關於採用MCU控制的藍牙無線充電系統的設計方案分析

關於採用MCU控制的藍牙無線充電系統的設計方案分析

貿澤電子 發表於 2019-08-20 17:00:56

目前市場上的電子產品層出不窮，各種電子產品的充電器也多種多樣，這樣既浪費資源，又不利於環保，更重要的是這些充電器不具備通用性，不方便用戶的使用。日常生活中，經常會遇到手機、電腦等電量不足，急需充電的情況，而且不可能隨時攜帶充電器，導致手機充電很麻煩。有了無線充電技術就可以在很大程度上減少這種麻煩。因此，設計基於MSP430F149的藍牙無線充電系統，擺脫以往電線的束縛，解決電子產品充電接口不兼容的問題。該設計具有攜帶方便、成本低、無需布線等優勢，適用於各手持行動裝置以及小型用電器，不但環保並且方便了廣大的用戶。

整體方案設計

方案的主要任務是利用MCU MSP430F149 控制藍牙模塊，實現藍牙手機與藍牙模塊的匹配，或者藍牙模塊之間的匹配。通過發射電路的單片機控制AD9851產生PWM 波，控制IR2110 產生100 kHz的方波作為激勵信號，驅動功率放大電路放大功率，並且其激勵信號頻率與線圈設定好的固有頻率接近時便產生諧振，能量便可以由發送端向接收端傳送，接收到的能量經過整流穩壓電路實現恆壓輸出。當匹配成功後，通過接收電路的單片機控制TP4056充電管理模塊實現為鋰電池充電，電能充滿後給出提示且自動停止充電。並通過電壓電流檢測模塊，實時檢測充電時的電壓與電流。整個充電過程可以通過按鍵進行控制，實現藍牙配對連接、斷開和藍牙關閉功能，並具有液晶顯示功能。

硬體電路設計

2.1 硬體總體設計

整個系統主要由藍牙發射與接收模塊、磁耦合諧振模塊、電壓電流檢測模塊、顯示與按鍵控制模塊、充電管理模塊、單片機控制電路和系統供電組成。藍牙發射與接收模塊採用BC04MM 藍牙模塊；磁耦合諧振模塊由AD9851產生PWM 波電路、IR2110驅動電路、線圈發射及接收電路和整流穩壓電路組成；充電管理模塊採用TP4056產生4.2 V/500 mA 的恆定電流/恆定電壓輸出；無線發送部分和無線接收部分的單片機控制電路主要完成藍牙模塊的控制、電壓電流的採集和實現按鍵模塊的控制功能等。藍牙無線充電系統設計框圖如圖1所示。

圖1 藍牙無線充電系統設計框圖

2.2 藍牙發射與接收模塊

BC04MM藍牙模塊支持UART，USB，SPI等接口，並支持SPP藍牙串口協議，可以方便與PC機的藍牙設備相連，也可以實現兩個模塊之間的數據互通。而且由於體積小、功耗低，可以集成到其他設備中或隨身攜帶。

2.3 磁耦合諧振模塊

磁耦合諧振技術是一種以電磁場為媒介，利用兩個或多個具有相同諧振頻率、高品質因素的電磁諧振系統。該模塊是無線充電系統的關鍵，可分為發射電路和接收電路。其中發射電路由驅動電路和功率放大電路構成。通過單片機控制AD9851產生PWM信號，控制IR2110 工作，產生100 kHz的方波作為激勵信號，驅動諧振功率放大電路。

諧振功率放大電路由IRF540 開關管和LC 並聯諧振電路構成。其中振蕩線圈選用直徑為3.8 cm，電感值為30 μH的線圈，發射電路如圖2所示。

圖2 驅動電路和功率放大電路

磁耦合諧振模塊中的接收電路由LC 串聯電路、整流電路和穩壓電路構成。LC串聯電路中的接收線圈型號與發射線圈相同，當激勵信號頻率和線圈設定好的固有頻率接近時便會發生諧振，能量便可以由發送端向接收端傳送。整流電路選用肖特基管SS34構成全波整流電路，將交流信號轉化成直流信號。穩壓電路由LM2596及其外圍電路構成，因經過全波整流後輸出電壓過高並且帶負載時不穩定，所以需要通過LM2596降壓實現8 V的恆壓輸出，為後級電路提供穩定的電源。

