姜毅航，朱佳明，方静，杨静怡，付家齐
（江南大学，江苏无锡，214122）
0 绪论
无线充电技术是一种不依赖电力线，依靠空间磁场耦合将供电端的电能传输给电子设备电池从而对其进行充电的技术，这一充电技术能够不通过实物连接便能实现两者之间电能的传输，打破空间与距离的隔阂，使充电更加灵活、方便、安全。这种传输方式与传统利用电缆线输送电能的方式相比更加 安全、便捷和可靠，被认为是能源传输和接入的一种革命性进步[1]。在我国现代化技术不断更新发展的趋势下，无线充电技术在多领域都已实现了突破性发展，包括但不限于家电、电动车、医疗、航空等方面，在未来这一技术将会有更广阔的发展空间。通过无线充电技术与恒温电路的结合，无线充电桌垫能够实现利用碎片化时间式的电子设备充电方式，并为伏案人群制造舒适便捷的学习、工作环境。虽然目前手机无线充电仍存在问题，但近年来其发展还是非常迅猛的，尤其是在充电功率方面，已经由刚开始的5W增长到目前的近18W，不仅是手机，在可穿戴设备、鼠标以及一些小型的用电设备上都使用了无线充电技术[2]。手机无线充电技术正改变着人们的生活。
基于此，本项目希望能在国内普及无线充电技术，通过无线充电技术与其他技术的结合，真正让其融入进人们的日常生活。这将不仅是经济市场上的一次发展，也是知识社会的一次发展。
无线充电技术从19世纪发展至今，已经有了较多成就，迄今为止能实现能量无线传输的方式主要有微波、激光、感应耦合、磁耦合谐振、电场耦合等方式，可实现小功率到大功率，远距离到近距离到不同应用场合、不同功率需求的能量传输。
20世纪80年代，以电磁感应耦合方式为主的非接触能量传输技术开始受到学者们的关注，并被逐渐应用到手机、电动汽车等产品中。2007年麻省理工大学的马林·索尔贾希克和他的研究团队利用磁场的谐振方式，成功开辟了无线电能传输技术的新方向，这不仅弥补了感应式非接触无线电能传输技术距离短的缺陷，将传输距离提高到米级范围，同时还极大地也降低了能量传输对环境的影响[3]。
我国在无线电能传输技术领域的研究工作起步较晚，从本世纪初开始，国内才开始逐渐开始进行相关的研究，并主要集中在感应式非接触无线电能传输技术和磁耦谐振式无线电能传输技术的研究上。中国科学院电工研究所是国内较早开展非接触无线电 能传输技术研究的单位之一，取得了一定的研究成果[4]。清华大学等一些理工科的科研单位和学校已经将一些科研力量投入到了这个新型行业。除了高校和科研单位等，一些国内相关的高科技企业也开始进入这个行业，并已经开始有产品样机生产出来[5]。
1 外观结构设计
1.1 材料尺寸数据
组成部分共分为两部分：无线充电和加热部分。
桌垫材质共三层，底层采用pu材质，起防滑作用。中层为电热丝加热层。上层为皮革层，防水耐脏。
考虑到日常使用场景，桌垫尺寸为80cm×36cm，可满足一般使用场景下的需求。
1.2 产品平面示意图
图1 设计平面图
2 无线充电恒温桌垫设计
2.1 恒温控制电路设计
电热丝直接引入220V交流电，通过光敏二极管来控制开断，触发电流作为开关。
图2 控温电路图
触发电流采用数字电路控制，引入高电平电压12V,低电平电压0V。12V由220V交流电降压整流。管脚VCC4，管脚RST8都输入高电平，管脚1输入低电平。管脚5接入8V电压或者悬空，THR2管脚输入高电平12V。TRI6管脚输入电压由电位器的滑动引脚引入，由热敏电阻和电位器串联而成。
灯LED1开关显示电路是否接通。灯LED2接入后可以表示电热丝是否在工作。灯LED3接入后与灯LED2的显示情况相反。
热敏电阻常温下为15kΩ，电位器为10kΩ电位器，我们将电位器滑动管脚控制在4kΩ，此时管脚6输入电压2.4V,小于三分之一VCC=4V,输出为高电平12V，形成触发电流控制光敏二极管开通，开始加热。灯LED1与 灯LED2亮，处于加热状态。
随着电热丝温度升高，热敏电阻电阻降低。当热敏电阻温度降至8kΩ以下时，此时管脚6输入电压低于4V,输出为低电平，光敏二极管停止导通。电热丝停止加热。灯LED1和灯LED3亮，处于停止加热状态。
电位器的滑动引脚的位置决定了管脚3的输入电压，间接影响到了电热毯设定的恒定温度。电位器的旋钮为控制温度设定器。
LED2和LED3为验证实验结果所用，实物连线时可省去。
2.2 无线充电电路设计
无线充电线圈中需要流过一定频率的方波或者正弦波，产生电磁场来达到无线充电的目的。我们日常生活中家庭电路中使用的为220V 50Hz电压，所以我们需要通过电路来对其整流和调节频率。
采用芯片电路控制，在电源输入端并联一个大电容，稳定输入电压。555芯片的4管脚和8管脚输入12V正弦电压，我们可以通过调节6管脚连接的电位器和5管脚的电容，来控制3管脚输出所需要的频率和电压大小。一般控制频率为100kHz。
