關于智能一體化無線充電恒溫桌墊的設計

姜毅航，朱佳明，方靜，楊靜怡，付家齊

（江南大學，江蘇無錫，214122）

0 緒論

無線充電技術是一種不依賴電力線，依靠空間磁場耦合將供電端的電能傳輸給電子設備電池從而對其進行充電的技術，這一充電技術能夠不通過實物連接便能實現兩者之間電能的傳輸，打破空間與距離的隔閡，使充電更加靈活、方便、安全。這種傳輸方式與傳統利用電纜線輸送電能的方式相比更加 安全、便捷和可靠，被認為是能源傳輸和接入的一種革命性進步[1]。在我國現代化技術不斷更新發展的趨勢下，無線充電技術在多領域都已實現了突破性發展，包括但不限于家電、電動車、醫療、航空等方面，在未來這一技術將會有更廣闊的發展空間。通過無線充電技術與恒溫電路的結合，無線充電桌墊能夠實現利用碎片化時間式的電子設備充電方式，并為伏案人群制造舒適便捷的學習、工作環境。雖然目前手機無線充電仍存在問題，但近年來其發展還是非常迅猛的，尤其是在充電功率方面，已經由剛開始的5W增長到目前的近18W，不僅是手機，在可穿戴設備、鼠標以及一些小型的用電設備上都使用了無線充電技術[2]。手機無線充電技術正改變著人們的生活。

基于此，本項目希望能在國內普及無線充電技術，通過無線充電技術與其他技術的結合，真正讓其融入進人們的日常生活。這將不僅是經濟市場上的一次發展，也是知識社會的一次發展。

無線充電技術從19世紀發展至今，已經有了較多成就，迄今為止能實現能量無線傳輸的方式主要有微波、激光、感應耦合、磁耦合諧振、電場耦合等方式，可實現小功率到大功率，遠距離到近距離到不同應用場合、不同功率需求的能量傳輸。

20世紀80年代，以電磁感應耦合方式為主的非接觸能量傳輸技術開始受到學者們的關注，并被逐漸應用到手機、電動汽車等產品中。2007年麻省理工大學的馬林·索爾賈希克和他的研究團隊利用磁場的諧振方式，成功開辟了無線電能傳輸技術的新方向，這不僅彌補了感應式非接觸無線電能傳輸技術距離短的缺陷，將傳輸距離提高到米級范圍，同時還極大地也降低了能量傳輸對環境的影響[3]。

我國在無線電能傳輸技術領域的研究工作起步較晚，從本世紀初開始，國內才開始逐漸開始進行相關的研究，并主要集中在感應式非接觸無線電能傳輸技術和磁耦諧振式無線電能傳輸技術的研究上。中國科學院電工研究所是國內較早開展非接觸無線電 能傳輸技術研究的單位之一，取得了一定的研究成果[4]。清華大學等一些理工科的科研單位和學校已經將一些科研力量投入到了這個新型行業。除了高校和科研單位等，一些國內相關的高科技企業也開始進入這個行業，并已經開始有產品樣機生產出來[5]。

1 外觀結構設計

1.1 材料尺寸數據

組成部分共分為兩部分：無線充電和加熱部分。

桌墊材質共三層，底層采用pu材質，起防滑作用。中層為電熱絲加熱層。上層為皮革層，防水耐臟。

考慮到日常使用場景，桌墊尺寸為80cm×36cm，可滿足一般使用場景下的需求。

1.2 產品平面示意圖

圖1 設計平面圖

2 無線充電恒溫桌墊設計

2.1 恒溫控制電路設計

電熱絲直接引入220V交流電，通過光敏二極管來控制開斷，觸發電流作為開關。

圖2 控溫電路圖

觸發電流采用數字電路控制，引入高電平電壓12V,低電平電壓0V。12V由220V交流電降壓整流。管腳VCC4，管腳RST8都輸入高電平，管腳1輸入低電平。管腳5接入8V電壓或者懸空，THR2管腳輸入高電平12V。TRI6管腳輸入電壓由電位器的滑動引腳引入，由熱敏電阻和電位器串聯而成。

