手机无线充电系统课程设计报告.docx

1、手机无线充电系统课程设计报告国家电工电子实验教课中心电子系统课程设计设计报告设计题目： 手机无线充电系统学院：电信学院专业：自动化（信号）学生姓名：李一芒学号：12301126任课教师：佟毅2015 年 04 月 20 日1设计任务要求 .22设计方案及论证 . .4任务剖析 .4方案比较 . .73制作及调试过程 . .173.1 制作与调试流程 .17碰到的问题与解决方法 . .204系统测试 . .204.1 测试方法 .20测试数据 . .225系统使用说明 . .245.1 系统外观及接口说明 .24系统操作使用说明 . .256总结 . .266.1 自己所做工作 .26收获与领会

2、 . .267参照文件 . .271.设计任务要求（1）制作一个输入直流电压 12V，输出为 3.6V 手机电池充电（充满电压为 4.2V ）的无线充电系统。（2）发射器与接收器之间采纳电感线圈耦合方式进行无线能量传输。（3）发射器采纳 12V直流单电源供电，接收器供电只好来自耦合线圈。（4）接收器考虑给手机电池充电，输出电压变换范围 04.2V ，500mA恒流充电。充电特征以下列图所示。1.基本部分（ 50分）（ 1）接收器工作指示（ 20分）要求：接受器接收到能量后用发光二极管指示。测试方法：发射器采纳 12V 直流供电。接收线圈凑近发射线圈时（距离和角度不限） ，察看接收器工作指示灯能

3、否点亮。（ 2）接收器恒压功能（ 20 分）要求：当接收器不接负载时输出电压为 0.1V 。测试方法： 发射器采纳12V 直流供电。 在接收器不接任何负载条件下，当接收线圈凑近发射线圈并固定不动时 （距离和角度不限） ，丈量接收器输出电压能否为 0.1V 。稍微挪动接收线圈时，丈量该电压应保持在0.1V 范围内。（ 3）接收器恒流功能（10分）要求：接收器带负载条件下，当输出电压在04VDC变化时输出电流稳固在10mA或大于10mA（当知足发挥部分时，可直接得分），要求恒流偏差小于5mA（两线圈距离和角度不限）。测试方法：发射器采纳 12V 直流供电。当接收线圈凑近发射器线圈时 （距离和角度不

4、限） ，丈量恒流值能否大于 10mA及能否知足恒流偏差要求。2.发挥部分（ 50分）（ 1）充电指示（ 20分）要求：当接收器给负载充电时，充电指示灯亮；充满后，充满指示灯亮。测试方法： 发射器采纳 12V 直流供电。 当接收器线圈凑近发射器线圈时 （距离和角度不限），丈量恒流充电阶段充电指示灯能否点亮；丈量当恒流充电电流减小后充满指示灯能否点亮。（2）扩大充电电流（ 30 分）要求：尽可能提高恒流充电电流。测试方法：当接收器线圈凑近发射器线圈时（距离和角度不限），丈量所能达到的最大恒流指标， 要求恒流偏差小于 5mA，充满后输出电压为 4.14.2VDC （按下列图计算得分） 。2设计方案及

5、论证 任务剖析1.发射模块：由振荡信号发生器和并联谐振功率放大器两部分构成；（ 1）功能和指标要求：1）：发射器采纳 12V 直流单电源供电，产生必定频次变化的电流；2）：发射器与接收器之间采纳电感线圈耦合方式进行无线能量传输；接收器感觉到的变化的电流应知足必定的数值，以驱动充电电路正常工作。（2）理论实现方法：利用将变化的电流转变为变化的磁场，经过并联谐振的方式，在接收端产生感觉电流来实现能量的传输，但此方式有很大的能量衰耗， 即接收端感觉获得的能量其实不大， 因此需要在发射端采纳功率放大电路提高功率， 使得接收端感觉产生的变化的电流达到知足要求必定数值；1):振荡信号发生器电路：采纳 NE

6、555芯片构成振荡频次在必定范围内能够调理的信号发生器，为功放电路供应激励信号；频次 f 11. 43；( R12R2 )CUccV12R14873uo26555R521C3C2):并联谐振功率放大器电路：由功率放大器电路和LC 并联谐振回路构成。采纳LC 并联谐振电路知足发射器与接收器之间经过电感线圈耦合方式进行无线能量传输，频次 f 21f 2 ：当功率放大器的并联谐振回路的谐振频且需要知足 f 12L1C1率 f 2 与振荡信号发生器的频次 f 1 同样时，并联谐振功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值， 进而产生最大的交变电磁场。 当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态

