Diseño y desarrollo de soluciones de cargador inalámbrico

Con la mejora continua de los requisitos de calidad del suministro de energía, seguridad, confiabilidad, conveniencia, inmediatez, ocasiones especiales y un entorno geográfico especial, etc., el métod

Con la mejora continua de los requisitos de calidad del suministro de energía, seguridad, confiabilidad, conveniencia, inmediatez, ocasiones especiales y un entorno geográfico especial, etc., el método de transmisión de energía por contacto es cada vez más incapaz de satisfacer las necesidades reales. Por lo tanto, el desarrollo de un sistema de transmisión de energía inalámbrico con las ventajas de la transmisión de energía inalámbrica, alta eficiencia de transmisión, tamaño de dispositivo pequeño, fácil portabilidad e integración, se convertirá en una de las direcciones de investigación científica más atractivas en el siglo XXI.


1. Las ventajas de la carga inalámbrica sobre la carga por cable

En comparación con los métodos de carga tradicionales, la mayor ventaja de la tecnología de carga inalámbrica es que evita el uso de cables de carga. Después de adoptar la tecnología de carga inalámbrica, diferentes dispositivos electrónicos pueden adoptar un estándar de carga inalámbrica unificado, y solo se necesita un cargador para cargar diferentes dispositivos. Otra ventaja de la tecnología de carga inalámbrica es la ausencia de contacto. Para los dispositivos electrónicos, el método de carga sin contacto no requiere un puerto de carga expuesto, lo que puede lograr un mejor diseño a prueba de agua. El cargador también se puede incrustar en la base de la lámpara, la mesa o incluso la mesita de noche para facilitar a los usuarios la carga en cualquier momento y lugar.


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2. Principio técnico del esquema de carga inalámbrica

La tecnología de transmisión de energía inalámbrica fue propuesta por el físico Nikola Tesla en 1890. De acuerdo con los diferentes principios de transmisión de energía, la transmisión de energía inalámbrica se puede dividir en tres métodos: inducción electromagnética, resonancia electromagnética y radiación electromagnética. Ya desde la década de 1920 hasta la de 1930, los académicos comenzaron a discutir la posibilidad de una fuente de alimentación inalámbrica. El verdadero avance en la tecnología de carga inalámbrica se produjo en 2007, cuando el equipo de investigación del MIT encendió con éxito una bombilla a 2 metros de distancia. Con el continuo desarrollo y mejora de la tecnología de carga inalámbrica, existen actualmente dos rutas técnicas principales: carga inalámbrica por inducción electromagnética y carga inalámbrica por resonancia electromagnética.


2.1 Principio de carga inalámbrica por inducción electromagnética


El principio de carga inalámbrica por inducción electromagnética es el mismo que el de un transformador. Hay una bobina en los extremos de transmisión y recepción. La bobina del extremo de transmisión está conectada a una fuente de alimentación cableada para generar señales electromagnéticas, y la bobina del extremo de recepción induce las señales electromagnéticas en el extremo de transmisión para generar corriente para cargar la batería. El campo magnético del sistema de carga inalámbrico se transmite principalmente a través del aire, por lo que la eficiencia de la transmisión del campo magnético es baja. Para que la eficiencia de carga inalámbrica del sistema alcance más del 70%, las dos bobinas deben estar muy cerca y los tamaños de las bobinas deben ser similares, el posicionamiento entre las dos debe ser preciso y la tecnología solo puede admitir la carga uno a uno.


Los sistemas inalámbricos de transmisión de energía por inducción electromagnética generalmente utilizan un acoplamiento de transformador sin contacto para la transmisión de energía inalámbrica. Es decir, el circuito magnético de acoplamiento estrecho del transformador del sistema está separado. El devanado primario del transformador es corriente alterna de alta frecuencia. A través de la inducción electromagnética de los devanados primario y secundario, la energía eléctrica se transmite al devanado secundario para suministrar energía al equipo eléctrico, y la energía eléctrica es Transmisión inalámbrica entre fuente de alimentación y equipo eléctrico.