燈LED1開關顯示電路是否接通。燈LED2接入后可以表示電熱絲是否在工作。燈LED3接入后與燈LED2的顯示情況相反。

熱敏電阻常溫下為15kΩ，電位器為10kΩ電位器，我們將電位器滑動管腳控制在4kΩ，此時管腳6輸入電壓2.4V,小于三分之一VCC=4V,輸出為高電平12V，形成觸發電流控制光敏二極管開通，開始加熱。燈LED1與 燈LED2亮，處于加熱狀態。

隨著電熱絲溫度升高，熱敏電阻電阻降低。當熱敏電阻溫度降至8kΩ以下時，此時管腳6輸入電壓低于4V,輸出為低電平，光敏二極管停止導通。電熱絲停止加熱。燈LED1和燈LED3亮，處于停止加熱狀態。

電位器的滑動引腳的位置決定了管腳3的輸入電壓，間接影響到了電熱毯設定的恒定溫度。電位器的旋鈕為控制溫度設定器。

LED2和LED3為驗證實驗結果所用，實物連線時可省去。

2.2 無線充電電路設計

無線充電線圈中需要流過一定頻率的方波或者正弦波，產生電磁場來達到無線充電的目的。我們日常生活中家庭電路中使用的為220V 50Hz電壓，所以我們需要通過電路來對其整流和調節頻率。

采用芯片電路控制，在電源輸入端并聯一個大電容，穩定輸入電壓。555芯片的4管腳和8管腳輸入12V正弦電壓，我們可以通過調節6管腳連接的電位器和5管腳的電容，來控制3管腳輸出所需要的頻率和電壓大小。一般控制頻率為100kHz。

常用的非門芯片74HC04工作電壓小于15V，不符合預期要求，所以我們將芯片替代為CD4106，該芯片工作電壓大于15V，能夠在電路中正常工作，1管腳輸入經555芯片調節過后的電壓，查閱管腳資料可知，2管腳輸出為與1管腳相反的電壓，起到非門作用，而3管腳輸入，經過4.5管腳兩次非門變換，從6管腳輸出原電壓。

圖3 無線充電電路

此時，如果我們將得到的PWM波直接接入mos管，由于不存在死區電壓，可能導致上下兩個mos管同時接通，導致電路短路。使得電路燒壞，所以，我們需要IR2110來將電壓進行進一步的整流，設置死區電壓，來保證mos管能夠順利導通，IR2110驅動器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優點。可以設置延遲電壓，能夠控制mos管依次導通。IR2110工作原理是，兩個輸出通道HO和LO通過邏輯電路與輸入信號HIN和UN相對應。當SD端為低電平時，則VS的輸出端也為低電平，此時兩個RS觸發器的置位信號無效，于是HIN及LIN變化引起兩或非門“1”的輸出變化，控制信號有效：當SD端為高電平時，Vs和RS觸發器的工作狀態與之相反，則控制輸入信號無效，因而兩或非門輸出將保持低電平。只有當VH和VL輸出脈沖的上升沿到來時，兩個或非門的輸出才又跟隨HIN及LN變化。在芯片內部，采用兩個VDD/VCC電平轉換電路，以便將邏輯信號電平變換成輸出驅動電平。另外在兩個通道中，應用了兩組推挽結構的低內阻場效應管，當VCC低于電路內部整定值時，將會輸出欠電壓檢信號，井使得芯片的輸出被封鎖，而當VB欠電壓時，只有上通道的輸出脈沖會被封鎖。

