無接觸電能傳輸系統(tǒng)的高效E類射頻功放設(shè)計(jì)

儲(chǔ)江龍，李玉玲，楊仕友

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310027)

無接觸電能傳輸系統(tǒng)的高效E類射頻功放設(shè)計(jì)

儲(chǔ)江龍，李玉玲，楊仕友

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310027)

功率放大器作為無接觸電能傳輸系統(tǒng)的功率輸入源，是該傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成部件。為了提高整個(gè)無接觸電能傳輸系統(tǒng)的效率，適應(yīng)不同傳能線圈結(jié)構(gòu)，以及保證線圈距離變化下穩(wěn)定的運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了一款高效的E類功率放大器。設(shè)計(jì)中采用矩量法(MOM)來獲取功率放大器版圖的S參數(shù)，對(duì)功放進(jìn)行電磁分析，同時(shí)，考慮了設(shè)計(jì)中的電磁兼容問題并制作了一款屏蔽盒。論文給出了E類功率放大器的設(shè)計(jì)步驟和ADS軟件仿真結(jié)果，并進(jìn)行了實(shí)物制作。實(shí)測結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的功率放大器能夠輸出的最大功率附加效率為93%，同時(shí)輸出功率增益和功率分別達(dá)19.9dB和43.9dBm?？紤]不同諧振頻率的線圈結(jié)構(gòu)時(shí)，能夠獲得19dB的功率增益和89%以上的功率附加效率;對(duì)于不同內(nèi)阻和不同線圈距離的線圈結(jié)構(gòu)，測試結(jié)果也有60%以上的功率附加效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

無線電能傳輸;E類功率放大器;ADS;MOM

1 引言

近年來，自從麻省理工學(xué)院發(fā)表無接觸電能研究成果以來［1］，非輻射共振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就迅速成為國內(nèi)外的熱門研究課題。該無線電能傳輸系統(tǒng)由兩個(gè)具有相同共振頻率的線圈構(gòu)成，一個(gè)作為發(fā)射線圈，一個(gè)作為接收線圈。發(fā)射線圈直接接在功率放大器上獲取電源，接收線圈從發(fā)射線圈吸取能量，并通過連在其后端的整流濾波電路給負(fù)載供電。功率放大器與無線電能傳輸線圈的匹配直接影響到這個(gè)電能傳輸系統(tǒng)，因此對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，設(shè)計(jì)一個(gè)高效可靠寬負(fù)載范圍的功率放大器變得至關(guān)重要。

市場上現(xiàn)有的功率放大器都是在GHz通信頻段，或者音頻頻段，很少有針對(duì)無線電能傳輸頻段的功放。目前國內(nèi)外基于無線傳能研究所使用的功率放大器大都基本采用現(xiàn)有市場上的功放產(chǎn)品，但這些功率放大器成本過高同時(shí)帶寬針對(duì)性不強(qiáng)，或者有的采用自己開發(fā)設(shè)計(jì)的線性功率放大器，但是這類功率放大器普遍效率不高。E類功率放大器結(jié)構(gòu)具有拓?fù)浜唵?、高效率的特點(diǎn)，同時(shí)E類功率放大器適用于無線電能系統(tǒng)和高效率的功率放大場合［2］。基于這些特點(diǎn)，本文選用E類功放結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

考慮到本文功率放大器的使用范圍為無線電能傳輸系統(tǒng)，以及考慮到不同的無線傳能線圈結(jié)構(gòu)和不同間距的線圈可以等效成頻率不同和負(fù)載值不同的負(fù)載，本文需要設(shè)計(jì)一個(gè)寬帶寬和寬負(fù)載使用范圍的功率放大器。設(shè)計(jì)中，在功率放大器的基礎(chǔ)電路中采用相對(duì)較大的負(fù)載品質(zhì)因數(shù)來設(shè)計(jì)電路參數(shù)，以獲得更寬的帶寬;另外，采用源牽引和負(fù)載牽引確定最佳負(fù)載阻抗和源阻抗之后，在匹配電路設(shè)計(jì)時(shí)采用L型的電路來實(shí)現(xiàn)匹配電路，以達(dá)到寬帶寬和寬負(fù)載的使用范圍。

在電路板的板前電路版圖布局設(shè)計(jì)中，要對(duì)電路板進(jìn)行電磁分析，由于需要得到S參數(shù)，所以采用對(duì)多層介質(zhì)板的建模仿真具有優(yōu)越性的MOM方法［3］進(jìn)行仿真。另外，由于功率放大器工作在射頻頻段，電磁兼容在設(shè)計(jì)版圖布線中也需要得到相應(yīng)考慮。

