表示這一系統可以在未來得到廣泛應用，例如針對電動汽車的充電區以及針對電腦芯片的電量傳輸。采用這項技術研制的充電系統所需要的充電時間只有當前的一百五十分之一。

　　隨著科技的發展與社會的進步，人們的需求正日益發生著深遠的變化，對科技含量的要求越來越高，關于無線充電的技術已經有過多年的討論和研究，目前一些知名公司已經推出一些無線充電設備，但有一些地方還不很完善，還需進一步改進。

　　無線充電技術在小功率的范圍內還是可以顯示出它的優越性的。比如小型直流用電設備中的通訊儀器儀表、民用無線通訊手機、微型計算機、小型便攜式家用電器等。但實施大功率的無線傳輸來說，就比較困難了。

　　目前國內主要的研究方向集中在系統諧振頻率及原副邊的補償電路拓撲等方面，基本上都還處在理論領域進行研究，在應用領域最近兩年才有所突破，但都還停留在實驗室階段。

　　無線充電技術目前可通過三種方式實現：電磁感應式（利用電流通過線圈產生磁場實現近程無線供電）、電磁耦合共振方式（利用磁耦合共振效應近程無線供電）、微波/激光輻射方式（電力轉換成電波以輻射傳輸供電）。

　　1.2.1 電磁感應方式

　　電磁感應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。飛利浦的電動牙刷就是此類應用。目前許多公司都在開發這方面的技術。但電磁感應技術的一個不足就是用以傳遞能量的變化磁場，會隨著兩個線圈的距離增加而迅速減小，所以傳輸距離非常有限。

　　目前常見的充電墊也是利用了電磁感應原理，將多個電子產品，如手機、相機、MP3等放到同一個充電墊上，能進行同時充電，而且無需精確定位，原因是充電墊內裝有密集的小型線圈陣列，能在各個方向上建立磁場。接收線圈由磁性合金繞以電線制成，它附著于電子設備的充電電池上，充電時置于充電墊磁場中的接收線圈就會產生感應電流，能量就從發射端傳輸到接收端。由于充電墊產生的磁場很弱，所以不會對附近的信用卡、錄像帶等利用磁性記錄數據的物品造成不受影響。該解決方案提供商包括英國Splash power、美國wild Charge等公司。這種接觸式無線電力傳輸方式的優點是制造成本較低、結構簡單、技術可靠，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備供電。

　　1.2.2電磁耦合共振方式

　　07年MIT的一個無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·索爾賈希克（Marin Soljacic）和他的研究小組在長達4年的實驗研究中終于獲得重大突破。他們在實驗中使用了兩個直徑為50cm的銅線圈，通過調整發射頻率使兩個線圈在10MHz產生共振，從而成功點亮了距離電力發射端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，都不會影響燈泡發光。

　　另外還有采用射頻點播發射能量的方法。

　　美國的Power cast，目前占有射頻波段無線能量傳輸的領先地位。與需要接觸的充電墊子不同，Powercast公司推出的無線供電組件，在915Mhz的波段下，可以在一米的范圍內給小型電子設備充電，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，無線電波波長越短，其定向性越好，彌散越小，所以，可利用微波或激光形式來實現電能的遠程傳輸， 這對于新能源的開發和利用、解決未來能源短缺等問題也有著重要意義。因此，許多國家都沒有放棄這方面的研究。

　　1968年，美國工程師彼得格拉澤提出了空間太陽能發電（Space Solar Power，SSP）的概念，其構想是在地球外層空間建立太陽能發電基地，通過微波將電能送回地球。1979年，美國航空航天局NASA和美國能源部聯合提出太陽能計劃，建立“SPS太陽能衛星基準系統” ， SPS（Solar Power satellite）是太陽能發電衛星， 處在地球約36000km的靜止軌道上，那里太陽的能量約為地球上的1．4倍。

　　據預測，一個SPS所裝載的太陽電池的直流輸出功率為IOGW，電池輸出的電力通過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）形式無線送電。地球上的接收天線由半波長的偶極天線、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的建設方法、天線的放射特性、微波發送裝置的姿態控制、宇宙空間的微波傳播特性、為確保故障時安全的保安系統等都是亟待解決的技術問題。歐盟在非洲的留尼汪島建造了一座10萬千瓦的實驗型微波輸電裝置，已于2003年向當地村莊送電。日本擬于2020年建造試驗型太空太陽能發電站SPS2000，2050年進入規模運行。

　　1.2.4 優缺點

　　無線充電會不會對人體產生傷害呢？麻省理工學院的研究人員表示，身體對電場的反應很強，但身體對磁場的反應則幾乎沒有，因此這一系統不會影響人體健康。不過，這還只是一種推測，有研究人員對此觀點表示擔心，在真正應用于生活前，還需要進一步進行試驗。

　　做為電子類充電產品，充電器本身避免不了輻射，所以無線充電器有輻射是必然的。但是目前無線充電器的功率很小，充電時間較短，所產生的輻射也小，應該不會對人產生較大的傷害。