基于SG3525的諧振式DC—DC無線電能傳輸模塊的設(shè)計(jì)

祖彥霞

摘要：磁耦合諧振式無線電能傳輸具有傳輸距離遠(yuǎn)、效率大、功率高等特點(diǎn)，還能穿透障礙物傳輸，該技術(shù)的研究對(duì)于無線充電技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。文章設(shè)計(jì)制作的磁耦合諧振式電能傳輸模塊以SG3525芯片產(chǎn)生PWM控制的高頻功率源，經(jīng)物理上隔開的發(fā)射線圈與接收線圈實(shí)現(xiàn)無線能量的傳輸，接收電路再經(jīng)整流和濾波，實(shí)現(xiàn)了DC-DC的無線電能傳輸。經(jīng)測(cè)試，SG3525供電電壓為15V且發(fā)射線圈與接收線圈間距為10厘米時(shí)，輸出功率約為4W，傳輸效率約為46%；線圈間距最大為50cm時(shí)，仍可點(diǎn)亮LED燈。

關(guān)鍵詞：磁耦合諧振；SG3525；無線電能傳輸

隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量顯著提高，各種可充電式電子產(chǎn)品普遍使用。傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接式充電設(shè)備有充電接口、插座等不便條件，急需找到一種更為方便的充電方式，于是無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前的無線供電技術(shù)按其原理大致可分為3類：感應(yīng)耦合式、電磁波輻射式、磁耦合諧振式。磁耦合諧振式無論是在穿透性、安全性、傳輸方向性還是傳輸特性上面都具有較大的優(yōu)勢(shì)，這種傳輸方式成為國(guó)內(nèi)外研究人士共同關(guān)注的熱點(diǎn)，并具有良好的發(fā)展前景。

1設(shè)計(jì)原理

1.1磁耦合諧振技術(shù)

磁耦合諧振技術(shù)是通過電磁耦合原理實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)模醋?個(gè)在一定距離范圍內(nèi)的、具有相同的諧振頻率的物體產(chǎn)生共振。本裝置由具有固有頻率的2個(gè)收發(fā)線圈組成，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率與線圈的固有頻率達(dá)到一致時(shí)，2個(gè)線圈就會(huì)發(fā)生諧振，諧振耦合回路的阻抗達(dá)到最小，這樣便使得發(fā)射端的絕大部分能量通過諧振耦合傳遞到了接收端，完成了能量的傳輸。

圖1為磁耦合無線電能傳輸過程的示意圖，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的過程是先將電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，然后磁場(chǎng)能再轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能。首先，高頻輸入信號(hào)由高頻電源端產(chǎn)生后，先經(jīng)過諧振電容，此信號(hào)將會(huì)在發(fā)射線圈發(fā)生電磁轉(zhuǎn)換，由于中高頻磁場(chǎng)的存在，收發(fā)線圈將會(huì)發(fā)生共振，最后，接收線圈的諧振回路再一次進(jìn)行磁電變換后為負(fù)載供電，這樣便實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。該系統(tǒng)的具體思想是：高頻電源端產(chǎn)生一個(gè)和發(fā)射線圈、電容組成的諧振體的固有頻率相同的高頻輸入信號(hào)，這時(shí)便產(chǎn)生了諧振，發(fā)射回路就將電能轉(zhuǎn)換成分別儲(chǔ)存在線圈電感和電容中的磁場(chǎng)能和電場(chǎng)能，而且大小相等，這時(shí)補(bǔ)償電容和線圈電感周期性振蕩的能量為平時(shí)工作頻率的2倍。與此同時(shí)，將一個(gè)具有相同固有頻率接收諧振體放置在發(fā)射端諧振體的磁場(chǎng)近區(qū)場(chǎng)范圍內(nèi)，由于互感耦合作用，接收線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相同頻率的感應(yīng)電流。這其實(shí)與用一個(gè)相同固有頻率的外加激勵(lì)源作用在接收諧振體而產(chǎn)生諧振是等價(jià)的。

1.2本模塊介紹

系統(tǒng)輸入直流15V電壓，輸出電壓為8V，電流為0.5A。整個(gè)系統(tǒng)主要以SG3525為主控芯片，由PWM波產(chǎn)生電路、單管逆變電路、發(fā)射線圈、接收線圈、整流濾波電路和LED燈組成。當(dāng)輔助電源給SG3525供電后，VT1及VT2輸出相位相差180°的PWM波，產(chǎn)生的兩路反向方波來控制MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)閉，產(chǎn)生高頻功率源，發(fā)射線圈通過磁耦合諧振將電能傳送到接收線圈，經(jīng)整流后給負(fù)載供電。系統(tǒng)整體框圖2所示。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1發(fā)射模塊