2.4 充電管理模塊

該模塊採用充電管理晶片TP4056，該晶片是一款完整的單節鋰離子電池採用恆定電流/恆定電壓線性充電器，具有充電提示和自動停止充電功能。將該晶片的使能端與單片機上的P5.3腳連接，通過單片機控制該晶片工作，在PROG 腳接一個1.5 kΩ的電阻接地設定BAT腳的輸出電流。通過實際電路測試，BAT腳可實現4.2 V/500 mA輸出。

2.5 單片機控制電路

單片機控制電路主要實現如下功能：

（1）通過MCU UART接口發送數據和控制命令控制藍牙模塊，實現藍牙模塊之間的匹配；通過發送部分單片機控制AD9851產生PWM波；通過接收部分單片機的P5.3口控制TP4056使能端；通過無線接收部分單片機的內部ADC12模塊採集充電電流和電壓。

（2）控制和顯示電路配置在P1，P2，P5 埠，無線發射部分單片機主要完成讀取按鍵相應的操作，控制系統實現配對、連接、斷開和藍牙關閉功能，並通過LCD1602實時顯示。

軟體設計

系統的軟體部分主要包括無線發送部分軟體設計和無線接收部分軟體設計。

無線發送部分軟體設計主要完成：系統初始化、檢測按鍵、控制藍牙模塊收發數據、控制AD9851工作等，如圖3所示。

無線接收部分軟體設計主要完成：系統初始化，控制藍牙收發數據，實時檢測電壓電流數據，控制TP4056工作和LCD1602顯示，如圖4所示。

圖3 無線發送部分流程圖

圖4 無線接收部分流程圖

4 磁耦合諧振式無線充電系統傳輸特性的研究

對於磁耦合諧振式無線能量傳輸電路，傳輸功率與效率受以下參數的影響：驅動源電壓，傳輸距離，以及線圈直徑、匝數和線徑等參數。下面對做好的電路進行測試，研究傳輸效率與這些影響因素的關係。

4.1 驅動信號頻率與傳輸效率的關係

該研究中線圈距離為6 mm，兩線圈電感值為16 μH，直徑均55 mm，線圈固有頻率為126 kHz。測試過程以5 kHz為單位，從80 kHz開始增大驅動頻率，通過測量數據計算得出傳輸效率，得到如圖5所示的關係曲線。從關係曲線中可以看出當驅動信號頻率為125 kHz時，傳輸效率最高，此時與線圈固有頻率接近。以上數據證明了磁耦合諧振式無線充電電路諧振頻率與固有頻率之間的關係，即兩者近似相等時電路能量傳輸能力最強。

圖5 驅動信號頻率與傳輸效率關係曲線

4.2 兩線圈距離與傳輸效率的關係

測試過程中改變兩線圈的距離，其他參數保持不變，測量出數據計算傳輸效率，得到如圖6所示的關係曲線。在距離D 近的時候傳輸效率高，當D≤11 mm時效率大於50%，隨著距離增大，傳輸效率下降，與理論相吻合。

圖6 兩線圈距離與傳輸效率的關係

4.3 接收端固有頻率不變，電感值變化（發射端不變）與傳輸效率的關係

改變接收端的電感值和電容值，但固有頻率保持不變為125 kHz，其他參數也都保持不變，測量輸出電壓和電流，計算出傳輸效率，得到如圖7所示的關係曲線，圖中還有一組數據為線圈中心加了鐵氧體之後。

圖7 電感值變化與傳輸效率的關係

由關係曲線可以看出，隨著電感值的增大，傳輸效率增加，所以增加電感值也是增大效率的一種方法，但是電感值不可以無限制的增加，增大到一定的程度輸入功率將不能帶動負載。在線圈中加了鐵氧體後效率增大，但並不明顯，在實際運用中可以根據實際要求選擇是否添加磁性物質。

4.4 接收端電感值不變，線圈直徑變化與傳輸效率關係

線圈直徑是影響電感參數的一個重要因素，測試中改變線圈直徑，但保持固有頻率不變進行測試，測試結果如表1所示，從數據中可以看出直徑增大，傳輸效率提高，但線圈直徑太大，磁感線會相互抵消，效率會下降。

5 結語

對於MSP430F149 單片機和磁耦合諧振模塊設計的藍牙無線充電系統進行功能驗證，當D=6 mm，傳輸效率達到57%，可實現對1 200 mA●h 的鋰電池充電。並且該設計具有如下特點：

（1）以電磁諧振技術取代傳統充電線傳輸電能，使充電更加的方便快捷；
（2）利用藍牙技術，實現一對多或是多對多匹配連接；
（3）具有充電狀態提示、充電可控和電池充滿後自動斷電的功能。

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