MSP430的无线充电系统设计:原理探究与关键技术实现详解
eeskill 2023-12-04


21世纪是信息时代,人们对随时随地保持信息交流的移动通信服务要求越来越高,同时无线充电技术也逐渐融入到生活当中。随着3G、4G的不断发展与深入,手机也越来越智能化。在手机不断智能化功能更强大的同时,手机耗电量也在逐渐的增大。过去待机时间的需求只局限于少部分用户群,但是现在逐渐发展成一种普遍需求。手机待机时间的长短很大程度上取决于电池的性能。然而,根据市场调研,在短期内,手机电池的技术不会有重大进展,燃料电池还没有真正达到实用化的阶段。增加电池的体积,虽然增加了手机待机的时间,但是同时也使手机的便携性下降。因此,人们对于无线充电方案的兴趣愈加浓厚。


针对于无线充电技术,文章设计了以电磁感应为原理,用MSP430G2253单片机为核心控制芯片的无线充电系统。经试验测试可以实现无线充电功能。


1 系统原理及组成


1.1 感应式无线充电的原理


无线充电是发射端(充电器)和接收端(手机等)各有一个线圈,发射端把电能通过发射线圈转换为磁场,发射线圈的磁场穿过接收端线圈,根据基础物理的法拉第电磁感应定律,在接收线圈中将产生电场,最后通过接收端输出。原理如图1所示。



1.2 无线充电电路组成


1.2.1 系统的总体设计


无线充电系统主要运用电磁感应原理,通过线圈实现能量的传递。如图2所示。系统工作时输入端将交流电经桥式整流电路变换成直流电,或直接用5 V直流电源为系统供电。通过电源管理模块后输出的直流电经过振荡电路转换成高频交流电经发射电路供给初级线圈。次级电感线圈耦合获得能量,接收初级线圈传送的电流后,输出的电流通过接收转换电路转化为成直流电对电池充电。



1.2.2 单元电路的设计


1)发射电路


通电时,Q2导通V+电压经Q1到L1,形成电容C2反向充电(左-右+),给Q2B级一个负电压,Q2截止;Q2截止,Q1也截止,C2再次充电(左+ 右-),给Q2B级一个负电压。如此反复,Q1导通/截止,两个三极管组成一个自激振荡电路。电路如图3(a)、(b)所示。



2)接收转换电路


二极管4148起半波整流作用。因为MSP430G2553的工作电压是3.3 V,所以用3.3 V稳压二极管进行稳压。如图4(a)、(b)所示。



3)检测电路


当6管脚为低电平时,Q3不通,不通被拉高,拉高表示充电完成,否则表示充电未完成。当7管脚为低电平时,Q4不通,不通被拉高,拉高表示正在充电,否则表示不在充电状态。6、7管脚通过430单片机的P1.1和P1.2端口进行控制检测。如图5(a)、(b)所示。



1.3 影响稳压值大小的因素


1.3.1 线圈间距


随着发送线圈与接收线圈之间的距离越来越大,漏磁现象越来越严重,造成了能量的损耗,导致稳压值越来越低。


1.3.2 输入电压


发射线圈与接收线圈相当于一个变压器。随着输入电压的减小,发射线圈电压减小,所以接收线圈电压减小,所以半波整流之后稳压值越来越小。



最后,选取线圈距离1 mm,输入发射电路5 V,当发送线圈和接收线圈为平面空心线圈且平行放置时,穿过次级线圈的磁力线最多,耦合程度较高,实现了3.3 V的电压传输和转换。


2 结论


无线充电技术是很有前途的非接触的能量传输技术,由发送端和接收端两部分组成,初级线圈和次级线圈的尺寸、材料、位置等都影响着无线充电系统的传输效率。通过用Multism仿真和实验,文章设计的系统,试验结果与理论基本相符,达到系统预先设定的目标,实现了5 V到3.3 V的无线能量传输。


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