（1）SG3525 PWM控制芯片。SG3525是一種單片集成PWM控制芯片。芯片內(nèi)部包括軟啟動(dòng)控制電路、欠壓鎖定電路、PWM鎖存器。其特點(diǎn)是具有過流保護(hù)的功能，頻率可以調(diào)節(jié)，并且還可以限制最大占空比，還有比較突出的一點(diǎn)就是其輸出驅(qū)動(dòng)的形式是推拉輸出，從而使芯片的驅(qū)動(dòng)能力有了很大提高。

直流電源Vs從15腳接入后分成了兩路，其一路加到了或非門；另外一路則被送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端。振蕩器的5腳和電容CT外接，6腳和電阻RT外接，而電阻RT和電容CT就決定了振蕩器的頻率。振蕩器的輸出也分為了兩路，其一路以鋸齒波形式輸送到比較器的同相輸入端，另外一路則以時(shí)鐘脈沖的形式輸送到雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和2個(gè)或非門，誤差放大器的輸出則與比較器的反向輸入端相連接。在比較器中，誤差放大器的輸出與鋸齒波的電壓進(jìn)行對(duì)比，輸出一個(gè)方波脈沖，此脈沖的寬度隨誤差放大器輸出電壓的高低而發(fā)生改變，隨后將這一方波脈沖輸送到或非門的其中一個(gè)輸入端。而另2個(gè)輸入端則連接的分別是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的2個(gè)輸出是互補(bǔ)的，可以交替地輸出高電平與低電平，再將PWM脈沖分別輸送到三極管VT1和VT2的基極。而鋸齒波的作用則是加入死區(qū)時(shí)間，以便保證三極管VT1和VT2是在不同時(shí)間導(dǎo)通的。這樣三極管VT1和VT2就能夠分別輸出相位差是180°的PWM波。

（2）PWM波的產(chǎn)生。PWM波的產(chǎn)生模塊由輔助電源給SG3525提供+15V直流電壓。16腳的基準(zhǔn)電壓為5.1V，其經(jīng)電阻分壓之后加在2腳，即誤差放大器的同相輸入端，電壓反饋信號(hào)加在誤差放大器的反向輸入端，這樣誤差放大器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)放大的誤差信號(hào)。而這一信號(hào)和頻率幅值固定的產(chǎn)生于芯片內(nèi)振蕩器的鋸齒波信號(hào)經(jīng)PWM比較器后產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)，此PWM信號(hào)之后會(huì)通過位于芯片內(nèi)部的數(shù)字電路，數(shù)字電路會(huì)將其處理成互差180°的兩路PWM信號(hào)，這2個(gè)信號(hào)的頻率是比較器中產(chǎn)生的PWM信號(hào)的1/2。隨后這2個(gè)PWM信號(hào)會(huì)被芯片內(nèi)部的電路進(jìn)行放大處理，然后再分別從11腳以及14腳輸出。如果輸出電壓發(fā)生改變，則芯片1腳上所獲得的反饋電壓會(huì)隨之改變，位于芯片內(nèi)部的誤差放大器的輸出也會(huì)發(fā)生改變。如此一來，PWM比較器所產(chǎn)生的PWM信號(hào)的占空比就會(huì)發(fā)生改變，從而引起11腳與14腳輸出的PWM信號(hào)的占空比改變。故而，要使輸出電壓穩(wěn)定，僅需采用合適的反饋電路。芯片15腳、12腳還有7腳分別與電源正端、大地以及電阻相連接，這樣便構(gòu)成了一個(gè)振蕩器放電回路。還需要一個(gè)小電容與8腳相連以便實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)的功能。同時(shí)為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，9腳（PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端）和l腳之間連接上接的電容電阻構(gòu)成一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)。10腳外接高電平芯片輸出將被禁止，這樣起到過流保護(hù)的作用。

（3）單管逆變。產(chǎn)生的兩路反向方波控制MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)閉，使其產(chǎn)生需要的高頻功率源后，送到發(fā)射線圈。MOSFET驅(qū)動(dòng)采用推挽方式，由于本設(shè)計(jì)采用推挽式功率變換電路，在輸入回路中僅有一個(gè)開關(guān)的通態(tài)壓降，產(chǎn)生的通態(tài)損耗較小，成本較低。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2接收模塊

接收電路如圖4所示，L3為接收線圈，通過并聯(lián)諧振接收功率。C8，C9，C12，C13為電容，四個(gè)二極管構(gòu)成整流橋，當(dāng)接收線圈與C8，C9電容構(gòu)成的諧振電路與發(fā)射線圈與電容構(gòu)成的諧振電路產(chǎn)生共振時(shí)，開始進(jìn)行無線電能的傳輸，通過整流橋后點(diǎn)亮LED燈。

3結(jié)論

本文提出了基于磁耦合諧振方式的DC-DC無線傳輸模塊的設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)物測(cè)試，系統(tǒng)輸出頻率達(dá)到256KHZ，輻射間距為10cm時(shí)，輸出功率接近4w，有效傳輸距離達(dá)0.5m。系統(tǒng)具有能耗低、效率高、電路簡(jiǎn)單和控制方便等特點(diǎn)，具有較好的可應(yīng)用性。