2.2 Principio de carga inalámbrica por resonancia electromagnética


El principio del esquema de resonancia electromagnética es el mismo que el principio de resonancia del sonido. Las bobinas primaria y secundaria transmiten energía a través de resonancia magnética. El extremo de transmisión oscila a una frecuencia resonante específica, y la frecuencia resonante de la bobina secundaria se ajusta para que sea coherente con la de la bobina primaria para realizar la transferencia de energía. La distancia de carga del esquema de resonancia electromagnética puede alcanzar los 45 mm o más, el rango es grande, no se limita a la estructura plana, y la carga de uno a muchos se puede realizar al mismo tiempo. La bobina secundaria del extremo receptor se puede configurar en diferentes tamaños para adaptarse a las diferentes potencias del dispositivo.


Los sistemas de transmisión de energía inalámbricos por resonancia electromagnética generalmente usan dos cuerpos resonantes de la misma frecuencia para generar un fuerte acoplamiento mutuo, y usan bobinas y condensadores de placa colocados en ambos extremos para formar un circuito resonante para lograr la transmisión de energía inalámbrica. En junio de 2007, Marin Soljasik, profesor asistente de física en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, y su equipo de investigación llevaron a cabo un experimento, energizando una bobina con un diámetro de 60 cm y conectándola a otra a una distancia de 1,9 m. La bombilla de 60 W de la bobina está encendida. Este experimento muestra que las bobinas del extremo transmisor y el extremo receptor forman un sistema de resonancia magnética. Cuando la frecuencia de oscilación del campo magnético del extremo transmisor es la misma que la frecuencia natural de la bobina del extremo receptor, el extremo receptor resonará, realizando así la transmisión inalámbrica de energía. La energía eléctrica consumida es solo una millonésima parte de la tecnología tradicional de suministro de energía por inducción electromagnética, y la distancia de transmisión efectiva es de decenas de centímetros a varios metros, por lo que esta forma de transmisión es adecuada para la transmisión de energía inalámbrica de rango medio.


2.3 Principio de transmisión de potencia inalámbrica de tipo radiación electromagnética


El sistema de transmisión de energía inalámbrica de tipo radiación electromagnética utiliza la banda de microondas para la transmisión inalámbrica de energía eléctrica. La energía es generada por la fuente de energía, y la energía de CA de frecuencia industrial se convierte en microondas a través del convertidor de microondas, y luego se envía al espacio a través de la antena transmisora de microondas de la estación transmisora, y luego se transmite a la estación receptora de microondas terrestre. El convertidor convierte las microondas recibidas en frecuencia eléctrica Energía CA para usuarios. Las microondas son ondas electromagnéticas con una longitud de onda entre las ondas de radio y los rayos infrarrojos. Debido a su alta frecuencia, pueden atravesar la ionosfera sin reflejarse. El universo es ideal para la transmisión de microondas sin apenas pérdida de energía. La pérdida al atravesar la atmósfera es de alrededor del 2%. Por lo tanto, el sistema de transmisión de energía inalámbrico de tipo radiación electromagnética tiene una mayor eficiencia de transmisión de energía y es adecuado para la transmisión de energía inalámbrica a larga distancia.


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Tres estándares de tecnología de carga inalámbrica

Para promover la aplicación de la tecnología de carga inalámbrica, los operadores de comunicaciones, las empresas de semiconductores y las empresas de alta tecnología han formado diferentes alianzas de carga inalámbrica y han introducido sus propios estándares de tecnología de carga inalámbrica.


El estándar de carga inalámbrica más común es el estándar Qi lanzado por WPC (Wireless Power Consortium). El estándar tradicional de Qi utiliza un esquema de inducción electromagnética. El estándar Qi tiene buena versatilidad y conveniencia. Desde hogares, automóviles, aeropuertos, cafés y oficinas, el estándar Qi admite una amplia gama de escenarios.En general, los cargadores inalámbricos con el logotipo del estándar Qi pueden alimentar dispositivos electrónicos que admiten el estándar Qi. Para compensar la falta de esquemas de inducción electromagnética que solo se pueden cargar uno a uno, el último estándar Qi1.2 agrega soporte para esquemas de resonancia electromagnética, lo que permite la carga simultánea de múltiples dispositivos. Airfuel, otra alianza de carga inalámbrica, también ha lanzado sus estándares de tecnología de carga inalámbrica, incluido el estándar PMA que usa esquemas de inducción electromagnética y el estándar A4WP que usa esquemas de resonancia electromagnética. Sin embargo, comparado con el estándar Qi, Airfuel no es lo suficientemente maduro técnicamente y no se ha aplicado bien comercialmente.