常用的非门芯片74HC04工作电压小于15V，不符合预期要求，所以我们将芯片替代为CD4106，该芯片工作电压大于15V，能够在电路中正常工作，1管脚输入经555芯片调节过后的电压，查阅管脚资料可知，2管脚输出为与1管脚相反的电压，起到非门作用，而3管脚输入，经过4.5管脚两次非门变换，从6管脚输出原电压。
图3 无线充电电路
此时，如果我们将得到的PWM波直接接入mos管，由于不存在死区电压，可能导致上下两个mos管同时接通，导致电路短路。使得电路烧坏，所以，我们需要IR2110来将电压进行进一步的整流，设置死区电压，来保证mos管能够顺利导通，IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点。可以设置延迟电压，能够控制mos管依次导通。IR2110工作原理是，两个输出通道HO和LO通过逻辑电路与输入信号HIN和UN相对应。当SD端为低电平时，则VS的输出端也为低电平，此时两个RS触发器的置位信号无效，于是HIN及LIN变化引起两或非门“1”的输出变化，控制信号有效：当SD端为高电平时，Vs和RS触发器的工作状态与之相反，则控制输入信号无效，因而两或非门输出将保持低电平。只有当VH和VL输出脉冲的上升沿到来时，两个或非门的输出才又跟随HIN及LN变化。在芯片内部，采用两个VDD/VCC电平转换电路，以便将逻辑信号电平变换成输出驱动电平。另外在两个通道中，应用了两组推挽结构的低内阻场效应管，当VCC低于电路内部整定值时，将会输出欠电压检信号，井使得芯片的输出被封锁，而当VB欠电压时，只有上通道的输出脉冲会被封锁。
设置4个mos管来构建全桥电路，将IR2110输出的电压接入mos管，一个芯片控制两个mos管，例如，IR2110（1）控制1.4mos管，IR2110（2）控制2.3mos管，由于两个芯片输出正负相反，大小相同，频率相同的电压。从而让1.4mos管与2.3mos管依次导通，这时控制电压频率可以让串联的电容电感产生谐振，从而让电感线圈达到作为无线充电电源的目的。
2.3 无线充电发射端的无线通信
图4 发射端无线通信流程图
无线充电线圈发射端控制，发射端在待机过程中会不断检测表面是否有物体，如果没有检测到物体将会重复执行，如果检测到的物体是合法物体，将会从接收端接受信息，如果接受信息是改变传输效率，那幺无线充电发射端将会开始工作。
发射线圈中设置有电压反馈系统，会实时对线圈电压进行反馈，防止输入电压过大，对逆变器造成损坏。
发射端会对实时与接受线圈保持通信，将接受到的数据信号转化成数字信号传给控制模块。发射端控制端会实时收到接受端的控制信号，如果收到充电结束的信号，结束充电过程，否则根据收到的的控制误差信号调整传输电流。发射端将会对接收端的信号形成反馈，实时根据接收端的信号进行调整。
2.4 耦合机构
耦合机构：即发射线圈和接收线圈，是无线充电电路系统中至关重要的一部分，其设计的合理性直接关系到无线充电系统能量传输效率，传输能力和传输可靠性。一般来说，无线传输系统耦合机构尽可能满足体积小但传输效率高的要求。在耦合机构方面，我们采用已有的PCB耦合机构，这种机构能够简化制造的复杂度，减轻系统重量并且大大提高耦合机构的可靠性。在耦合机构的形状设计方面，我们采用圆形设计，这种设计能最大可能提高线圈在一定空间内的匝数，从而增加发射线圈的功率和效率且方便制作。我们制作的线圈半径约在3.5cm左右，具体的半径大小要随实际需求而改变。我们采用的PCB耦合机构，为使线圈具有一定的载流能力并减小趋肤效应和线圈电阻，采用多层板设计。设置多层线圈，然后将线圈并联，形成一个整体，这样可以减小趋肤效应并且使线圈具有一定的载流能力。
3 测试结果及分析
为了对控温电路的系统性能进行测试，我们按电路原理图搭建了仿真电路，并测试了热敏电阻在不同温度下时的阻值，最后通过LED2灯来判断光敏二极管能否触发导通。按照理论计算，电位器设定6kΩ时，热敏电阻在低于8kΩ时，会停止加热。温度在25℃时，热敏电阻为15kΩ，此时正在加热，由表1可以看到温度加热到约45℃后，热敏电阻阻值小于8kΩ，停止加热。说明系统启动后，热敏电阻周围温度能够保持在40～45℃之间。
表1 控温电路实验数据
表2 无线充电电路实验结果与数据
我们设计控制变量实验，在设计电路的基础上，改变发射端到接受端距离，得到表二数据。从表2中，我们可以得到，随着接收端与发射端之间距离的不断增加，系统的输出电压始终保持在5V～4.9V之间，说明系统输出稳定性优良，且接受端调压器发挥作用符合预期要求，能够稳定输入电压。符合设计要求。且从表中可以得到无线充电传输距离越远，传输效率越低，效率与距离成反比，说明电路工作正常。
4 结语
无线充电技术的应用与发展是充电技术领域的一次重大突破，这一技术的进步也将对人们的日常生活产生巨大的影响。无线充电技术仍具有十分广阔的发展空间，其初期阶段展现出来的多种优势也等待被充分利用。无线充电技术与控温技术二者的结合，在某种程度上将扩大无线充电技术的使用范围，进而为无线充电技术的发展提供新的思路。
