无线电源作品申报书.doc

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编码：

燕山大学
第十六届“世纪杯”大学生课外学术科技作品竞赛
作品申报书

作品名称：基于无线技术的笔记本电源
所属学院：电气工程学院
申报者姓名
(集体名称)：梦之队
类别：
□ 自然科学类学术论文
□ 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
√ 科技发明制作A类
□ 科技发明制作B类

共青团燕山大学委员会
2011年10月
说 明
1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。
2．申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。其中科技发明制作类分成两类：A类指科技含量较高、制作投入较大的作品；B类指制作投入较小，对生产技术或社会生活带来便利的小发明、小制作。所有申报者可根据情况填写C表。评分表也只需所则对应的表格填写即可。
3．表内项目填写时一律打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。
4．序号、编码由各院科协组织人员编写。
5．参赛作品及有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体_GB打印在A4纸上，附于“E参赛作品打印处”。行距：固定值26，页边距：左右2.5cm，上下2.5cm。
6．作品申报书须按要求以学院为单位统一报送。报送地址：燕山大学大学生科学技术协会办公室(东区大学生活动中心210)。
7、其他事宜可咨询校团委科技实践部杨晓芳，8057103。或咨询校科协，8062370（19:00-21:30）。

A2申报者情况（集体项目）

申报者代表情况
姓名
刘勇
性别
男
出生年月
1992．01
学院
电气工程学院
专业
测控技术与仪器
年级
大二
作品名称
基于无线技术的笔记本电源
论文题目
基于无线技术的笔记本电源
宿舍地址

8B-202
手机
18713509827
宿舍电话
无
电子邮箱
827415225@
其他作者情况
姓 名
性别
年龄
学院
专业
年级
电话
陈凯龙
男

电气工程学院
电气工程及其自动化
大二
18713506920
巫肇彬
男

电气工程学院
测控技术与仪器
大二
18713508279
朱明增
男

电气工程学院

大二

苏崇钦
男

电气工程学院

大二

B3．申报作品情况（科技发明制作）
说明： 1．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书；
2．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。
作品全称
基于无线技术的笔记本电源
作品分类
（B ）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控
制、工程、交通、建筑等）
B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）
C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）
D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健
康、卫生、食品等）
E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化
工、生态、环保等）
作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标
无线供电是一个相对崭新的研究领域。由于有线供电和电池供电已无法满足其自身功能的增长和用户的需求，因此我们决定研究笔记本电脑的无线供电。
设计、选择出可行、合理的发射模块电路与接收模块电路。核心器件为电磁共振专用的大功率发射和大功率接收ICOX330MP05S与VOX20K3A。重点：发射模块芯片、接收模块芯片的使用,电路设计以及模块电路与笔记本的合理安装。并在可行安全的前提下最大限提高电能的利用率。
运用模拟电路、数字电路的相关知识，实现输出电压的精确控制，满足笔记本正常工作的电源需要。并通过电源控制芯片控制，实现输出电源的在短路、过压、过温、过功率等非正常情况下安全智能控制。
作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）
1、目前无线电源的研究是热点也是前沿，大多还处于研发阶段。研发成品也大都针对小功率用电器，如手机、相机等。本方案创新地实现了较大功率的笔记本无线电源设计。
2、选择合理材料解决涡流、EMC等难点问题。
3、巧妙地设计模块电路与笔记本电脑结构，使二者实现完美契合。
4、参考文献
《基于DPA425的小功率无线电源设计》 严琦龙 陈庭勋
《无线电源》
作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果

作品所处
阶 段
（A）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段
D （自填）
作品可展示的
形 式
□实物、产品 □模型 □图纸 □磁盘 □现场演示 √图片 □录像 □样品
使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测

无线充电设备主要利用一对基于电磁共振的专用大功率发射和大功率接收IC，将电能以电磁波辐射的方式由发射端经过一段距离后传到接收端以实现无线充电功能。将笔记本的电脑置于发射底座上让发射模块与接收模块上下对齐，保持约2cm距离，即可通电使用。该产品省去了繁琐的电线给用户带来的困扰。在安全，高效的前提下，对笔记本进行实时充电，方便快捷。该产品的研发必将为笔记本的发展带来一场新的革命。
专利申报情况
□提出专利申报
申报号
申报日期 年 月 日
□已获专利权批准
批准号
批准日期 年 月 日
□未提出专利申请