7、时，有最好的能量传输成效，即知足f2f 3 , 此中 f312 L2C2发射端与接收端的谐振回路因为场效应管功率放大拥有激励功率小，输出功率大，功耗低等特征，因此采纳场效应管构成的功率放大电路来提高发射端的输出频次；2.接收模块：由并联谐振电路、整流及滤波电路、恒流电路、稳压电路和充电指示灯电路五部分构成；（ 1）功能和指标要求：1）：经过感觉产生知足必定数值要求的感觉电流；2）：将感觉过来的沟通电转变为直流电，接收器工作指示灯点亮。 ；3）：恒流：接收器带负载条件下， 当输出电压在 04VDC变化时输出电流稳固在大于 500mA，要求恒流偏差小于 5mA（两线圈距离和角度不限） 。4）：稳压

8、：当接收器不接负载时输出电压为 4.2V 0.1V 。5）：当接收器给负载充电时，充电指示灯亮；充满后，充满指示灯亮。（2）理论实现方法：利用将变化的磁场转变为变化的电流，经过并联谐振回路的方式，当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时， 有最好的能量传输成效， 在接收端产生感觉电流； 经过单相桥式整流电路将沟通电转变为直流电，再经过电容滤波电路进行滤波，去除沟通重量， 并利用产生的直流电压驱动发光二极管， 实现接收器工作指示灯的点亮； 利用 LM317芯片进行恒流和稳压的实现； 经过 LM324电压比较器， 将负载端的电压与充电的稳压值进行比较，实现充电指示灯和充满指示灯的点亮；1）:并

9、联谐振电路：与发射端的并联谐振电路构成谐振回路，当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，有最好的能量传输成效，即知足：11f 2 f 3 , 此中 f 2, f 32 L1C12 L2C2发射端与接收端的谐振回路2）：整流及滤波电路：对沟通电压变为直流电压，滤波电容在滤去沟通重量，获得稳固的直流电压；因为二极管的单导游电性将沟通电压变换成直流电压， 但这部分直流电压仍含有很大的沟通重量，再经过滤波电容的充放电过程，除掉沟通重量，获得安稳的直流重量；选择的二极管所能蒙受的最大电压要大于 2U2 ，所能蒙受的电流要大于回路里面电路； 电容充放电过程：C 越大， RL 越大， 放电 将越大，曲

10、线越光滑，脉动越小。3）：恒流电路：利用 LM317 芯片实现；4）：稳压电路：利用 LM317 芯片实现；5）：充电指示灯电路： 利用 TL431 供应基准电压， 再利用 LM324构成电压比较器在输出端点亮发光二极管，此中发光二极管串连一个电阻用来限制电流过大； 方案比较一、设计方案一发射电路：发射电路由振荡信号发生器和睦振功率放大器两部分构成；由 NE555构成振荡出必定频次的信号发生器，为功放电路供应激励信号；功率放大器由场效应管 IRF840 构成，当功率放大器的选频回路的谐振频次与激励信号频次同样时，功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值；接收电路 :1）：由并联谐振电

11、路与发射端的并联谐振电路构成并联谐振回路，当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，拥有最好的能量传输成效； 2）：产生的沟通电压经过整流及滤波电路变换成直流电压, 电源工作的发光二极管指示灯并联在滤波电容的两头，指示电源工作；3）：该直流电压驱动LM317芯片构成的恒流电路工作，保证了负载的恒流充电；4）： TL431构成稳压电路， 供应负载充电的稳压值并接到由一片LM324构成的电压比较器的同相端， 而反相端接 R2 采样电阻的电压，这部分作为反应电路，已达到负载充电时的稳压条件，反应电路的工作原理：若充电负载两头电压小于稳压值时，因为反相端电压小于同相端的电压，电压比较器输出高电平，

12、因为二极管导通时其两头电压恒定，因此R2 端电压跟从电压比较器的输出电压而变大，直至R2 端电压等于稳压值；若充电负载两头电压大于稳压值，因为反相端电压大于同相端的电压，电压比较器输出低电平， 因为二极管导通时其两头电压恒定，因此 R2 端电压跟从电压比较器的输出电压而变小，直至 R2 端电压等于稳压值， 由此，经过采样电阻 R2 的电压反应， 使得充电负载两头的电压恒定不变，已达到稳压的目的； 5）：TL431构成稳压电路， 供应负载充电的稳压值并接到由一片LM324构成的电压比较器的同相端， 而反相端接充电负载的电压，当负载充电时， 因为反相端的电压小于同相端的电压，因此 LM324构成的

13、电压比较器输出高电平，点亮充电指示灯， 当负载充满电后， 因为反相端的电压不小于同相端的电压，电压比较器的输出电压发生跳变，熄灭充电指示灯；6）：TL431 构成稳压电路，供应负载充电的稳压值并接到由一片LM324构成的电压比较器的反相端，而同相端接充电负载的电压， 当负载充电时， 因为同相端的电压小于反相端的电压，因此 LM324构成的电压比较器输出低电平，充满电指示灯不会亮， 当负载充满电后， 因为同相端的电压不小于反相端的电压，电压比较器的输出电压发生跳变，点亮充满电指示灯；二、设计方案二发射电路：由 NE555构成振荡出必定频次的信号发生器，为功放电路供应激励信号；功率放大器由乙类互补

