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摘要：本文基于光伏发电的基础上设计了手机无线充电器，包括光伏发电模块设计、无线发射模块和无线接收模块。其中光伏发电模块采用BUCK电路将18V模拟光源降至12V；无线发射模块采用555定时器搭建脉冲宽度调制信号驱动功率管8050，从而在发射线圈产生一个频率为108kHz的高频信号；接收端采用高频整流及TL431恒压模块，使得输出为恒定5V直流，适合手机充电。为验证设计的可行性，进行了Multisim仿真，结果证明本设计可行。

关键词：光伏发电，手机无线充电，发射模块，接收模块

Abstract：Based on photovoltaic power generation，this paper designed mobile phone wireless charger，including photovoltaic power generation module，wireless transmitting module and wireless receiving module. BUCK circuit was used to reduce the analog photovoltaic power supply from 18V to 12V. And then，555 timer was used to set up pulse width modulation signal to drive the power tube 8050 in the wireless transmitting module，where generating a high-frequency signal with a frequency of 108kHz in the transmitting coil. At last，the receiving modulation used high-frequency rectification and TL431 constant voltage module to keep the output at 5V constantly. In order to verify the feasibility of the design，the Multisim simulation was carried out in this paper.

Keywords：Photovoltaic power generation，Mobile phone wireless charging，transmitting module，receiving module.

0 引言

随着能源危机的日益突出，清洁能源的开发和利用变得势不可挡，太阳能以其绿色、无污染及其可再生的等优点成为清洁能源首当其冲的典型代表[1-3]。随着时代的发展，智能手机成为人们生活不可或缺的必须品。智能手机的频繁使用使得手机电池电量的消耗速度加快，每日数小时的使用时间使手机电池续航能力面临巨大挑战。一方面电池容量的提高将耗费更多资源和成本，另一方面人们对手机越来越高的小体积要求限制了电池大小，大体积电池也降低了手机的便携性[4-5]。因此智能手机的频繁充电限制了人们的使用，无线充电的灵活性、充电便捷使其成为了一个极好的解决方法。利用光伏板发电后进行适当的能量转换对手机进行无线充电将是一个美好的体验。既能解决能源问题，又能解决充电不便的问题[6-7]。 本文围绕光伏发电的手机无线充电展开设计，包括太阳能光伏发电的能量转换部分，无线电能传输的发射部分和接收部分。其中高频驱动信号发生采用555定时器、高频逆变采用8050单管功率放大电路，接收端采用TL431稳压输出，电路简单易实现。

1 无线充电技术理论

1.1无线充电基本概念及效率分析

目前的无线电力传输主要有近场的电磁感应方式、磁耦合谐振方式与远场的电磁波等方式。无论哪种方式都是通过电磁耦合进行能量传输，当穿过闭合电路的一部分导体回路的磁通量发生变化时，导体回路中就会产生感应电动势称为感生电动势，即

式中，n为线圈匝数；为磁通量变化量，单位Wb；为磁通量发生变化所用时间，单位为s；为闭合回路产生的感应电动势，单位为V。

如下图1所示为无线传输耦合线圈示意图，r1为发射线圈的半径，匝数为n1；r2为接受线圈的半径，匝数为n2；两线圈距离为d。发射线圈中过正弦交流电流。

接收线圈上的磁感应强度可近似为：

可知当两线圈匝数越大、半径越小越大、间距越小时，接收线圈感生电动势越大。

1.2线圈对无线充电的效率影响分析

如图2所示为线圈耦合结构。它由发射和接收线圈组成。D和D2分别为收发线圈直径，B为磁感应强度，z为两线圈之间距离。

假设线圈品质因数为1000时，传输系统系统的效率如图3所示。X轴为线圈间距z与直径D之比；Y轴为传输效率。

如图3所示，在线圈间距较大（z/D>1）或在收发线圈尺寸差异较大（D2/D<0.3）时，效率急剧下降。在线圈间距小（z/D < 0.1）且收发线圈大小相近（0.5<D2/D<1）时，可以达到很高的效率（>90%）。由此可知线圈尺寸比与线圈间距能够影响无线充电效率。降低线圈间距或使收发线圈尺寸相同可提高无线充电效率。设计时可遵循线圈同尺寸，小间距原则以提高系统无线充电效率。

