基于MSP430单片机的无线充电器设计

引言

目前，手机、MP3和笔记本 电脑等便携式电子设备进行充电主要采用的是一端连 接交流电源，另一端连接便携式电子设备充电电池的传统充电方式。这种方式有很多不利 的地方，如频繁的插拔很容易损坏接头，也可能带来触电的危险等。因此，非接触式感应充电器在上个世纪末期诞生。凭借其携带方便、成本低、无需布线等优势迅速受到各界关注。实现无线充电，能量传输效率高，便于携带成为充电系统的研究方向之一 。本设计就是一个由能量发送单元和能量接收单元两大部分组成，利用电磁感应原理 实现电能无线传递的充电器。

1 硬件系统设计

1.1 器件选择

本无线充电系统的设计是用线圈耦合方式传递能量，使接收单元接收到足够的电能，以保证后续电路能量的供给。由于无线传电电压随能量发送单元和接收单元耦合线圈的间距D在测试中需要改变，而充电时间相对固定，便于控制，所以充电方式上选择固定电流充电的恒流充电方案。在器件选择上选择有多种省电模式，功耗特别省，抗干扰力特强的 MSP430系列超低功耗单片机MSP430F2274作为无线传能充电器的监测控制核心芯片，电压和充电时间显示采用低功耗OCM126864—9液晶屏，以提高充电电路的能量利用效率。

1.2 系统框图

无线充电系统主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图1所示，系统工作时输人端将交流市 电经全桥整流电路变换成直流电，或用24V直流电端直接为系统供电。当接收线圈与发射线圈靠近时，在接收线圈中产生感生电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达最大值，具有最好的能量传输效果。通过 2个电感线圈耦合能量，次级线圈输出的电流经接受转换电路变化成直流电为电池充电。

1.3 单元电路设计

1.3.1 电源切换

直流输入采用单刀双闸继电器，交流上电常开闭合，常闭打开实现交流优先，交流断电继电器断电，常闭闭合，实现自动切换。在切换时，时间很短，C1可提供一定时间的电量，可以实现不断电切换，不影响充电。见图2所示 。

1.3.2发射及接收电路

发射电路由振荡信号发生器和谐振功率放大器两部分组成， 见图3所示。采用NE555构成振荡频率约为510KHZ信号发生器 ，为功放电路提供激励信号；谐振功率放大器由Lc并联谐振回路和开关管IRF840构成。振荡线圈按要求用直径为0.8mm的漆包线密绕2O圈，直径约为6.5cm，实测电感值约为142uH ，由， 当谐振在510KHZ时，与其并联的电容c5、c6 约为680P，可用470pF的固定电容并联一个200PF的可调电容，可方便调节谐振频率。

大功率管TRF840最大电流为8A、完全开启时内阻为0.85欧，管子发热量大，所以需要加装散热片。当功率放大器的选频回路的谐振频率与激励信号频率相同时，功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值，从而产生最大的交变电磁场。当接收线圈与发射线圈靠近时，在接收线圈中产生感生电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达最大值。构成了如图4所示的谐振回路。实际上，发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，具有最好的能量传输效果。

1.3.3 充电电路

如图5所示，电能经过线圈接收后，高频交流电压经快速二极1N4148进行全波整流，3300F的电容滤波，再用5.1v压二极管稳压，输出直流电为充电器提供较为稳定的工作电压。

因为， 为了准确控制充电时间，我们在设计中采用恒流充电的方法，可以保证充电电流大致为一常数I，上述电容电压与时间的关系可表示为：。 根据题设要求，充电时间应满足快充小于30s，慢充控制在100到140S ， 计算出快充、慢充所需 电流大小快I1慢I2： 分别为 ：
图 5中二极管 D1、 D2的导通电压基本不变 ，故可作为电压基准 ， 约为 1.4 V。各电压关系为：

可见在恒流充电电路中，充电电流仅由电阻R1、R2确定。计算中约定U=0.7充电电流Ic（ 三极管集电极电流）Ie，计算出快充、慢充所需电阻R1、R2分别为 ：



设计中采用可调电阻， 可调节充电电流的大小 。
    
1 .3. 4 整机电路原理图

2 软件设计

软件设计 的主要任务是对充电过程的监视及充电电路的控制。具体方法是：利用 MSP430单片机 自带的A D转换器实时检测充电电池上的电压，到规定电压时发出控制信号，断充电电路。基于MSP430较高的速度、高精度的AD转换器、功能丰富的定时器等资源特点， 我们在LCD上设计了充电进度条的绘制、实时充电电压显示、充电时间显示等内容。其中进度条的绘制需要定性反映实时电压大小，我们采用的方法是根据电压值计算出坐标，并调用自己设计的画直线函数进行实时绘制，效果逼真（ 见图7、图8 ） 。

3 功能的实现情况

本无线充电系统设计使用220V /50HZ交流供电，24V直流供电，自动切换交、直流供电电源； 具有快充、慢充功能，当距离D> 2cm时， 快充时间<30s，当距离D>2cm时，慢充时间 <120s。系统充满后显示，自动关断充电。如表1所示 。

4 结 语

充电效率是一个不得不考虑的问题。本设计系统可以在发射接收电路的能量传输部分做适当改进，以获得更高的效率和更远的距离；也可以设计充电设备检测电路，在没有能量接收电路时能量发送部分处于睡眠状态，当能量接收电路靠近发送部分时，激活发射电路开始充电。本设计系统达到了设计要求，具有无线充电、携带方便、成本低、无需布线等优势，有着广泛的应用前景。