小功率無線電能傳輸裝置系統(tǒng)設計

1、摘要無線供電技術(WPT-Wireless Power Technology) 作為一種供電技術發(fā)展于這幾年，在很大程度上和傳統(tǒng)供電技術差別不小。目前所有的無線能量傳輸方法中，有一種新型的供電技術，叫做諧振式磁耦合無線供電技術，它不僅可以將無線供電的距離提高到米級范圍，而且能使用電設備和供電設備實現(xiàn)物理隔離，如此一來既能讓用電設備美觀、實用，還能提高用電設備的安全指數(shù)。本論文的主要研究對象是諧振式磁耦合無線充電電路。論文首先研究分析了關于諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)的原理，其次對各個電路模塊的功能與工作原理進行介紹，然后設計了該系統(tǒng)的發(fā)射與接收電路，最后對諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)進行數(shù)組對比試驗，

2、分析其功率傳輸特點與距離傳輸特點。在試驗中，通過改變電路的固有參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的功率傳輸特性和功率傳輸特性會根據(jù)理論規(guī)律進行相應的變化。本論文重點分析研究了該系統(tǒng)的距離傳輸特性，通過對諧振線圈的電感、線寬、電容等自身參數(shù)和驅動電源電壓、驅動原信號頻率等外界參數(shù)進行改變，研究隨著改變這些參數(shù)，該系統(tǒng)距離傳輸特性的變化規(guī)律，而且測試結果和理論值基本符合，從而實現(xiàn)了本論文的研究目的。關鍵詞：諧振式磁耦合；無線能量傳輸；距離傳輸特性ABSTRACTWireless power technology (WPT-Wireless Power Technology) as a power supply

3、technology development in recent years, in large part, and not a small difference between the traditional power supply technology. All current wireless energy transfer methods, there is a new power supply technology, called resonant magnetic coupling wireless power technology, it can not only increa

4、se the distance wireless power to meter-scale range and allows electrical equipment and power supply equipment to achieve physical isolation , this way both for electrical equipment beautiful, practical, but also improve the safety index of electrical equipment. The main subject of the present paper

5、 is magnetically coupled resonant wireless charging circuit.Firstly, analysis of the principles on magnetically coupled resonant wireless charging system , Secondly, the function and operation principle of the circuit modules are introduced , Then designed a transmitter and receiver circuitry of the

6、 system , Finally, the resonant magnetic coupling wireless charging system array comparative test ,Analysis of its features and power transmission distance transmission characteristics . In the experiment, by changing the circuit inherent parameter,You can find power transfer characteristics and pow

7、er transmission characteristics of this system will make the appropriate changes in the law according to the theory . This paper focuses on studies from the transmission characteristics of the system ,Through the resonant inductance of the coil, line width, capacitors and other parameters and drive

8、their own power supply voltage, the drive frequency of the original signal outside the parameters change , Studies with varying these parameters changes of the system from the transmission characteristics, and test results and theoretical values in line, in order to achieve the purpose of this paper

9、.Keywords: resonant magnetic coupling； wireless energy transfer； distance transmission characteristics 目錄0引言11 緒論.11.1課題研究背景11.2應用領域11.3無線充電技術的研究現(xiàn)狀31.4選題依據(jù)與意義42 無線能量傳輸基本原理.52.1無線能量傳輸方式簡介52.1.1微波式能量傳輸52.1.2電感耦合式能量傳輸62.1.3磁耦合諧振式無線能量傳輸82.2本章小結103 諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)設計113.l諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)總體結構113.2諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)發(fā)射電路

10、設計113.2.1發(fā)射端主控模塊113.2.2 DC-AC電路的設計143.2.3反饋信號放大電路213.3 諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)接收電路設計223.3.1接受端主控模塊223.3.2整流濾波及反饋信號電路263.3.3欠壓自動關斷電路263.4本章小結274 諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)傳輸特性研究284.1諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)的距離傳輸特性284.1.1諧振頻率與線圈固有頻率之間的關系284.1.2當傳輸距離固定時，接收端電壓和信號驅動頻率之間的關系284.1.3線圈固有頻率對傳輸距離的影響304.1.4導線線徑對傳輸距離的影響324.1.5線圈直徑對傳輸距離的影響334.1.6電容參

11、數(shù)對傳輸距離的影響354.2 諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)功率和效率特性374.2.1 驅動源電壓對傳輸功率的影響374.2.2導線線徑對傳輸功率的影響394.2.3線圈直徑對傳輸功率的影響404.2.4接收效率414.3本章小結435 技術經(jīng)濟分析446結論45致謝46參考文獻47引言自從1968年美國學者Glaser提出了太陽能衛(wèi)星的概念，利用電磁波接收裝置將太陽能轉換成電能以來，無線電能傳輸技術一直是能量研究領域的一個熱點。在電力系統(tǒng)中，考慮到絕緣等方面的需要，某些對高壓進行測量的設備不便于使用金屬導線進行供電。同時，考慮到天氣、區(qū)域等方面的影響，太陽能加蓄電池的方式并不能完全適用。在這種情