2 硬件电路设计

2.1 总体电路结构设计

本次设计主要分为光伏发电部分、无线充电发射端、无线充电接收端三个部分。具体设计思路：太阳能光伏板通过降压稳压电路充锂电池，锂电池为无线充电发射端供电，驱动电路产生高频驱动信号驱动开关管，进行逆变后通过发射线圈发射。接收端接收线圈感应交流电流，通过整流、稳压，对手机充电，整体结构设计如图4所示。

2.2 光伏发电模块电路

如图5所示的光伏发电模块电路。18V直流电压源模拟了18V光伏板的发电，输出至降压斩波电路进行变流转换。使用555定时器搭建脉冲宽度调制电路，以输出驱动信号控制三级管8050开断。三级管8050的通断控制三极管8550基极电压以控制BUCK电路的通断，以达到调压的目的。二极管D5为续流二极管，滤波电容为C3和C6。

通过调节R1、R2阻值来改变驱动信号占空比，从而调整电路输出电压。由555振荡电路可知，输出信号占空比为：

则BUCK电路输出电压为：

2.3 无线充电发射模块

无线充电发射模块如图6所示，同样采用555定时器产生高频驱动信号，由上文分析可知当R1=R2时占空比为50%。同时调节R1、R2阻值以调节驱动信号频率接近LC并联电路谐振频率108kHz。驱动电路输出端接R3、C3组成的RC并联回路以滤除低频信号。由于场效应管极间电容的存在，导致输入信号上升下降时间，影响效率。驱动信号电路后增加三极管U2、U3组成的互补输出级放大电路可减小极间电容影响，减小上升下降时间。高频信号经过开关管放大后通过L1、C6组成的LC谐振回路发射出去。

2.4 无线充电接收模块

如图7所示为无线充电接收模块。接受线圈的LC谐振电路谐振频率与发射线圈相同，经整流桥整流后使用1N4733A稳压二极管并联滤波电容进行稳压滤波后输出5V电压。当对输出电压有调整需求时使用TL431与三极管8050组成的恒压充电电路调压，可输出2.5V-4.5V电压。

3 硬件设计与仿真

根据以上文分析与设计，本设计整体电路如图8所示，包括光伏发电模块，发射电路和接收模块三部分。

本设计采用Multisim仿真软件对整体电路进行仿真，监测几个关键点电压波形分别如图9所示。其中图9（a）所示为BUCK电路输出12V电压，与理论设计相符。图9（b）（c）分别为收发线圈电压及频率，可见收发线圈频率基本保持一致。图9（d）为接收线圈电压及高频整流稳压后的5V直流电压输出，适合手机充电使用。

4 结论

本设计研究了一种基于光伏的手机无线充电器的设计。基于电磁感应原理，实现了经太阳能发电后的能量转换，利用电磁感应技术中的谐振耦合线圈，实现近距离能量传输，从而为手机进行无线充电。在本设计中，利用小型光伏发电模块为手机等家用电器进行无线供电，摆脱传统导电线缆的束缚，以其安全性、便利性和实用性获得了越来越多的关注，是未来如小米和华为的智能家居的发展方向。

参考文献：

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[2] 张海龙. 中国新能源发展研究[D].吉林大学，2014.

[3] 曹雅丽. 可再生能源政策频频利好 风电光伏迎风口[N]. 中国工业报，2022-06-14（001）.

[4] 杨秋雨，员美娜，李晓萱，梁圣珺，黄天翔，秘迎君.大学生手机使用、睡眠及体力活动状况对其生命质量的影响[J].职业与健康，2022，38（19）：2697-2702+2707.

[5] 黄学良，谭林林，陈中，强浩，周亚龙，王维，曹伟杰.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报，2013，28（10）：1-11.

[6] 汪义旺，张波，张帅.基于太阳能供电的无线充电应用研究[J].电力电子技术，2015，49（10）：23-24+37.

[7] 朱焕杰，张波.家用电器无线电能传输技术发展及现状[J].电源学报，2020，18（06）：168-178.

[8] 韩伟. 电磁感应无线充电系统的设计与实现[D].苏州大学，2014.

作者简介：王茂林（2001-），男，湖南湘潭，本科，主要研究方向电能无线传输系统应用；

傅文珍（1984-），女，江西新干，硕士，主要研究方向为电力电子装置，电能无线无线传输。

基金项目：嘉兴学院大学生SRT创新训练项目（8517221301）