7. 无线充电发射模块

模块描述

无线充电发射模块基于电磁感应原理,通过高频交变磁场向接收端传输能量。采用专用无线充电发射芯片(如XKT-412、MT5808)和谐振电容,工作频率通常为100-200kHz,符合Qi标准。发射线圈产生的磁场被接收线圈耦合,实现非接触式能量传输。适用于电赛中的无线充电类题目、移动机器人自动充电、便携设备充电等应用,是无线电能传输的核心技术。

工作原理

[12V直流输入] → [全桥逆变电路] → [谐振电路] → [发射线圈] → [磁场耦合]
                      ↓                  ↓              ↓
                  [PWM驱动]          [LC谐振]      [100-200kHz]
                      ↑                  ↑
                [控制芯片] ← [反馈调节] ← [功率检测]
                      ↓
              [异物检测/过温保护]

能量传输:
发射端:直流→高频交流→磁场
接收端:磁场→感应电动势→整流→直流
效率:η = P接收/P发射 = k²·QL·QR/(1+k²·QL·QR)
其中k为耦合系数,QL/QR为品质因数

技术指标

- 芯片方案: XKT-412 (集成方案), 或分立元件 - 输入电压: 12V或19V DC - 输出功率: 5W/10W/15W可选 - 工作频率: 100-205kHz (Qi标准) - 传输距离: 2-8mm (取决于功率) - 传输效率: 70-85% - 线圈规格: 直径40-80mm,15-25匝 - 谐振频率: 通过电容调谐至工作频率 - 调制方式: 频率调制或幅度调制 - 通信协议: 负载调制(接收端→发射端)

接口管脚定义

管脚/接口 名称 功能 说明
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VIN+/- 电源输入 12V DC供电 支持9-24V
COIL+/- 线圈连接 发射线圈 并联谐振电容
FB 反馈 功率反馈 检测负载
EN 使能 启动控制 高电平使能
FOD 异物检测 金属异物 检测到停止
LED 状态指示 工作状态 充电/待机/故障

板上设置和信号指示

- 输入接口: DC插座12V/2A输入 - 功率MOS: 全桥4个N-MOS(如IRFZ44N) - 谐振电容: 高频薄膜电容,计算值通常10-100nF - 发射线圈: 多股利兹线绕制,降低高频损耗 - 散热片: 功率MOS需散热片 - 状态LED: 待机蓝色,充电绿色,异物红色 - 调试点: 线圈电压、电流测试点 - 保护: 过温、过流、异物检测电路

电气指标

- 输入电压: 12V±10% - 输入电流: 空载<100mA, 满载5W时约0.6A - 输出功率: 5W/7.5W/10W (Qi标准) - 工作频率: 110-205kHz, 中心频率130kHz - 频率稳定性: ±2kHz - 效率: 空载→5W: 72-80%, 10W: 75-82% - 谐振电流: 2-5A (线圈RMS电流) - 磁场强度: <6.25 A/m @30cm (符合EMC标准) - 异物检测: 金属物>2g可检测 - 保护温度: >80°C自动降功率或关断

使用说明

1. 线圈制作: 使用0.1mm×100股利兹线,绕20圈,直径60mm 2. 谐振调谐: 测量线圈电感L,计算C=1/(4π²f²L),f=130kHz 3. 电容选择: 使用CBB薄膜电容,耐压>100V 4. 距离调试: 调整线圈间距至2-5mm最佳效率 5. 负载匹配: 接收端阻抗影响效率,需匹配设计 6. EMC处理: 屏蔽层、共模电感抑制辐射干扰 7. 异物检测: Q值检测法或功率损耗法 8. 通信: 接收端通过负载调制发送数据给发射端

全国大学生电子设计竞赛相关赛题

- 2019年A题: 电动小车动态无线充电系统(核心模块) - 2017年A题: 微电网模拟系统(无线能量传输) - 2015年: 无线电能传输装置 - 2013年: 简易频率特性测试仪(可用于测试)

应用技术要点总结

1. 谐振设计: 精确计算LC参数,保证谐振频率准确 2. 效率优化: 提高线圈Q值,减小ESR,优化耦合系数 3. 动态充电: 2019年A题需解决移动中的耦合变化问题 4. 多线圈: 阵列式发射线圈扩大充电范围 5. 位置检测: 通过功率扫描或霍尔传感器定位接收端 6. 功率控制: PID调节输出功率,适应不同负载 7. EMC优化: 加屏蔽罩、滤波器,通过辐射测试 8. 安全保护: 过温、过流、异物检测多重保护