12、況下，采用無線方式傳輸電能是一個很好的解決辦法。另一方面隨著近些年來科技的不斷發(fā)展，越來越多的電子設備為我們的生活帶來便捷的同時，也受到眾多電源線和數(shù)據(jù)線的困擾，這就迫使我們尋找一種新的能量傳輸方式來避免眾多復雜的電源線等。因此無線電能傳輸作為一種新的能量傳輸方式正逐漸受到人們的重視，它有十分重要的應用價值及開發(fā)前景，對能量的供應方式和人們的生活產(chǎn)生難以估量的影響。遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文）1 緒論1.1課題研究背景由于社會科技水平的不斷提高，對于移動通信的高要求迫使科技工作者在及時通信等相關領域不斷的探索，尤其是當今與人民生活息息相關的手機領域，更是不斷推陳出新，在娛樂，工作，生活中給

13、了大家諸多便利的同時，手機的屏幕尺寸也在不斷的變化，再加上手機由普通的按鍵方式轉變到了觸摸方式，這就造成了手機的耗電量相比以前有了很大的提高。通過權威調查研究，普通的視頻功能的手機耗電量相比以前要高出1-2倍1，以前只有少部分人對手機的待機時間有特殊要求，但是當今生活對手機的過度依賴使手機的待機時間成為了大家選擇手機的一項重要指標，但這個指標受制于手機內(nèi)部所配套的電池，根據(jù)權威調查，電池的更新?lián)Q代在最近幾十年不會有明顯的進步2，如果增大電池體積來達到延長使用時間的目的，那么增加手機待機時間的負面結果是使手機的便攜性下降，因此手機用戶需要一種可以隨時隨地充電的一種裝置。使用傳統(tǒng)的有線充電方式，雖

14、然可以滿足用戶的需求，但對用戶而言很不方便，因此，一些工程師便想到采用無線充電的模式來解決上述問題，采用無線充電不但可以省去了用戶隨身攜帶電源線的煩惱，而且充電設備與電源分離，不會產(chǎn)生危險，這也是采用無線電源的一大優(yōu)勢，同時，無線充電還具備保護環(huán)境，防水，多機共用，防塵等優(yōu)點3。無線充電的研究自1840年電磁感應定律被發(fā)現(xiàn)以來就開始了，特別是最近幾年，隨著手機，平板的普及和功耗的增加，無線充電又一次被世界知名的電子廠家提到了重要的地位，但傳統(tǒng)的無線充電不是傳輸距離過近就是不可以穿過障礙物，因此都不可以作為這些消費品的固定充電模式。但近幾年，磁耦合諧振式無線充電技術的不斷進步在無線充電領域引起了

15、相關專家的注意。該種無線充電方式最先是在2007年美國AIP工業(yè)物理論壇上由MIT一個課題小組提出的，并在 Science 發(fā)表了相關文章( Wireless Power Transfer Via Strongly CoupledMagnetic Resonances)，該技術不僅可以使無線能量傳輸數(shù)米，而且可以穿過多種非金屬的障礙物，并在一定的距離內(nèi)傳輸較大功率4,5。 1.2 應用領域 作為一種新型的充電方式，磁耦合諧振式無線充電有著廣闊的應用領域，其在傳輸功率上有著不同梯度的應用，既可以應用于小功率的生物移植，也可應用于大型設備的電源補充6，下面就對這種新型的供電方式的具體應用做一個初步

16、的介紹。 生物醫(yī)學: 由于時代的進步，醫(yī)療水平也在科技水平進步的前提下不斷提高，特別是類似于助聽器，人工心臟等電子輔助設備的應用，更是對人們的健康長壽起到了關鍵的作用，但是這些設備給人們帶來便利的同時，也存在一個不可忽視的問題，就是需要定期給體內(nèi)的這些設備進行能量補充，也就是所謂的充電問題，目前，這種設備的充電方式主要有兩種方法，分為有損方式和無損方式，有損方式就是導線要穿過皮膚進行體內(nèi)設備電量的補充，無損方式就是通過無線充電的方式為體內(nèi)的設備進行電量的補充7，作為一種新型的充電方式，無損方式自然要優(yōu)于有損方式，因其不會破壞皮膚組織，不會引起額外的病變，并且可以很大程度上減小病人的痛苦，只需通

17、過之前移植到體內(nèi)的感應線圈便可以進行能量的補充，這也為醫(yī)療器械領域開辟了一個嶄新的方向，但這種方式對醫(yī)療設備的要求極高，主要是由于該種設備的電源要事先植入體內(nèi)，一旦出現(xiàn)問題，處理起來會很復雜。小功率設備:對于一些小功率的用電設備，比如電動牙刷以及電動剃須刀，由于其使用環(huán)境始終處于比較潮濕的狀態(tài)，因此如果長期采用有線充電方式，這樣就很容易出現(xiàn)短路，電路進水燒壞等相關故障，但如果采用無線充電的方式，其電路及導線全部密封到殼體內(nèi)部，這樣就徹底隔絕了水與導線的直接連接，也就免除了因設備進水造成設備失靈的現(xiàn)象的發(fā)生。電動牙刷的出現(xiàn)是在上世紀的七十年代，其方便之處在于當你不用時，只需將設備放入其對應的底座