学院团委意见
（盖章）
年 月 日

C.当前国内外同类课题研究水平概述
说明：1.申报者必须根据作品类别和情况填写；
2.填写此栏有助于评审。
透过波束发射电源的想法并不新奇。早在1899年，Nikola Tesla在Wardenclyffe进行的无线电源传输实验就证明，可以在不使用电线的情况下点亮25英哩以外的氖气照明灯。
　　而成立於1934年的美国联邦通讯委员会(FCC)，则将2.4-2.5GHz的频段保留给工业、科学和医疗(ISM)领域，使人们可以在该范围进行重要的科学研究。早於二次世界大战期间，就已利用磁电管将电能成功转换成微波的技术，但是将微波转回电流的方法却一直到1964年，William C. Brown才成功地研发出一款可将微波转换成电流的矽整流二极体天线。
　　1968年，Peter Glaser提出了在电源能量远低於国际安全标准的条件下，利用微波从太阳能动力卫星向地面传输电源的想法；而在1987年10月7日的一项固定高海拔中继平台(SHARP)实验中，一架小型飞机透过RF(无线射频)波束提供的动力在空中飞行。此次飞行首开国际航空联盟实验之先河。
最後，在1995年，美国航空暨太空总署(NASA)建立了一个集研究、技术与投资於一身的250MW太阳能动力系统(SPS)，而日本的目标则是在2025年建立一个低成本的示范模型。
2007年6月，由美国麻省理工学院的物理学助理教授马林·索尔贾希克(Marin Soljacic)创立的团队进行了一项震惊全球的演示——他们成功地点亮了一个两米开外的60瓦灯泡，而在电源和灯泡之间没有使用任何电线，这个被马林称为“WiTricity”的技术利用了“非辐射性磁耦合共振”原理，两个耦合线圈频率一致，通过共振便能实现远距离高效无线电力传输。
2008年12月17日，无线充电联盟成立，其使命是为了创造和促进市场广泛采用与所有可再充电电子设备兼容的国际无线充电标准Qi。
2010年九月一日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国。信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心也加入该组织。
无线充电联盟副主席、来自美国安利的子公司富尔顿创新公司董事布雷特·刘易斯介绍，联盟成员近60家，包括劲量、LG电子、诺基亚等。安利净水器10年前就开始采用富尔顿的无线充电技术。
无线充电技术采用统一的工业标准，未来几年，手提电话、PMP/MP3播放器、数字照相机、手提电脑等产品都可以使用全新的低能耗、高兼容的相同的无线充电器。这个充电器类似一个托盘直接插到电源上，获得联盟认证的带有“Qi”标识各企业的不同品牌的手机直接放在上面就可完成充电。

D1.指导教师情况及对作品的说明
说明：1．由指导教师本人亲笔签名；
2．指导教师原则上应具有副高及以上专业技术职称，并是与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员；
指导教师情况
姓 名

职称

所在学院

研究方向

单位电话

电子邮箱

请对申报者申报情况的真实性作出阐述

签字：
年 月 日
请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价

签字：
年 月 日
其它说明

E．参赛作品打印处
VOX330MP05S是一块3脚封装（与TO-220相当）的电磁共振专用发射芯片，具有高达100W的发射能力，而体积只有22mm×12mm×9.5mm，它的第1脚为电源端，工作电压9～12V，3脚为地，2脚为输出端，IC内建振荡器、电压比较器、功率限幅器、推动电路和功率输出管，其输出端可承受1000V以上的高压脉冲，非常适用于高压驱动的应用。图2就是利用220V~整流后给电磁共振回路供电的一个实例。
　　图中C4、T1和C3组成滤波网络，串联于电网与发射电路之间，作用是用于吸收发射电路中的谐波反馈到电网上，也可以防止电网上的浪涌电压对发射电路的影响。4个二极管和C2为整流、滤波电路，直接将220V~的市电整流得到一个约300V的直流电压，这个电压经L1和C1组成的并联谐振回路加到VOX330MP05S的输出端，图中DC为一个12V/100mA的电源转换模块，为IC1提供工作电压。
　　VOX20K3A是一块五脚厚膜封装电路，尺寸为33mm×30mm×6.3mm，内部集中了电磁共振所需要的相位检测、电压检测、电流检测、功率校正等功能，其应用的工作原理图见图3。
　　VOX20K3A需要提供一个5V的工作电压，工作电流约30mA，可由LM78L05提供，2脚上的硅稳压管决定了整个电源的输出电压，关系为：Vout = DW + 1.2V ，因此，不同的稳压管将得到不同的输出电压，但稳压管必须在9～24V之间选择。A1和A2分别为补偿输入和输出端，C1为输入电容，L1和L2为两个串联的接收线圈，也可以用一个线圈代替，VD1和VD2为整流管，选用快速管或肖特基管，电流大于3A即可。L3、L4及C4～C9为滤波电路，用于减少纹波，稳定电压。