14、推挽功率放大电路和场效应管构成功率放大电路构成， 乙类互补推挽功率放大电路对必定频次的信号进行小功率放大后， 再用小功率激励场效应管构成的大功率放大电路工作； 当功率放大器的选频回路的谐振频次与激励信号频次同样时， 功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值；接收电路：1）：由并联谐振电路与发射端的并联谐振电路构成并联谐振回路， 当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时， 拥有最好的能量传输成效； 2）：产生的沟通电压经过整流及滤波电路变换成直流电压并驱动电源指示灯工作； 3）：由两片 LM317芯片构成了恒流稳压功能的充电电路； 4）：TL431 作为协助电源，给两片 LM324

15、构成的电压比较器供应基准电压，两个电压比较器驱动充电指示灯和充满电指示灯工作；三、两种方案进行比较：1）：发射电路：方案一的发射电路直接由场效应管 IRF840 进行功率发大，但因为场效应管栅极所加信号是必定频次的信号， 因此仅在半个周期内对信号有功率放大作用， 可能不够驱动充电电路恒流 500mA以上的成效， 因此第二种方案的发射电路采纳乙类互补推挽功率放大电路将完好周期的信号先进行小功率放大， 再利用小功率激励场效应管放大电路， 在信号的完好周期里面输出大功率，使得功率放大的成效更好；2）：接收电路： 方案一由 LM317构成的恒流电路实现恒流并采纳了 LM324构成的电压比较器，经过对采

16、样电阻的电压反应实现稳压， 可是因为电压比较器反相和同相两头电压相差较小时， 会有必定的偏差产生， 使实现的稳压有细小的变化， 而方案二是由两片 LM317构成的恒流稳压电路实现恒流稳压功能，不一样于前一种方案经过电压比较器反应电压实现稳压，它没有电压比较器带来的细小偏差，稳压成效相对更好一些；因此由以上比较，我们组采纳了第二种方案。 系统构造设计1、构造框图：2、系统原理：1):发射电路：振荡信号发生器电路：采纳 NE555芯片构成振荡频次在必定范围内能够调理的信号发生器，为功放电路供应激励信号；频次 f 11. 43；2R2 )C( R1UccV12R14 873 uoR2 6 55552

17、1C3C2）：乙类互补推挽和场效应管构成的功率放大电路：乙类互补推挽功率放大电路将555 的必定频次的信号进行整个周期的小功率放大，而后此小功率激励场效应管大功率放大电路输出大功率；当功率放大器的并联谐振回路的谐振频次f 2 与振荡信号发生器的频次f 1 同样时，并联谐振功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值，进而产生最大的交变电磁场。接收电路：1）：由并联谐振电路与发射端的并联谐振电路构成并联谐振回路， 当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，有最好的能量传输成效，即知足：11f 2 f 3 , 此中 f 2, f 32 L1C12 L2C2发射端与接收端的谐振回路2）：产

18、生的沟通电压经过整流及滤波电路变换成直流电压并驱动电源指示灯 LED1工作，LED1与 R4 电阻串连后并联到直流电压源两头，指示电源工作；3）：由两片 LM317 芯片构成了恒流稳压功能的充电电路，因为 LM317芯片 Vout 和 ADJ两头电压差恒定不变，因此利用第一片 LM317 这两头电压恒定的特征，串入电阻 R1，使第一片LM317在 VOUT端输出的电流 i 1ULM317的 Vin端 , 即 i2=i1 ，恒定不变，流入下一片R1再利用下一片LM317芯片 Vout 和 ADJ两头电压差恒定不变的特征，串入电阻R2，并与此外一电阻 R3串连，使 Vout 端稳压 UUi2 ，因

19、此 VOUT* ( R2 R3), 此外 VIN 流入的恒流R2端也恒流 : i 3U, 实现了恒流稳压的功能；i 2 i 1R14）： TL431 作为协助电源，给两片 LM324构成的电压比较器供应基准电压，两个电压比较器输出端驱动充电和充满电指示灯工作；5）：当 TL431 供应的基准电压接到由一片 LM324构成的电压比较器的同相端， 而反相端接充电负载的电压， 当负载充电时， 因为反相端的电压小于同相端的电压， 因此 LM324构成的电压比较器输出高电平， 点亮充电指示灯， 当负载充满电后， 因为反相端的电压不小于同相端的电压， 电压比较器的输出电压发生跳变， 熄灭充电指示灯； 当