18、便可為設備充電。隨著手機在人們的生活中越來越重要，手機無線充電也成為了時下科技工作者努力開發(fā)的一個新興領域8。 機器人領域:機器人作為現(xiàn)代技術的結晶，其智能與否也代表的當今科技水平，在傳統(tǒng)的機器人設計中，負責傳動的驅動器與控制中心的距離通常都很近，這樣設計目的是為了讓控制中心可以更快更優(yōu)的給每個傳動裝置提供大量的功率以及數(shù)據(jù)，尤其是在液壓設備中，這種現(xiàn)象更加明顯，所以從安全性考慮，機器人的工作部件的靈活性就會被限制，同時這種導線直接連接方式在機器人長時間的運動的情況下其可靠性就會收到很大的考驗9。與此相反，采用無線充電的方式就會避免上述情況，原因是電路和電線都會被密封在機器人內(nèi)部，減少了因長期

19、磨損帶給機器人的不穩(wěn)定因素。1.3 無線充電技術的研究現(xiàn)狀 目前，無線充電技術經(jīng)過上百年的發(fā)展，己經(jīng)從理論研究邁向了實際應用的階段，市面上己有的產(chǎn)品遍及生活，航空，探險等相關領域，目前比較常見的有無線充電牙刷，無線充電剃須刀，無線充電飛機，無線充電水下探索器等相關產(chǎn)品，這些無線充電產(chǎn)品在推動了科技發(fā)展的同時也給人們的生活提供了很大的便捷。隨著最近幾年大屏觸控技術的發(fā)展，相關產(chǎn)品的耗電量也在成倍的增加，這對電池的使用時間提出了更高的要求，在電池技術未發(fā)生明顯提升之前，改變電池的充電方式就變得格外重要，正因為如此，近幾年，全球很多電子廠商都對無線充電技術進行了相關研究，手機，平板電腦及PDA等電子

20、設備相繼推出了無線充電產(chǎn)品，這些無線充電產(chǎn)品的推出對于無線充電技術領域是有著長遠的意義的。從目前來看，電力無線傳輸技術主要有三種方式:電感耦合型(利用電流通過線圈產(chǎn)生磁力實現(xiàn)近程無線供電)、微波型(電力轉換成電波進行無線供電)、磁耦合諧振型型(利用磁場等諧振效應近程無線供電)，以上幾種技術的發(fā)展方向始終集中在對電力發(fā)送裝置和接受裝置的改進上。微波型技術的方向主要在于如何提高電流的Q值以及保持傳輸效率，這對于低功率的消費電子產(chǎn)品來說意義不大，相對來磁耦合諧振型和電感耦合型更有商用推廣的價值。電感耦合型是一種高效和通用的無線充電方式，主要是分別在供電部分和接收部分設置電極，利用電極間產(chǎn)生的電磁場場

21、來供電的方式。在2010年深圳舉行的高交會電子展上，村田就展出了一款支持移動設備充電的電場耦合式無線電力傳輸模塊，通過內(nèi)置入移動設備的RFIC以及植入充電模塊的充電板，就可以實現(xiàn)“無線充電”功能。磁耦合諧振方式的非接觸充電目前已經(jīng)得到快速發(fā)展，該技術不但增加了能量無線傳輸?shù)木嚯x，也支持水平方向的錯位，不會象目前已實用化的、由線圈向線圈供電的電磁感應式非接觸充電技術那樣，在異物侵入時會出現(xiàn)發(fā)熱、電磁波及高頻波等問題。而且，與電磁感應方式不同，諧振方式不使用鐵氧體及利茲線圈，因此可降低產(chǎn)品的重量及成本。美國麻省理工學院(MIT)于2007年6月、美國英特爾公司于2008年8月分別發(fā)表了使用磁耦合諧

22、振式無線能量傳輸?shù)募夹g，使用該技術有望給行駛中的汽車進行充電，基于磁場耦合諧振技術，日本索尼公司開發(fā)了延長無線傳輸距離的技"RepeaterDevice"，使用該技術可以不用電源線向遠至SOcm的電視機傳輸60W電力。相關的技術也被中國的海爾在2010年美國舉行的CES展上展示其“無尾電視”。此外，索尼發(fā)布的卡片相機TX300V/TX200V，夏普發(fā)布的SH-13C手機，均采用無線充電功能，其中SH-13C透過無線充電，將手機搭配的1230mAh電池充滿約需2至2.5個小時。美國高通(Qua.lcomm)開發(fā)出一款采用磁共振方式進行無線供電的“eZone"，可以為

23、搭配充電臺座的“iPhone”充電。據(jù)測試，如果為1000mAh容量的電池充電，2小時內(nèi)便可充滿。除了這些國際廠商，在國內(nèi)相關的產(chǎn)品也不少。目前市面上可以看到上百種針對iPhone的無線充電板或手機套，價格從100多元到900多元不等。這種產(chǎn)品(類似產(chǎn)品如“點金石”)一般分為兩個部分:一部分為充電板，另一部分為與手機連接的電源接收器，其實現(xiàn)原理依然是電磁感應，不過其含有的問題也很多。這些產(chǎn)品一方面存在發(fā)熱量大和電磁輻射的問題，另一方面沒有對于錯誤充電的認證方法，容易釀成危險，同時在充電時也無法進行上網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸。此外，針對不同的電池，充電的要求也不盡相同。目前，無線充電技術在生活的應用還不是很