Cuarto, diseño de cargador inalámbrico de inducción electromagnética

El diagrama de bloques principal de un sistema típico de transmisión de energía inalámbrica por inducción electromagnética se muestra en la Figura 1.


电磁感应式无线充电系统原理框图

El sistema de transmisión de energía por inducción electromagnética se compone principalmente de una parte de conversión de energía, una parte de transmisión de energía y una parte de recepción de energía. La potencia de CA de entrada se rectifica, filtra y estabiliza en potencia de CC y se invierte mediante un inversor de alta frecuencia. La corriente alterna de alta frecuencia generada por el inversor se introduce en la bobina primaria del transformador independiente y se acopla con la bobina secundaria para producir Induce la fuerza electromotriz y luego suministra energía a la carga después de la rectificación y filtrado de alta frecuencia. Este texto utiliza el principio de transmisión de energía eléctrica del tipo de inducción electromagnética para diseñar el circuito de hardware principal del cargador inalámbrico como se muestra en la Figura 2.

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4.1 Diseño del circuito de lanzamiento


El circuito se compone principalmente de dos partes: un generador de señal oscilante y un amplificador de potencia resonante. El NE555 se utiliza para formar un generador de señales con una frecuencia de oscilación de aproximadamente 400 kHz para proporcionar señales de excitación para el circuito del amplificador de potencia; el amplificador de potencia resonante está compuesto por un circuito resonante paralelo LC y un tubo interruptor Q1. Cuando la frecuencia de resonancia del bucle selectivo de frecuencia del amplificador de potencia es la misma que la frecuencia de la señal de excitación, el amplificador de potencia resuena. En este momento, el voltaje y la corriente en la bobina alcanzan el valor máximo, generando así el campo electromagnético alterno más grande.


4.2 Diseño del circuito receptor


Cuando la bobina receptora está cerca de la bobina transmisora, se genera una fuerza electromotriz inducida en la bobina receptora. Cuando la frecuencia resonante del bucle de la bobina receptora es la misma que la frecuencia resonante de la bobina transmisora, el voltaje inducido alcanza el valor máximo. Cuando tanto el bucle de la bobina transmisora como el bucle de la bobina receptora están en resonancia, el sistema tiene la mejor eficiencia de transmisión de energía.


4.3 Diseño del circuito de carga


El chip de administración de energía se utiliza para diseñar un circuito de carga con 4 modos de trabajo: corriente lenta, corriente constante, sobrecarga y carga flotante. Cuando el circuito está en modo de carga de corriente constante, la magnitud de la corriente de carga se establece mediante la resistencia de detección de corriente conectada entre el pin CSP y el pin BAT; cuando el circuito está en modo de sobrecarga y carga flotante, se establece la red divisoria de voltaje formada por resistencias externas Voltaje de carga. Cuando el voltaje de entrada es demasiado bajo, el circuito de carga entra en un estado de suspensión. Cuando el voltaje de entrada es mayor que el voltaje de arranque de 6 V, el circuito de carga comienza a cargar la batería. Las resistencias divisoras de voltaje R6 y R7 retroalimentan el voltaje del terminal de la batería al pin FB del chip, y el chip determina en qué modo de carga ingresar de acuerdo con el valor de voltaje realimentado desde el pin FB. Cuando el voltaje del pin FB está cerca de 3.6V, el chip funciona en un estado de sobrecarga. Si el voltaje de la batería es inferior al 81,8% del voltaje de sobrecarga establecido, el circuito de carga entra automáticamente en el modo de carga lenta y la corriente de carga es el 13% de la corriente de carga constante establecida. Cuando el voltaje de la batería es superior al 81,8% del voltaje de sobrecarga establecido, el circuito de carga entra en el modo de carga de corriente constante. El voltaje de carga establecido por el circuito de carga diseñado en este artículo es de 5 V, que puede cargar la mayoría de los dispositivos electrónicos que se usan comúnmente en la vida.