2 E類功率放大器的設(shè)計(jì)

E類功率放大器結(jié)構(gòu)是由Sokal于1975年提出來的［4］。相比于A類、B類、AB類功率放大器，E類功率放大器具有更高的功率附加效率。E類功放的晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，通過控制流過晶體管的電流和它兩端的電壓，使得它們的最大值不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，從而使晶體管的損耗最小，效率最高。

2.1 基本電路設(shè)計(jì)方法

E類功率放大器的基本等效電路如圖1所示，由開關(guān)晶體管、負(fù)載網(wǎng)絡(luò)、電源和驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及負(fù)載構(gòu)成。其中負(fù)載電路由并聯(lián)電容 C1和電感 L1，以及串聯(lián)L2、C2諧振電路構(gòu)成。

圖1 E類功率放大器的等效電路圖Fig．1 Equivalent circuit of class-E amplifier

本文設(shè)計(jì)中，E類功放的期望指標(biāo)如表1所示。功放的工作頻段為 7.5～9.5MHz，中心頻率 fc為8.5MHz。2MHz帶寬內(nèi)輸出功率 Pout為 43dBm (20W)。寬帶的功率附加效率 PAE和功率增益 G為大于60%和19dB。

表1 E類功率放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab．1 Performance index of class-E amplifier

基于設(shè)計(jì)目標(biāo)的考慮，本文選用飛思卡爾的MRF6V2300NR1作為開關(guān)晶體管。這是一款 N溝道增強(qiáng)型橫向的MOSFET管。其擊穿電壓和閾值電壓分別為110V和(2.0!1.0)V。最高應(yīng)用頻率可達(dá)600MHz。

開關(guān)晶體管的V-I特性曲線通過ADS軟件仿真得到。工作點(diǎn)變化下的漏極電壓和漏極電流的曲線圖如圖2所示。由于E類功率放大器采用和B類功率放大器一樣的偏置電壓，結(jié)合上文的數(shù)據(jù)，本文中將E類功率放大器的開關(guān)晶體管的偏置電壓 Vth設(shè)置在+2V。

圖2 MRF6V2300NR1的V-I曲線Fig．2 V-I curve characteristic of MRF6V2300NR1

E類功率放大器的供電電源電壓VCC，取決于晶體管所能承受的最大電壓。E類功率放大工作時(shí)晶體管兩端承受的最大電壓和電流與工作電壓和電流之間滿足下式的關(guān)系［5］。

考慮到晶體管的擊穿電壓為110V，以及電路裕量，設(shè)計(jì)中選用工作電壓VCC為20V。為求出負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)電容電感C1、L1的值，首先，引入負(fù)載阻抗R

C1、L1的值為:

利用負(fù)載品質(zhì)因數(shù) QL，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)諧振L2、C2的值可以得到

E類功率放大器的基礎(chǔ)電路計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 E類功放的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab．2 Parameters of amplifier

表2中的結(jié)果是采用了比較大的QL值得到的。在獲得基礎(chǔ)電路參數(shù)基礎(chǔ)上，為了獲得最大的功率附加效率PAE和最大的輸出功率Pout，需使用源牽引和負(fù)載牽引技術(shù)確定最佳負(fù)載阻抗和源阻抗，并設(shè)計(jì)匹配電路，使最佳阻抗匹配到需要的端口阻抗。具體牽引過程如下:通過給定一源阻抗初始值，確定最大PAE時(shí)的負(fù)載阻抗，利用此負(fù)載阻抗再來確定源阻抗。使用上面的結(jié)果值重復(fù)上述過程，得到穩(wěn)定時(shí)的源阻抗和負(fù)載阻抗的值。仿真得到的最大PAE和輸出功率Pout時(shí)的最佳負(fù)載阻抗ZL和源阻抗值ZS分別為19.166－j18.219和17.674+j38.108，此時(shí)，能夠獲得最大PAE為93.27%，輸出功率Pout為43.34dBm。

在確定了基礎(chǔ)電路和最佳負(fù)載阻抗和最佳源阻抗之后，要將電路匹配到需要的負(fù)載阻抗值。由于本功率放大器的負(fù)載為無線傳能線圈，其阻值在幾十歐姆左右，設(shè)計(jì)中選擇負(fù)載值為50Ω進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，同時(shí)為了考慮適應(yīng)不同的負(fù)載變化，匹配時(shí)采用L型的匹配電路來提供一個(gè)寬的帶寬和寬負(fù)載應(yīng)用范圍。對(duì)于電源部分，采用標(biāo)準(zhǔn)的50Ω電源內(nèi)阻進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，通過將ZL和ZS分別匹配到相應(yīng)阻抗值完成電路設(shè)計(jì)，如圖3中L3－C3，L4－C4所示。