24、廣泛，但一些領域已經(jīng)開始該方面的應用，比如電動牙刷，電動剃須刀，近幾年，該項技術在手機領域的發(fā)展受到了世界知名廠商的青睞，比如諾基亞，摩托羅拉，三星等，并且已經(jīng)推出了無線充電相關產(chǎn)品，目前這些手機廠商正逐步推出商業(yè)化的產(chǎn)品，期望在無線充電領域占領市場，但目前手機無線充電領域仍存在幾個主要的問題:電磁干擾，充電效率，充電距離等巫待科學家去解決10-11。1.4 選題依據(jù)與意義 無線充電產(chǎn)品雖然已經(jīng)處于產(chǎn)品階段，但其在充電過程中存在的問題仍然困擾著相關電子工程師，這些問題主要包括無線充電傳輸距離短、傳輸效率低、接觸感應不穩(wěn)定以及沒有固定的標準等，這些問題是無線充電產(chǎn)品未進入平民化的主要原因，因此，

25、對上述問題的探索及解決便成為了無線充電領域相關工程師的主要任務。 磁耦合諧振式無線充電技術作為無線充電的一種嶄新方式，為手機無線充電方式提供了另外的一種形式，這種方式不但可以解決無線充電的效率問題，而且在傳輸距離的這個無線充電的瓶頸上也有一個大的發(fā)展，這也為無線充電領域開辟了一個嶄新的道路，也為廣大的無線愛好者提供了全新的思路和方法12。諧振式磁耦合無線充電技術在未來一定能對無線充電等相關領域帶來積極的促進作用，同時為我們的生活提供更便捷的服務，這也是我選擇本題目的最終目的。2 無線能量傳輸基本原理2.1 無線能量傳輸方式簡介 2.1.1 微波式能量傳輸 1) 微波式能量傳輸理論 該種傳輸方式

26、主要利用發(fā)送設備將能量轉變成微波，通過天線發(fā)送至空間，最后通過接收設備接收，最后將微波轉變成需要的電能13，即這種傳輸方式是將空間當做傳輸導線，通過微波傳輸能量，微波式能量傳輸?shù)幕窘Y構如圖2-1所示。 圖2-1微波傳輸系統(tǒng)組成方框圖Fig. 2-1 Composition microwave transmission system block diagram 在這個過程中，每一部分效率分別為：直流微波轉換部分：70%-90%天線發(fā)射部分：70%-97%空間傳輸部分：10%-95%接收并轉化為直流部分：80%-92%假設各個部分都能達到最大的效率，此時整個電路的效率為:76.3%14。經(jīng)試驗驗

27、證，本系統(tǒng)的最大傳輸效率為54%，正因為其設備的各個部分相互牽制，故而達不到最高的理論值，因此該傳輸設備需要解決此問題。2) 微波式能量傳輸特性該種無線能量傳輸方式首先經(jīng)過能量轉換，然后發(fā)送到空間，最終被接收轉換利用，與通信系統(tǒng)相比較，它包含了不同的特色，這種傳輸方法有如下的幾種特點: 1.發(fā)送設備與接收設備之間為無質量傳輸 2工作頻率為高頻，因此相應器件質量很輕 3.傳輸速度為光速 4地球引力對傳輸不構成干擾 5.方向性強 6.在空氣中傳播損耗小，在真空中零損耗15-17 對于以上特性，微波式傳輸與其他的方式相比較還是存在很大的優(yōu)勢的，但對于第4條尤其重要，在外太空，目前所有形式的能量傳輸都

28、要克服重力方可進行傳輸，而微波供電卻不會出現(xiàn)這種情況，只是需要在地面安裝一個發(fā)送裝置，在太空中放置一個很輕的接收裝置便能接收來自地面發(fā)送的能量18。3) 微波式能量傳輸應用實例位于加拿大的一個研究中心于上世紀80年代發(fā)明了一款飛機，它的最主要特點是能接收地面的微波信號，正是利用這個特點，其能在發(fā)射站周邊2000米的地域里飛行，而且由于能夠不斷供給能量，因此其可以在空中長時間飛行，圖2-2為該款飛機在空中試飛場面19。圖2-2微波供電飛機Fig. 2-2 microwave powered aircraft2.1.2 電感耦合式能量傳輸1) 電感耦合式能量傳輸理論此能量傳輸方式根據(jù)的是電磁感應原

29、理，很顯然，變化的磁場能夠產(chǎn)生電流，可是因為傳輸效率太低而且過于危險，因此該理論的實際應用收到限制，同時，電磁沒有方向性，所以不適合傳遞能量。在上世紀八十年代，Ysakaaw 和日本國家研究院一同提出了感應電能傳輸技術20，直至九十年代，奧克蘭大學的一個科研團隊展開對該項技術了研究，并且正式命其名為感應耦合電能傳輸技術21，后來，Pro.Qoys和他的科研團隊深入的探索這項技術，并獲得多項專利22，進入21世紀，全球各個發(fā)達國家競相對無線充電技術展開深入研究，日本，德國，美國均已推出許多無線充電的商業(yè)產(chǎn)品。2) 電感耦合式能量傳輸?shù)臋C理該項技術主要是應用了變壓器理論以及電磁感應定律，利用最新的

30、電子及器件技術，使其達到了無線充電的目的23該方式的無線能量傳輸流程如圖2-3所示: 圖2-3電感耦合式傳輸流程框圖Fig. 2-3 inductor coupled transmission flow diagram前端若是采用市電供電，必須利用整流器整流，將其轉變成直流電，然后經(jīng)過逆變電路對其進行高頻逆變，接著通過變壓器，將能量從變壓器一端變換至另一端，變壓器原副線圈因為電磁感應，副邊線圈則會產(chǎn)生交流電，從而實現(xiàn)能量的無線傳輸?shù)哪康?4。3) 電感耦合式能量傳輸?shù)膽脤嵗姼旭詈鲜侥芰總鬏敿夹g在生活中應用相對廣泛，比如電動牙刷(圖2-4 )，牙刷所處的使用環(huán)境相對潮濕，很容易進水，若采用無