20、TL431 供应的基准电压接到由一片 LM324构成的电压比较器的反相端， 而同相端接充电负载的电压， 当负载充电时， 因为同相端的电压小于反相端的电压， 因此 LM324构成的电压比较器输出低电平， 充满电指示灯不会亮， 当负载充满电后， 因为同相端的电压不小于反相端的电压， 电压比较器的输出电压发生跳变，点亮充满电指示灯； 详细电路设计1、发射电路：电路构造选择的原由及元件型号及参数的选择：采纳 555 芯片产生振荡信号频次 f 1(1. 43) 2102. 2kHz ，此中 R2 取约 2R12R2C千欧；采纳 C1 电容使加到该端口处的瞬时或高或低的扰乱信号惹起的电压的变化迟缓下来，能

21、够说汲取了瞬时的扰乱， 能够使该引脚获得的信号更为安稳， 就是为了滤除干， 防备外界输入的扰乱影响电路工作；利用乙类互补推挽功率放大电路对整个周期信号进行小功率放大， 而后激励场效应管构成的大功率放大电路输出大功率； 在乙类互补推挽功率放大电路中要求： 两个晶体三极管的反向击穿电压应知足：Uceo224 因为 NPN管 2N2222 型号的参数为Vceo=30；UccVVcbo=60； Ic(max)=0.8 ； hFE(min)=35； hFE(max)=300 ； PNP 管2N2904 型号的参数为Vceo=40；Vcbo=60；hFE(min)=20 ；能够知道它们都切合要求，因此采纳

22、这两个型号的晶体三极管；两个三极管同意的最大集电极电流应知足：I CMI c maxUcc，RL因此负载采纳 R51k 已知足条件；R3 采纳滑变电阻，能够控制输入信号的大小，与R4电阻一同为晶体三极管供应直流偏置，为晶体三极管供应基极电流；R3 滑动阻值随意，对电路没什么影响， 这里采纳常有的滑动变阻器阻值10 千欧；因为要让Q3 场效应管的栅极电压 5V 左右， R5 两头电压要知足达到 7V 左右，且 R4 和 R5分得的电压总和也为 7V 左右，所以需要知足R4 两头电压值U4=R4*Ib(基极电流) 远小于R5两头电压值U5=R5*Ie=R5*Ic（集电极电流），两个晶体三极管最小的

23、放大倍数是20，因此能够选择R4 阻值小于或是等于R5阻值，因此这里选择 R4=R5=1千欧；选择 C3 电容充电后当电路电压变化时其两头电压不会马上变化来稳压；因为场效应管 IRF540 的功率为 150W，电流为 28A，因此用它来构成大功率放大电路，输出功率大而且发热量还能够，不简单烧，因此选择它构成功率放大电路；注意：电路中为它加上散热片来散热；依据已供应的线圈， 并联电容构成并联谐振电路， 和接收端的并联谐振构成回路传达能量；发射端的并联谐振频次 f 21kHz ，知足 f 1f 2 ：当功率放大102. 72L1C4器的并联谐振回路的谐振频次 f 2 与振荡信号发生器的频次 f 1

24、 同样时，并联谐振功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值，进而产生最大的交变电磁场。2、接收电路：电路构造选择的原由及元件型号及参数的选择：接收端的并联谐振频次 f 31102. 7kHz102. 5kHz f 22L1C3由并联谐振电路与发射端的并联谐振电路构成并联谐振回路， 当发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，有最好的能量传输成效，即知足依据二极管的单导游电性将沟通电压变换成直流电压；二极管的选择：二极管能够蒙受的电压大于 2U2 17V ，可蒙受电流大于 700mA,而二极管 1N5819最大可蒙受电压 40V，电流 1A，知足要求，因此采纳 1N5819构成单向桥

25、式整流；但这部分直流电压仍含有很大的沟通重量，再经过滤波电容的充放电过程，除掉沟通重量，获得安稳的直流重量， 并驱动电源指示灯工作， 电源指示灯为黄灯， 串接一个 1 千欧电阻限制电流，在一同并联在电源两头；电容充放电过程： C 越大， RL 越大， 放电 将越大，曲线越光滑，脉动越小 , 往常滤波电容应知足： RL C=（35） *0.5*T 而且 C 越大，沟通重量越少，滤波成效越好；因此 C20nF,因此选择 C=0.1uF 知足条件；采纳两片 LM317构成恒流稳压电路，因为 LM317的 Vout 端和 ADJ 端的电压差值恒定不变，一直等于 1.25V ，因此第一片 LM317芯片流过 R1 电阻的电流等于 mA,即有 500mA电流流入第二片 LM317芯片的 Vin 端口，因为 Vin 流入的 电流等于 Vout 流出的电流，因此流入充电负载的电流也恒定不