Cinco, esquema de diseño de cargador inalámbrico compartido


Cuando estás fuera de casa, un celular muerto traerá todo tipo de inconvenientes a la vida de las personas. Para resolver el problema de carga de teléfonos móviles anterior, es necesario diseñar un cargador inalámbrico compartido que sea adecuado para lugares públicos interiores como restaurantes, cafeterías, estaciones de tren, aeropuertos, etc., y que admita varios teléfonos móviles. El esquema de diseño de carga inalámbrica compartida incluye principalmente cuatro módulos: módulo de carga inalámbrica, módulo de interacción del usuario, módulo de control central y módulo de servidor remoto. La descripción de la función de cada módulo es la siguiente.


(1) Módulo de carga inalámbrica: el módulo de carga inalámbrica es el principal responsable de la realización de la función de carga del teléfono inteligente. Actualmente hay dos rutas de tecnología de carga inalámbrica convencionales: carga inalámbrica por inducción electromagnética y carga inalámbrica por resonancia electromagnética. Aunque el esquema de carga inalámbrica por resonancia electromagnética puede soportar una carga de uno a varios y una distancia de carga más larga, el esquema de carga inalámbrica por inducción electromagnética es más maduro en tecnología y negocios. El estándar Qi lanzado por Wireless Power Consortium WPC (Wireless Power Consortium) es actualmente el estándar de carga inalámbrica más común. En el módulo de carga inalámbrica, también usaremos una bobina de transmisión inalámbrica que admita el estándar Qi, para realizar el soporte de carga para todo tipo de teléfonos móviles.


(2) Módulo de interacción con el usuario: El módulo de interacción con el usuario es el principal responsable de la realización de funciones interactivas con los usuarios. Para permitir a los usuarios utilizar nuestros cargadores de teléfonos móviles inalámbricos de forma fácil y rápida, adoptamos el método de inicio de sesión de usuario para escanear el código QR en WeChat. Los usuarios pueden usar directamente la cuenta de WeChat para iniciar sesión en el pequeño programa que proporcionamos, ingresar el número del cargador inalámbrico cercano y obtener el permiso para cargar. Una vez que el usuario termina de cobrar, también puede pagar las tarifas correspondientes a través de WeChat Pay.


(3) Módulo de control central: El módulo de control central es principalmente responsable de comunicarse con el servidor remoto y controlar la apertura y cierre de la función de carga inalámbrica. Una vez que el servidor remoto autentica con éxito la identidad del usuario, enviará la información correspondiente al módulo de control central. Una vez que el módulo de control central recibe la información de inicio de carga del servidor remoto, activará la función de carga inalámbrica. Cuando el servidor remoto envía un mensaje de detención de carga, el módulo de control central apagará la función de carga inalámbrica.


(4) Módulo de servidor remoto: el módulo de servidor remoto es principalmente responsable de servicios como la autenticación de identidad de usuario y el cálculo de tarifas. Una vez que el usuario inicia sesión con la cuenta de WeChat, el servidor remoto consultará la información correspondiente del usuario en la base de datos. Después de que el usuario hace clic en los botones de inicio y parada de carga en el subprograma WeChat, el módulo de servidor remoto se comunicará con el módulo de control central para encender y apagar la función de carga inalámbrica. Cuando el usuario esté completamente cargado, el servidor remoto también calculará la tarifa correspondiente.


El proceso de uso del cargador de teléfono móvil inalámbrico compartido es el siguiente: (1) El usuario escanea el código QR en el escritorio e inicia sesión en el subprograma WeChat. (2) El usuario ingresa el número de cargador inalámbrico a su alrededor, hace clic en el botón de inicio de carga y coloca el teléfono en el escritorio para comenzar a cargar. (3) Una vez completada la carga, el usuario hace clic en el botón de parada de carga. (4) De acuerdo con la tarifa indicada en el mini programa, el usuario utiliza WeChat Pay para completar la liquidación de la tarifa correspondiente.


para resumir


Este artículo revisa las rutas de la tecnología de carga inalámbrica existente y los estándares técnicos correspondientes, y propone un diseño de cargador de teléfono móvil inalámbrico compartido. Nuestro plan de diseño combina el estándar de carga inalámbrica Qi y varias funciones del software WeChat, que pueden proporcionar una referencia para el diseño de productos futuros. Un cargador inalámbrico está diseñado utilizando el principio de transmisión de energía inalámbrica por inducción electromagnética. Las pruebas muestran que el cargador puede lograr una transmisión de energía eléctrica de alta eficiencia a poca distancia. Además, el circuito de carga del cargador tiene mayor superioridad y avance en comparación con el circuito dado en la literatura.