31、線充電方式，便可以避兔上述問題，提高了電動牙刷的使用年限25。圖2-4電動牙刷Fig. 2-4 electric toothbrush電感耦合式充電技術還可以用在手機充電器上。美國現(xiàn)在有些公司如Wildcharge，己經(jīng)成功制作出無線式手機充電器。如圖2-5所示: 圖2-5無線手機充電器Fig. 2-5 Wireless phone charger2.1.3 磁耦合諧振式無線能量傳輸 磁耦合諧振式無線能量傳輸技術是由麻省理工學院的索爾季喜科科研團隊在2006年提出的，其理論基礎是電磁諧振理論，通過實驗，該團隊成功地隔空點亮了兩米外的燈泡，該項實驗的成功在無線充電領域是一個下.大的進步，這也正式

32、宣布一種新型的無線充電技術的誕生。 該種能量傳輸技術，是基于電磁諧振理論，在發(fā)送端與接收端配置相同諧振頻率的諧振線圈，當兩者距離適當時，給發(fā)送端輸送與諧振線圈諧振頻率相同頻率的驅動信號以及能量兩者便會產(chǎn)生諧振，能量便可以源源不斷從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩?，發(fā)送端消耗能量，接收端吸收能量，這樣兩個設備之間便實現(xiàn)能量的無線傳輸26-27。1) 近區(qū)磁場 麥克斯韋電磁理淪指出電場與磁場兩者互相依賴，當電場不斷變化時在其周圍會產(chǎn)生磁場，當磁場不斷變化時在其周圍也會產(chǎn)生電場，這兩者互相依存的物質空間我們稱之為電磁場，在產(chǎn)生電磁場的區(qū)域內(nèi)又分為近區(qū)場和遠區(qū)場，近區(qū)場主要以感應為主，遠區(qū)場主要以輻射為主，兩者之間

33、的界限為一個波長，兩者比較，近區(qū)場的電磁場相對更加強烈一些28。 磁場強度的大小在近區(qū)場是與距離有很大的關系的，并且在近區(qū)場內(nèi)其均勻性很差，但其能量子始終在發(fā)射源及其周圍環(huán)繞流動，不對外輻射，正是這個原因，在近區(qū)場周圍放置接收裝置，這樣便可以把近場區(qū)內(nèi)的交變磁場作為媒介，通過這個媒介向接收裝置輸送由發(fā)送裝置提供的能量，這樣便達到了無線傳輸?shù)哪康?9-30。2)磁耦合諧振理論諧振磁耦合系統(tǒng)由發(fā)射端與接收端兩部分組成，發(fā)射端與接受端分別有一個諧振器，當發(fā)射端出現(xiàn)外部激勵信號，而且諧振頻率與激勵信號頻率相近時，該系統(tǒng)就會發(fā)生諧振，能量則開始從發(fā)射端傳送到接受端，實現(xiàn)無線能量傳輸?shù)哪康?，圖2-6為其原

34、理電路圖。 圖2-6磁耦合諧振原理圖Fig. 2-6 Schematic resonant magnetic couplingI圖中驅動電壓為發(fā)射端所要發(fā)送的直流電壓.，C1與L1構成發(fā)射端串聯(lián)諧振回路，C2與L.2構成接收端串聯(lián)諧振回路，圖中的的功率轉化開關的驅動信號頻率為f，通過這個開關管，在串聯(lián)諧振回路中產(chǎn)生發(fā)射端所需要的交變電場，由諧振理論可知，當發(fā)射端串聯(lián)諧振頻率與接收端串聯(lián)諧振頻率和驅動信號頻率相等時，系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，傳輸能量的效率最高，即如果要以最高效率傳輸能量，電路系統(tǒng)必須滿足磁耦合諧振式無線能量傳輸?shù)幕緱l件31。諧振系統(tǒng)在工作時諧振器所包含的磁場能量為: 同時，諧振器中所包含

35、的電場能量為： 式中V為電容兩端電壓，I為回路電流。當系統(tǒng)諧振工作時，電場與磁場之間會按一定的時間周期進行能量的交換，并且能量在兩者之間的分布是均勻的，諧振回路中電容是存儲電場能量的，線圈是存儲磁場能量的，因此系統(tǒng)中對于電容以及線圈的選取是很關鍵的。 諧振器的效率是該系統(tǒng)中重要的一個參數(shù)，效率的高低直接影響諧振系統(tǒng)的好壞，當然若想取得比較高的效率，就與諧振器的品質因數(shù)有很大的關聯(lián)，品質因數(shù)的定義如下Q= 由上式可以看出，如果想要較高的功率，必須要有較高的頻率。2.2 本章小結本章主要是簡單介紹了三種主要的無線電能傳輸方式的原理，并且詳細介紹了諧振式磁耦合無線電能傳輸方式的原理作用，通過分析電路