圖3 E類功放的設(shè)計(jì)電路圖Fig．3 Circuit of class-E power amplifier

此外，在圖3中，還采用了 R1、R2以及 R3－C20串聯(lián)之路，用來提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性。同時(shí)，在直流電源端還加有多個(gè)去耦電容，除去電源的紋波，防止電路自激振蕩的產(chǎn)生，確保功率放大器電路安全可靠的工作。

2.2 電路電磁性能分析

設(shè)計(jì)出的電路圖通過在環(huán)氧玻璃FR4板上布銅實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。由于電路工作在高頻，在制作出實(shí)際的印刷電路板(PCB)之前，有必要分析其性能參數(shù)以確保電路能夠性能良好。PCB本身可以當(dāng)作一個(gè)多端口的器件，端口參數(shù)能夠通過精確的電磁分析得到。矩量法是一種基于積分方程的電磁分析方法，相比于基于微分方程的有限差分法和有限元法，矩量法在解決多層介質(zhì)板問題時(shí)由于應(yīng)用了格林定理使得求解矩陣階數(shù)大幅下降從而具有很大的優(yōu)勢［3］。

圖4 E類功放的印刷電路板Fig．4 Printed circuit board of amplifier

分析PCB的性能時(shí)，根據(jù)多層介質(zhì)板的相應(yīng)的電磁格林函數(shù)有:

其中，J(r)是PCB銅層未知的面電流;E(r)是已知的激勵(lì)源;G為介質(zhì)層格林公式。

通過將銅層劃分網(wǎng)格，未知電流J(r)可以展開成分段屋脊基函數(shù)組Bj(r)(j=1，…，N)和未知基函數(shù)幅度Ij的和，如式(9)所示。利用式(9)離散化式(8)，并兩邊乘以基函數(shù)的積分得到式(10)。

利用式(11)和式 (12)，重寫式(10)有

G可以分解成矢量位和標(biāo)量位分別作用的和［6］:

相應(yīng)電路模型的LC值可以使用格林公式得到，求解式(13)，就可得到電流分布。繼而電路板的端口S和Y參數(shù)可以通過阻抗變換得到。

設(shè)計(jì)中采用ADS軟件求解這個(gè)問題。首先，將未知電流J(r)展開成帶有未知幅度Ij的屋脊基礎(chǔ)函數(shù)組Bj(r)。然后，計(jì)算不同基函數(shù)之間的電感電容，建立一個(gè)不同頻率下的LC等效電路網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。最后，求解基爾霍夫方程式(13)。從電壓電流分布中，可以得到S參數(shù)。

因此，式(11)可以表示成

圖5 用于矩量法的等效電路網(wǎng)絡(luò)Fig．5 Equivalent circuit network for MOM

使用PCB板的端口S參數(shù)，結(jié)合外部器件，就可以仿真出整個(gè)電路的性能。仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，寬帶范圍內(nèi)PAE都大于83%，輸出功率Pout為19W(42.8dBm)，總體功率增益G為19dB，晶體管漏極電壓低于最大擊穿電壓。所有仿真參數(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)期望指標(biāo)。

圖6 基于MOM方法的電路板仿真結(jié)果Fig．6 Simulation results after using MOM

2.3 電磁兼容設(shè)計(jì)

為了減少電磁干擾，防止自激振蕩確保良好的電磁特性，電路在2.2節(jié)設(shè)計(jì)布線中，輸入輸出端口、電源線的長寬、地線以及過孔都進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)和布局。

為了減小功率放大器電磁輻射和電磁干擾，本文設(shè)計(jì)了一款屏蔽盒，除了作為電磁屏蔽之用，同時(shí)還可以對(duì)功放起到機(jī)械保護(hù)。為防止屏蔽盒與功率放大器共振形成一個(gè)矩形共振空腔，屏蔽盒的尺寸應(yīng)當(dāng)避免滿足下述關(guān)系:

其中，L、a、b是屏蔽盒的長、寬、高;M、N為任意正整數(shù);λg是工作頻率的波導(dǎo)波長;εr相對(duì)介電常數(shù);h 是PCB介質(zhì)厚度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上文的設(shè)計(jì)方法，制作出一款用于非輻射共振耦合式無線傳能的E類功率放大器，如圖7所示。電路板固定在鋁材料的散熱器上，并置于屏蔽盒內(nèi)以減小電磁干擾，使電路正常工作，圖7中只顯示屏蔽盒的一半。正弦波信號(hào)通過安捷倫公司的任意波信號(hào)發(fā)生器33522A產(chǎn)生，連接到電路板輸入端口，用于開斷功率晶體管。偏置電壓和工作電壓由直流電源提供。實(shí)際的電路進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)際性能測試結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖7 E類功率放大器的實(shí)物圖Fig．7 Photograph of class-E power amplifier