发射电路　　图2
接收电路　　图3

发射和接收的层次关系底座与笔记本电脑的关系 图5　　图4

　　笔记本电脑无线电源的规划
　　无线电源可以免除电源线频繁插拔的麻烦，也可以随时给笔记本电脑电池充电，为使用者带来方便。但要使用无线电源，必须解决上面提及的多方问题。
　　1.空间结构问题
　　笔记本电脑在使用中，有一定的发热，尤其是在夏天，发热更为明显，不少使用者均为之配上一个底座，以帮助散热。
　　无线电源分为两部分，发射部分可以装在底座上，接收部分置于笔记本电脑内部，中间有通风层以便空气对流，结构分布见图4。
　　笔记本电脑内部结构是很充实的，根本没有空间来放置无线电源的接收电路，因此，若要实用，必须通过工程设计来调整笔记本电脑的内部结构，但作为实验，可以作如下调整：将笔记本电脑的光驱取出，将无线电源的接收部分置于光驱的位置。
　　2.涡流的解决方法
　　当大面积的金属（电和热的良导体）置于电磁波中，就会产生涡流而发热，电磁炉就是利用这个原理做成的。在笔记本电脑中，是绝对不允许这种情况存在的。笔记本电脑中的高密度电路，特别是CPU等内部有许多回路，若将它们置于电磁场中，无异于一块大面积金属，势必发热严重！如何解决它？
　　要消除涡流，关键是不能让CPU等高密度器件工作于电磁场中，因此必须在接收线圈的上方增加一层隔离层，阻止电磁波进一步往上面传播，隔离层可以用反波材料，要求有一定的厚度，如图5所示。防护层可以是金属片，以吸收经过隔离层后的剩余电磁波，当然它会因此发热，所以隔离层的品质不仅影响发热，也严重影响电源的整体效率。防护层兼做散热片，所有发热元件全部用散热胶贴于上面。
　EMI和EMC解决方法　3.
　　EMI主要有两方面，即传导干扰和辐射干扰，图2中的C4、T1和C3可以很好地消除前者。至于后者，也可在发射线圈的下方，增加隔离层和防护层，以最大限度地减少电磁波的对外辐射。当然，接收电路的品质，特别是材料的品质，是减少电磁辐射、提高效率的关键，而PCB的质量与线圈的品质在减少二次谐振和谐振辐射方面起着重要的作用。

发射板（仰视）发射板（俯视） 图7　　图6

　　笔记本电脑无线电源的制作
　　1.发射器和底座的制作
　　发射器主要由发射线路板和发射线圈板两部分组成。
　　发射线圈板共有4层，从上到下分别是：表面绝缘防护层、线圈层、隔离层和底面金属防护层，每一层之间均用胶粘剂贴牢。发射线圈板的大小约为10cm见方，但底部的金属隔离层必须长些，为13cm左右，多出的面积主要用于安装发射芯片VOX330MP05S并作为芯片的散热器。
发射线路板上的DC模块选用体积小的AC/DC，AC220V输入，12V/200mA输出即可，这个电源除了为发射芯片提供20～30mA工作电流，也是外接风扇的电源。发射芯片必须卧装，以便全面贴在散热片上，即底面金属防护层上，如图6和图7所示。

发射底座（仰视）发射底座（俯视） 图9　　图8
取一块塑料板，大小与笔记本电脑相当，在对应于光驱的位置，用螺丝将发射板固定于下方，在靠近发射板的附近挖一个孔，用于安装风扇。当然还得装上4个胶质脚垫，同时别忘了将电源线的输入端固定，以免使用中脱落或断裂而导致事故，如图8和图9所示。