36、，對諧振式磁耦合無線電能傳輸進行仔細分析并構建了簡化電路模型。3 諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)設計3.l 諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)總體結構 本論文研究的無線充電電路包括兩部分，分別是發(fā)射電路部分，接收電路部分。首先發(fā)射電路部分包括：DC-AC電路，反饋信號放大電路、發(fā)射端主控模塊3部分；然后接收電路由4部分組成，分別是電壓欠壓自動關斷電路，接收端主控模塊，整流濾波及反饋信號電路，負載待充電電池?？傮w結構圖如圖3-1。如圖3-1無線充電電路總體拓撲圖Fig. 3-1 overall wireless charging circuit topology3.2 諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)發(fā)射電路設計諧振式

37、磁耦合無線充電系統(tǒng)發(fā)射電路部分包括：DC-AC電路，反饋信號放大電路、發(fā)射端主控模塊3部分，本節(jié)將重點分析上述三個模塊并進行原理設計，最后驗證完成電路的可行性。3.2.1 發(fā)射端主控模塊1) 主控芯片 本論文發(fā)射端芯片使用的是ATmega48，該芯片采用的是低功耗，高性能的8位AVR微處理器，且具有先進的RISC結構，不易丟失的程序和數(shù)據(jù)存儲器，結構采用TQFP封裝，該芯片與外部器件的接連圖如圖3-2圖3-2 主控芯片原理圖Fig. 3-2 Schematic master chip原理圖各引腳功能介紹如下:2號備用方波發(fā)射引腳3號，5號，21號地(GND)4號，6號，18號供電電源(5V)7

38、號，8號晶振信號輸入端(XTAL 1,XTAL2)12號反饋信號輸入端(ICP1)15號方波信號發(fā)射端(MOSI)16號一下載線輸入口 ( MISO)17號時鐘信號(SCK)20號參考電壓(AREF ) 其余引腳懸空。該發(fā)射部分的單片機使用上電自動復位電路，其復位電路構成包括R28，C30，且C30是濾波電容，R28為上拉電阻單片機下載口，其中的RST, 5V, MISO, MOSI SCK 是并用端口，當單片機下載程序時為下載口，當單片機工作時充當數(shù)據(jù)口I/O口；圖中Y1為晶振，它為單片機工作時提供振蕩信號，C21，27為濾波電容。該主控芯片的作用為振蕩電路產(chǎn)生所需占空比的方波信號，根據(jù)來自

39、接收端的反饋信號，將自動調整信號占空比，從而實現(xiàn)調節(jié)輸出功率的目的，對整個發(fā)射電路而言該主控芯片相當于“大腦”的作用，通過監(jiān)測整個電路，進而控制輸出信號，控制整個電路。2) 主控程序諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)的發(fā)射電路部分的主控程序使用AVR軟件編寫，其流程圖如圖3-3，程序代碼見附件1。圖3-3 發(fā)送端主控芯片程序流程圖Fig. 3-3 sending end master chip program flow chart3.2.2 DC-AC電路的設計本論文研究的主要是諧振式磁耦合無線電能傳輸特性，在有限的時間里，能更深入的研究諧振式磁耦合式的傳輸特性，故直流電壓可以采用學生電源，不用再設計相

40、關電源電路，這樣不僅能節(jié)省時間，還能除去由于前端電壓不穩(wěn)進造成對后續(xù)電路測量結果影響的問題。1) 逆變電路本論文為了供給耦合線圈的交流電壓從而進行無線能量傳輸，采用H橋逆變電路，通過所設計的電路將學生電源公供給的DC信號轉變?yōu)榻涣餍盘?，最后提供給LC串聯(lián)諧振絡，原理圖如圖3-4所示： 圖3-4 H橋逆變電路Fig. 3-4 H-bridge inverter circuit在圖3-4中，N-MOSIRF7832的柵極驅動電壓需要前端電路提供，V1，V2，V3，V4分別是四個柵極驅動電壓，且波形均為方波，其中V1和V2互補，V3和V4互補，它的工作原理如下：當Vg1是高電平，Vg2， Vg3是低

41、電平，Vg4是高電平，這時Q1管，Q4管導通，而Q2管，Q,3管截止，電流流經(jīng)Q1，L1，C14，Q4，最后則進入到GND;當Vg1是低電平，Vg2， Vg3是高電平，Vg4是低電平，這時Q2管，Q3管導通，而Q1管，Q4管截止，電流流經(jīng)Q2，C14，L1，Q3，最后則進入到GND，通過來自前級電路產(chǎn)生的方波信號Vg1 ，Vg2，Vg3， Vg4用來控制以上4個MOS管的開與關，從而使兩個對立的回路導通，這樣在LC串聯(lián)電路兩端上就會產(chǎn)生相應的交流方波，如果LC電路固定頻率與驅動信號頻率相匹配時，驅動信號則會與LC串聯(lián)電路產(chǎn)生諧振，如果接收端LC串聯(lián)電路與前級電路的固有頻率相同時，則發(fā)射端和接收

42、端會發(fā)生諧振，電能則會通過高效的磁耦合方式傳輸?shù)浇邮芏耍缓蠛罄m(xù)電路處理接受端接受的電能，最后通過外接端口給電池充電，實現(xiàn)無線充電的目的。2) 柵極驅動電路因為是單片機產(chǎn)生的驅動方波信號，雖然其電壓值為5V，可是其電流驅動能力很差，不足以驅動IRF7832MOS芯片，所以實驗中使用的是TPS28225MOSFET驅動芯片，下面介紹該芯片的特點：可承受高頻4A的負載電流; 14ns可調死區(qū)時間 較寬的門限輸入電壓:4.5-8.8V 較寬的PWM信號:2.0-13.2V 具有熱保護模塊其外部連接如圖3-5: 圖3-5 MOSFET驅動圖Fig. 3-5 MOSFET driver Figure利用