設置4個mos管來構建全橋電路，將IR2110輸出的電壓接入mos管，一個芯片控制兩個mos管，例如，IR2110（1）控制1.4mos管，IR2110（2）控制2.3mos管，由于兩個芯片輸出正負相反，大小相同，頻率相同的電壓。從而讓1.4mos管與2.3mos管依次導通，這時控制電壓頻率可以讓串聯的電容電感產生諧振，從而讓電感線圈達到作為無線充電電源的目的。

2.3 無線充電發射端的無線通信

圖4 發射端無線通信流程圖

無線充電線圈發射端控制，發射端在待機過程中會不斷檢測表面是否有物體，如果沒有檢測到物體將會重復執行，如果檢測到的物體是合法物體，將會從接收端接受信息，如果接受信息是改變傳輸效率，那么無線充電發射端將會開始工作。

發射線圈中設置有電壓反饋系統，會實時對線圈電壓進行反饋，防止輸入電壓過大，對逆變器造成損壞。

發射端會對實時與接受線圈保持通信，將接受到的數據信號轉化成數字信號傳給控制模塊。發射端控制端會實時收到接受端的控制信號，如果收到充電結束的信號，結束充電過程，否則根據收到的的控制誤差信號調整傳輸電流。發射端將會對接收端的信號形成反饋，實時根據接收端的信號進行調整。

2.4 耦合機構

耦合機構：即發射線圈和接收線圈，是無線充電電路系統中至關重要的一部分，其設計的合理性直接關系到無線充電系統能量傳輸效率，傳輸能力和傳輸可靠性。一般來說，無線傳輸系統耦合機構盡可能滿足體積小但傳輸效率高的要求。在耦合機構方面，我們采用已有的PCB耦合機構，這種機構能夠簡化制造的復雜度，減輕系統重量并且大大提高耦合機構的可靠性。在耦合機構的形狀設計方面，我們采用圓形設計，這種設計能最大可能提高線圈在一定空間內的匝數，從而增加發射線圈的功率和效率且方便制作。我們制作的線圈半徑約在3.5cm左右，具體的半徑大小要隨實際需求而改變。我們采用的PCB耦合機構，為使線圈具有一定的載流能力并減小趨膚效應和線圈電阻，采用多層板設計。設置多層線圈，然后將線圈并聯，形成一個整體，這樣可以減小趨膚效應并且使線圈具有一定的載流能力。

3 測試結果及分析

為了對控溫電路的系統性能進行測試，我們按電路原理圖搭建了仿真電路，并測試了熱敏電阻在不同溫度下時的阻值，最后通過LED2燈來判斷光敏二極管能否觸發導通。按照理論計算，電位器設定6kΩ時，熱敏電阻在低于8kΩ時，會停止加熱。溫度在25℃時，熱敏電阻為15kΩ，此時正在加熱，由表1可以看到溫度加熱到約45℃后，熱敏電阻阻值小于8kΩ，停止加熱。說明系統啟動后，熱敏電阻周圍溫度能夠保持在40～45℃之間。

表1 控溫電路實驗數據

表2 無線充電電路實驗結果與數據

我們設計控制變量實驗，在設計電路的基礎上，改變發射端到接受端距離，得到表二數據。從表2中，我們可以得到，隨著接收端與發射端之間距離的不斷增加，系統的輸出電壓始終保持在5V～4.9V之間，說明系統輸出穩定性優良，且接受端調壓器發揮作用符合預期要求，能夠穩定輸入電壓。符合設計要求。且從表中可以得到無線充電傳輸距離越遠，傳輸效率越低，效率與距離成反比，說明電路工作正常。

4 結語

無線充電技術的應用與發展是充電技術領域的一次重大突破，這一技術的進步也將對人們的日常生活產生巨大的影響。無線充電技術仍具有十分廣闊的發展空間，其初期階段展現出來的多種優勢也等待被充分利用。無線充電技術與控溫技術二者的結合，在某種程度上將擴大無線充電技術的使用范圍，進而為無線充電技術的發展提供新的思路。