為了驗(yàn)證在不同諧振頻率的線圈結(jié)構(gòu)下，該功放能夠有很好的性能，進(jìn)行了阻值為50Ω不同結(jié)構(gòu)線圈的功放性能測量，測量結(jié)果如圖8所示。圖8 (a)、8(b)、8(c)分別為附加功率效率結(jié)果、輸出增益結(jié)果和輸出功率結(jié)果。從圖8的結(jié)果可以看到，在7.5～9.5MHz范圍內(nèi)的，不同諧振頻率的50Ω的線圈都能很好地測試性能。能夠獲得19dB的功率增益和89%以上的功率附加效率，輸出的最大功率附加效率為93%，同時(shí)輸出功率增益和功率分別達(dá)19.9dB和43.9dBm。

圖8 不同諧振頻率線圈結(jié)構(gòu)的E類功放的測試結(jié)果Fig．8 Measured results of power amplifier with different coil structures

另外，為了驗(yàn)證在不同內(nèi)阻或者線圈距離變化下不同的線圈結(jié)構(gòu)，該功放性能依舊良好，進(jìn)行了內(nèi)阻值12.5W到200W不等、諧振頻率點(diǎn)7.5～9.5MHz不同的線圈測試，結(jié)果如圖9所示。不同的阻值對(duì)應(yīng)于不同的線圈距離或者線圈距離的變化，不同的頻率對(duì)應(yīng)于不同的線圈結(jié)構(gòu)。從圖9可以看出，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)和不同的線圈距離或者線圈距離變化下，功放都能有很好的性能。最小都能獲得超過60%的附加功率效率。

綜合以上兩方面的測試結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的該E類功率放大器在不同的線圈類型和線圈距離變化的情況下表現(xiàn)性能都十分良好，能夠滿足不同類型結(jié)構(gòu)和場合的無線電能傳輸系統(tǒng)的使用要求，能夠提高無線電能傳輸系統(tǒng)的整體效率。

圖9 不同內(nèi)阻或者距離變化下的不同線圈E類功放的測試結(jié)果Fig．9 Measured results of PA with different internal resistance or coil distance

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)、仿真并制作出了一款用于非輻射共振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的高效率寬負(fù)載應(yīng)用范圍的E類功率放大器。采用24dBm的正弦波輸入信號(hào)，能夠輸出最大功率附加效率93%同時(shí)能夠提供43.9dBm的輸出功率。功率放大器電路進(jìn)行了良好設(shè)計(jì)，電路性能在ADS軟件仿真平臺(tái)上利用矩量法進(jìn)行了板前仿真分析。電路制版時(shí)，電磁兼容進(jìn)行了考慮并設(shè)計(jì)了屏蔽盒。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，所有測試參數(shù)都達(dá)到之前的設(shè)計(jì)期望指標(biāo)，同時(shí)電路能夠穩(wěn)定可靠工作。設(shè)計(jì)的這款高效E類功率放大器能夠使用于不同的傳輸線圈結(jié)構(gòu)并能夠適應(yīng)不同的線圈內(nèi)阻和線圈距離，將對(duì)非輻射共振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的研究十分有用。

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High efficiency class-E RF power amplifier for wireless power transfer system

CHU Jiang-long，LI Yu-ling，YANG Shi-you
(College of Electrical Engineering of Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Power amplifier as the power source of wireless power transfer system is a critical part in this system，also called witricity．To improve the efficiency of the whole system and adapt to different coil structure，a high efficiency class-E power amplifier is developed．To determine the S-parameters in modelling board layout for electromagnetic analysis，the method of moments(MOM)is employed．Also the electromagnetic compatibility issues in designing are carefully considered．This paper provides the design steps and simulation results．The practical amplifier can provides a peak Power-Added-Efficiency of 93%with a power gain of 19.9 dB at an output power of 43.9 dBm．A power gain of 19 dB and PAE of 89%can be achieved for different coil structure．A PAE more than 60%can be got for different internal resistance or coil distance coil structure．Those experimental results confirm positively the feasibility of the proposed work．

wireless power transfer;class-E power amplifier;ADS;MOM

TN722.1

A

1003-3076(2014)04-0001-05

2013-09-18

浙江省重大科技專項(xiàng) (2011C11061)

儲(chǔ)江龍(1989-)，男，安徽籍，碩士研究生，主要研究無線電能輸電與電力電子技術(shù);李玉玲(1973-)，女，內(nèi)蒙古籍，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事電力電子技術(shù)應(yīng)用、無線電能傳輸、光伏發(fā)電、電工理論與新技術(shù)等方面的研究(通信作者)。