43、該芯片可以增大前級電路產(chǎn)生的PWM方波信號對MOSFET的驅動能力，還可以根據(jù)芯片的特點，IGATE,UGATE會產(chǎn)生互補的方波信號Vgl和Vg2，以及Vg3和Vg4，根據(jù)這4路信號的交替變換，為后面的逆變電路產(chǎn)生系統(tǒng)工作需要的高頻交流電源。3) 方波信號整形電路系統(tǒng)電路正常工作必然會產(chǎn)生交流電源，而產(chǎn)生交流電源必須有交流驅動源，而本實驗采用的交流驅動源則是由ATmega48單片機產(chǎn)生的0-5 V方波信號，其輸出端口為MOSI。因為逆變電路需要互補的驅動信號，同時還需要避免Q 1與Q4 . Q2與Q3同時打開，這就要求產(chǎn)生全包絡的兩個方波信號，所以應該設計一個方波信號延遲電路，在圖3-6中，C

44、D4069UBC為非門電路，C11，D4，R12形成了 一個延遲器1，C12，D5，R13形成了一個延遲器2。圖3-6 方波信號整形電路Fig. 3-6 square wave signal shaping circuit該電路使用的非門電路為仙童公司生產(chǎn)的CD4069UBC，其內(nèi)部集成6個非門電路，采用SOIC封裝，并且具有較大的供電電壓范圍，其內(nèi)部連接圖如圖3-7。圖3-7 CD4069UBC內(nèi)部連接圖Fig. 3-7 CD4069UBC Internal Connections圖3-8 非門內(nèi)部原理圖Fig. 3-8 NAND internal schematics 通過對CD4069U

45、BC的認識，以及整形電路引腳間的連接關系，可以得到方波信號整形電路的原理圖如圖3-90 其工作原理是:由于電容C11，C12的存在，信號在下降沿過程中不會下降的很快，電壓呈緩慢下降的趨勢，這樣就會造成在延遲器的下游非門的識別電壓相比較上游的非門輸入電壓有一定的延遲，具體的輸入輸出關系如圖3-10。 圖3-10 延遲時序圖Fig. 3-10 Delay Timing Diagram由于這種延遲器只是對信號下降沿產(chǎn)生延遲，所以為了產(chǎn)生全包絡方波，必須采用CD4069UBC非門電路對方波信號取反，然后和延遲電路相配合產(chǎn)生所需要的包絡信號，如圖3-11為測試延遲電路各個端口產(chǎn)生的信號波形，在圖中該電路

46、達到了預期的效果，實現(xiàn)了對方波信號產(chǎn)生全包絡的目的。圖3-11 延遲電路輸入輸出關系Fig. 3-11 delay circuit input-output relationship最終得到2Y,5Y的輸出關系如圖3-12，達到了預期的目的。圖3-12 2Y,5Y時序圖Fig.3-12 2Y, 5Y timing chart3.2.3 反饋信號放大電路 1) 反饋信號放大電路原理圖對無線充電電路而言，不僅要給接受端充電，同時也要實時對電池的充電情況監(jiān)測，隨時給接受端主控芯片傳送電池的電量情況，時刻傳送電池的電量情況給接受端負載，這樣一來接受端的電流就會發(fā)生變化，最終通過耦合方式傳送回發(fā)送端，即

47、發(fā)射端發(fā)生了很微小的電流變化，放大電路及比較電路會根據(jù)微小變化產(chǎn)生方波，即為接受端發(fā)送的編碼，最后發(fā)送端主控芯片接收到方波信號，通過與預設電壓的范圍比較，使主控芯片判斷電池的電量情況，主控芯片則通過調節(jié)方波信號的占空比來控制發(fā)送端發(fā)射功率的大小，從而達到監(jiān)測電池電量和控制的目的。根據(jù)以上原理，本課題研究設計了反饋信號放大電路，原理圖如圖3-13。圖3-13 反饋信號放大電路Fig. 3-13 feedback signal amplifying circuit該電路原理為逆變電路的采樣電阻R14產(chǎn)生采樣信號Vi，采樣信號Vi通過三級濾波器進到運放U7，由反饋電阻可知，此運放對采樣信號放大了27

48、倍，信號經(jīng)放大后進入自比較器U8A,該比較器作用為當信號是上升趨勢時，輸出高電平，當信號是下降趨勢時，輸出低電平，從自比較器輸出的信號將通過非門CD4069UBC輸出ICP1，ICP1就是接受端電路輸出的編碼信息，該非門芯片作用是提高輸出信號的驅動能力，最終將非門輸出的信號ICP1傳輸?shù)桨l(fā)射端主控芯片，而主控芯片需要通過識別編碼判斷電池的電量使用情況，然后通過調節(jié)占空比調節(jié)發(fā)送端發(fā)送功率大小。此部分放大電路使用的是OP07C運放，該運放具有極低的電壓補償，較大的輸入電壓范圍，較小的基極輸入電流。自比較電路使用的是LM393，該芯片具有較低的補償電流，較低的補償償電壓，較低的漏極電流。2) 內(nèi)部