　　2.接收器的制作
　　接收器也由接收线路板和接收线圈板两部分组成。
接收线路板的尺寸约为10cm×3cm，板上有几个元器件必须安装在散热器上，即整流管VD1、VD2和接收芯片VOX20K3A。如图10和图11所示。

接收线路板（俯视）接收线路板（仰视） 图11　　图10
　　接收线圈板的结构与发射线圈板相同，也分为4层，但排列方向刚好相反，从上到下分别是：顶面金属防护层、隔离层、线圈层和表面绝缘防护层。金属防护层也用作散热片，几个易热的元件紧贴其上，见图12。

接收板（俯视）　　图12

　　3.笔记本电脑的改造
　　笔记本电脑内部需要作以下两方面的改造：
　　首先将笔记本电脑的外壳开启，将光驱的固定螺丝取下，这样光驱可以随时取下，以便为接收模块留出空间，要使用光驱时，重新插回去即可。
　　模块与光驱的大小如图13所示。
　　另外，笔记本电脑的外壳的内侧有一层电镀层，是用来防止外部电磁干扰的，电磁波是不能（或不易）透过的，必须将光驱对应位置的电镀层刮去，以适合于无线供电的要求。这个位置的电镀层被刮去后不会影响笔记本电脑的使用，因为光驱本身是金属结构，当光驱插回去后，就弥补了原来的电镀层的位置。
　　上述处理能最大限度地保持笔记本电脑的原有外观和性能，不致于因为这个实验而被破坏。
　　最后将接收模块插入笔记本电脑中，将电源输出端与笔记本电脑插好，并将笔记本电脑置于发射底座上，让发射模块和接收模块上下对齐，保持约2cm距离（注：距离太大，幅射增大，效率降低；距离太小，笔记本电脑与底座之间没有间隙，不利于散热）即可通电工作，见图14。

图14用无线电源的笔记本电脑图13模块与光驱的比较 　　
　　总结
　　笔记本电脑无线电源实际上是一个集功率问题、效率问题、涡流问题、EMC问题和结构问题于一体的综合解决方案，这些问题是相互影响、相互制约的，单独考虑其中的任何一个问题都是没有实际意义的。比如，涡流的处理实际上是减少辐射、提高效率的过程，二次辐射少了，涡流也就小了，效率就相应提高了；而结构问题是一个首要问题，因为结构直接影响到无线电源的的实用性，如果结构不合理，可能导致笔记本电脑内部器件被干扰、发热，甚至于烧毁。
　　经过上述处理后的笔记本电脑无线电源，接收模块可以直接插入笔记本电脑内部（先将光驱拔出），实现了无线供电和无线充电的功能。实测结果见附表。
　　附 表
　　项目                    参数                                 备注
　　天线厚度            5mm                      包括隔离层和防护层在内
　　PCB厚度            15mm                    含散热片厚度1mm
　　尺寸                    135mm×100mm    发射与接收相同
　　发射电压            220V~
　　发射空载电流    0.04A~                   无接收部分
　　发射空载电流    0.05A~                   有接收部分但不给笔记本电脑供电
　　负载电流            0.28～0.39A~        笔记本电脑正常工作并充电
　　接收输出电压   20V DC ±0.5V
　　接收输出电流   充电3.0A DC          不充电时1.8A DC
　　纹波电压            50～100μV DC
　　发射模块温度    42℃                         温28℃/ 1小时/空气对流
　　接收模块温度    58℃                         气温28℃/1小时/笔记本电脑内不通风

F．燕山大学第十六届“世纪杯”大学生课外学术科技
作品竞赛评委会评分表粘贴处

（科技发明制作类作品）
作品名称（序号）

评分要点
该评分点各项
得分
总得分
科学性
满分20分
选题是否具有科学意义

研究方法是否具有科学性

结论是否具有科学性

先进性
满分40分
构思是否具有先进性

功效是否更高更好

与同类产品的比较和可比性

现实意义性
满分40分
经济效益

推广价值与应用前景

成熟程度

综合评价
满分10分

各项相加，作品最后总得分为：

评委签字：