一種無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

1 引言

無線供電的設(shè)想最早由交流電之父特斯拉在一百多年前就已經(jīng)由此構(gòu)想了。在那以后，人類對(duì)無線供電技術(shù)的研究一直在繼續(xù)。無線充電可以解決很多問題：第一，它可以改變目前電子產(chǎn)品充電接口不兼容的情況，讓用戶不再需要攜帶一大堆充電器和電線，只要將代充電的設(shè)備置于發(fā)射器附近，就可以充電了。第二，目前很多傳感器需要無線充電，比如埋在墻里的傳感器，把它拿出來充電是不太可能的，還有一些遠(yuǎn)程的監(jiān)控用途的傳感器，一樣地需要無線充電技術(shù)。第三，就是目前廣泛應(yīng)用的植入性醫(yī)療器件，如心臟起搏器，每隔七八年病人就需要做手術(shù)來更換電池。如果可以對(duì)起搏器進(jìn)行無線充電，就不需要做危險(xiǎn)的手術(shù)了。

最重要的是，從宏觀上看，如今人類對(duì)電能的熱愛非常強(qiáng)烈，消耗越來越大，亂如麻的電線和污染環(huán)境的電池，帶來更多的困撓，無線電能傳輸技術(shù)是解決這些問題很好的途徑。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

無線電能傳輸技術(shù)目前可通過三種方式實(shí)現(xiàn)：電磁感應(yīng)式（利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)近程無線供電）、磁場(chǎng)共振式（利用磁耦合共振效應(yīng)近程無線供電）、電波輻射式（電力轉(zhuǎn)換成電波以輻射傳輸供電）。

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

結(jié)合設(shè)計(jì)條件、成本、安全等多方面因素考慮，采取線圈電磁感應(yīng)的方法設(shè)計(jì)該無線電能充電器。設(shè)計(jì)框圖如圖2-1所示：

圖2-1 系統(tǒng)框圖

如圖2-1所示，本系統(tǒng)主要由發(fā)射模塊和接收模塊組成。發(fā)射模塊中信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路提高其驅(qū)動(dòng)能力后為功放電路提供激勵(lì)信號(hào)，再通過發(fā)射線圈把能量發(fā)射出去。接收電路主要有接收線圈，整流濾波電路以及發(fā)光二極管模擬的負(fù)載組成。

2.2 發(fā)射單元硬件電路設(shè)計(jì)

發(fā)射單元硬件電路設(shè)計(jì)主要分為振蕩信號(hào)電路設(shè)計(jì)，功放電路設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)三個(gè)部分。

在振蕩信號(hào)電路設(shè)計(jì)部分，采用NE555構(gòu)成頻率可調(diào)的多諧振蕩器。555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成555定時(shí)被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制等方面。NE555可穩(wěn)定輸出1MHz以下的方波，并且占空比可調(diào)，電路調(diào)試容易，成本較低。

圖2-2 NE555構(gòu)成頻率和調(diào)的多諧振蕩器

在功放電路設(shè)計(jì)部分，由于放大后的振蕩輸出是用于能量功率，而不是信號(hào)，波形失真并不重要，不但要有足夠的振幅，電路還要簡(jiǎn)單。這里選用功率場(chǎng)效應(yīng)管電路（圖2-3）。這兩種電路僅一級(jí)功放就有一定的輸出。

圖2-3 功率場(chǎng)效應(yīng)管電路

經(jīng)比較和篩選，及考慮成本因素，最終選用了IRF640，作為功放MOS器件。

如果僅僅以NE555輸出的方波驅(qū)動(dòng)后級(jí)功放電路會(huì)由于驅(qū)動(dòng)能力不足使場(chǎng)管不導(dǎo)通，所以需要加一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)采用專用高低端驅(qū)動(dòng)芯片 IR2181構(gòu)成后級(jí)功放驅(qū)動(dòng)電路。結(jié)合本系統(tǒng)功放電路，需采用低端驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2-4所示。

圖2-4 IR2181驅(qū)動(dòng)電路圖

綜合以上 2-2、2-3、2-4，本無線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)射端電路圖如圖2-5所示。

圖-52 發(fā)射部分電路圖

由NE555構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率為400KHz，占空比為60%的方波信號(hào)，經(jīng)過MOS管專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2181后驅(qū)動(dòng)功率管IRF640，通過MOS管的開關(guān)作用，將+12V直流信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流信號(hào)，再通過LC諧振網(wǎng)絡(luò)將能量發(fā)射出去。

2.3 接收單元硬件電路設(shè)計(jì)

接收電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單。它只需將接收線圈感應(yīng)到的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)槌潆姇r(shí)需要直流；因此需要將能量轉(zhuǎn)換成直流電，所以只需在后級(jí)加上整流濾波電路即可。在本設(shè)計(jì)中，負(fù)載用四個(gè)額定功率為1W的LED代替。接收電路如圖2-6所示：

圖2-6 接收部分電路圖

LC采用并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償電容C5選用330pF的聚苯電容，這種電容耐壓高，容值穩(wěn)定。因?yàn)橄到y(tǒng)工作在 400K左右的頻率上，最大電流可達(dá) 500mA，所以對(duì)整流二極管的要求是，快恢復(fù)，較高的電流上限綜合考慮，選擇 1N5819最為合適。C6的作用微調(diào)接收端LC的諧振頻率，使其與發(fā)射端頻率盡量相同，提高系統(tǒng)傳輸效率。

3 系統(tǒng)實(shí)物及其測(cè)試

3.1 系統(tǒng)實(shí)物圖

圖3-1為系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖3-1 系統(tǒng)實(shí)物圖

3.2 耦合線圈3mm效率測(cè)試

本系統(tǒng)采用4個(gè)額定功率為1W的LED作為負(fù)載，并設(shè)定NE555輸出振蕩信號(hào)為440KHz。輸入輸出功率定義：電源的輸入功率是指電源的輸入端的電壓和電流的乘積。電源的輸出功率是指在電源輸出端接入負(fù)載后，電源輸出端兩端的電壓和電流的積。表3-1為收發(fā)線圈3mm距離時(shí)傳輸功率及效率測(cè)試結(jié)果：

表3-1 線圈3mm距離時(shí)傳輸功率及效率測(cè)試

由測(cè)試數(shù)據(jù)得，當(dāng)負(fù)載為4盞LED，振蕩頻率為440KHz，收發(fā)線圈距離為 3mm時(shí)系統(tǒng)效率為 67.1%，輸出功率為1.1658W。

3.3 距離范圍測(cè)試

當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離發(fā)生變化時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)弱也會(huì)變化,因此輸出電壓的大小也會(huì)隨著改變。即當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈之間距離增大時(shí)，磁場(chǎng)變?nèi)?，輸出電壓減小。以距離步進(jìn)1cm的高度，測(cè)得不同的電壓、電流及功率的大小如下表3-2所示。

表3-2 距離范圍測(cè)試

有測(cè)試表3-2得，該無線電能傳輸系統(tǒng)輸出功率隨著收發(fā)線圈距離的增加迅速衰減，在0-6cm的范圍內(nèi)可以點(diǎn)亮4只LED 。

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