49、電源電路電路中的+5V，-5V 電壓采用圖3-14電路獲得:圖3-14 內(nèi)部電源電路Fig. 3-13 feedback signal amplifying circuit +5V的電壓可以由AMS1117穩(wěn)壓芯片提供，該芯片的最大輸出電流為800mA，電壓調整率不劣于0.2%，符合后續(xù)電路的技術要求；5V電壓可以采用LM2663，該芯片的輸出電阻為3.5歐姆，符合后續(xù)電路的技術要求。3.3 諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)接收電路設計諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)接收電路可分成5部分，分別是接受端主控模塊，整流濾波及反饋信號電路，電壓自動關斷電路，接受端電壓產(chǎn)生電路，負載待充電電池。本節(jié)將分析和設計以上模

50、塊。3.3.1 接受端主控模塊1) 主控芯片本課題的發(fā)射端芯片使用的是單片機ATmega8，這款單片機采用低功耗，高性能的8位AVR微處理器，具有先進的非易失性的程序及數(shù)據(jù)存儲器，RISC結構，并且采用TQFP封裝結構，它與外部器件的連接原理圖。如圖3-17。圖3-17 主控芯片原理圖Fig.3-17 master chip schematics上圖中各引腳功能介紹如下: 3號，5號，21號地(GND) 4號，6號，18號供電電源(5V) 7號，8號晶振信號輸入端(XTAL1，XTAL2) 15號反饋信號發(fā)射端(CONT) 17號復位信號(RES) 20號參考電壓(AREF) 23號電壓采集信

51、號(ADC0) 其余管腳懸空。單片機采用上電復位模式，其復位電路如圖3-18,電路供電的瞬間 ,電源電壓對單片機進行復位，其中R1為限流電阻，C6為濾波電容圖3-18 上電自復位電路Fig. 3-18 Power-on self-resetting circuit單片機需要外部電路供給其一定振蕩頻率使其工作，這是晶振相當于單片機的“心臟”：同時為了能方便的調試電路，本實驗額外增加了一個調節(jié)指示燈，如圖3-19所示，其中C7是ADC0信號的濾波電容。圖3-19 晶振原理圖 ：調試指示燈原理圖Fig. 3-19 Crystal Schematic: Debug LEDs Schematic其中，C

52、4, C5, C7是濾波電容，R2是限流電阻?；鶞孰妷涸纯梢圆捎肨L431獲得，電路連接圖如圖3-20 圖3-20 基準電壓原理圖Fig. 3-20 reference schematics其中C2, R13構成一階濾波器，C3是濾波電容，TL431引腳2產(chǎn)生的是單片機的基準電壓。2) 主控程序諧振式磁耦合無線充電系統(tǒng)接收電路主控程序是采用AVR軟件編寫，其流程圖如圖 3-21所示，而程序代碼可見附件2。圖 3-21 接收電路主控程序流程圖Fig. 3-21 receiving circuit main program flow chart3.3.2 整流濾波及反饋信號電路1) 電路原理圖磁耦

53、合諧振電路接收端電路采用的是LC串聯(lián)諧振回路，而整流電路則采用全橋整流電路，濾波采用電容濾波方式，并且在電壓輸出側并聯(lián)一個反饋電阻，其作用是通過反饋電阻的開關在反饋電路發(fā)送信號時來改變接收電路負載大小，從進而產(chǎn)生使電流改變，最后通過耦合傳送到發(fā)射端電路，發(fā)射端電路則會將該編碼傳送到發(fā)送端單片機，這時單片機則通過識別，最終通過調節(jié)占空比來調節(jié)發(fā)送端功率大小，從而達到控制智能充電的目的。其電路原理圖如圖3-22。圖3-22 整流濾波及信號反饋電路Fig. 3-22 rectifier filter and signal feedback circuitL1，C8構成LC串聯(lián)網(wǎng)絡，其固有頻率與發(fā)送端

54、LC串聯(lián)網(wǎng)絡一致，Dl，D3, D5, D7構成全橋整流電路，D2 , D4構成穩(wěn)壓電路，C9為濾波電容，R8為反饋負載，其中UCC37321為MOS驅動芯片，其輸入端為接收端主控芯片發(fā)送過來的控制信號，通過驅動芯片U3來控制MOS驅動芯片的導通，這樣便會控制反饋電阻R8是否接入電路，通過電阻R8來調節(jié)負載的變化，最終通過電流變化的形式將信號耦合到發(fā)送端，最終發(fā)送端通過調節(jié)發(fā)送功率的大小來決定是否給電池充電。3.3.3 欠壓自動關斷電路1) 電路原理圖 為了保證電池的高效充電，本課題對充電電壓提供了一個欠壓自動關斷電路，以保證提供給電池的電壓始終保持在所設定的范圍，其電路設計原理圖如圖3-24。圖3-23 欠壓自動關斷電路Fig. 3-23 voltage automatic shutdown circuit電路中采用的TSM103是由ST公司生產(chǎn)的電壓基準源，基準電壓2.5V，由接收端電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的電壓經(jīng)過分壓與該基準源進行比較，當電壓小于預設值時，輸出端OUT2產(chǎn)生高電平，導致三極管Q3導通，這樣會將MOS管柵極拉低使MOS管關斷達到保護電路及節(jié)省功耗的目的。3.4 本章