祖彥霞

摘要：磁耦合諧振式無線電能傳輸具有傳輸距離遠、效率大、功率高等特點，還能穿透障礙物傳輸，該技術(shù)的研究對于無線充電技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。文章設計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現(xiàn)無線能量的傳輸，接收電路再經(jīng)整流和濾波，實現(xiàn)了DC-DC的無線電能傳輸。經(jīng)測試，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，輸出功率約為4W，傳輸效率約為46%；線圈間距最大為50cm時，仍可點亮LED燈。

關鍵詞：磁耦合諧振；SG3525；無線電能傳輸

隨著社會科學技術(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)的導線連接式充電設備有充電接口、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)應運而生。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，這種傳輸方式成為國內(nèi)外研究人士共同關注的熱點，并具有良好的發(fā)展前景。

1設計原理

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現(xiàn)能量傳輸?shù)?，即?個在一定距離范圍內(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個收發(fā)線圈組成，當驅(qū)動信號頻率與線圈的固有頻率達到一致時，2個線圈就會發(fā)生諧振，諧振耦合回路的阻抗達到最小，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能轉(zhuǎn)化為磁場能，然后磁場能再轉(zhuǎn)化為電場能。首先，高頻輸入信號由高頻電源端產(chǎn)生后，先經(jīng)過諧振電容，此信號將會在發(fā)射線圈發(fā)生電磁轉(zhuǎn)換，由于中高頻磁場的存在，收發(fā)線圈將會發(fā)生共振，最后，接收線圈的諧振回路再一次進行磁電變換后為負載供電，這樣便實現(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，這時便產(chǎn)生了諧振，發(fā)射回路就將電能轉(zhuǎn)換成分別儲存在線圈電感和電容中的磁場能和電場能，而且大小相等，這時補償電容和線圈電感周期性振蕩的能量為平時工作頻率的2倍。與此同時，將一個具有相同固有頻率接收諧振體放置在發(fā)射端諧振體的磁場近區(qū)場范圍內(nèi)，由于互感耦合作用，接收線圈會產(chǎn)生一個相同頻率的感應電流。這其實與用一個相同固有頻率的外加激勵源作用在接收諧振體而產(chǎn)生諧振是等價的。

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的導通與關閉，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)整流后給負載供電。系統(tǒng)整體框圖2所示。

2系統(tǒng)設計

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)部包括軟啟動控制電路、欠壓鎖定電路、PWM鎖存器。其特點是具有過流保護的功能，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就是其輸出驅(qū)動的形式是推拉輸出，從而使芯片的驅(qū)動能力有了很大提高。

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，另外一路則以時鐘脈沖的形式輸送到雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和2個或非門，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行對比，輸出一個方波脈沖，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輸入端。而另2個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個輸出是互補的，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)時間，以便保證三極管VT1和VT2是在不同時間導通的。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，電壓反饋信號加在誤差放大器的反向輸入端，這樣誤差放大器就會產(chǎn)生一個放大的誤差信號。而這一信號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經(jīng)PWM比較器后產(chǎn)生一個PWM信號，此PWM信號之后會通過位于芯片內(nèi)部的數(shù)字電路，數(shù)字電路會將其處理成互差180°的兩路PWM信號，這2個信號的頻率是比較器中產(chǎn)生的PWM信號的1/2。隨后這2個PWM信號會被芯片內(nèi)部的電路進行放大處理，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隨之改變，位于芯片內(nèi)部的誤差放大器的輸出也會發(fā)生改變。如此一來，PWM比較器所產(chǎn)生的PWM信號的占空比就會發(fā)生改變，從而引起11腳與14腳輸出的PWM信號的占空比改變。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)成了一個振蕩器放電回路。還需要一個小電容與8腳相連以便實現(xiàn)軟啟動的功能。同時為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，9腳（PWM比較器補償信號輸入端）和l腳之間連接上接的電容電阻構(gòu)成一個反饋網(wǎng)絡。10腳外接高電平芯片輸出將被禁止，這樣起到過流保護的作用。

（3）單管逆變。產(chǎn)生的兩路反向方波控制MOSFET的導通與關閉，使其產(chǎn)生需要的高頻功率源后，送到發(fā)射線圈。MOSFET驅(qū)動采用推挽方式，由于本設計采用推挽式功率變換電路，在輸入回路中僅有一個開關的通態(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，四個二極管構(gòu)成整流橋，當接收線圈與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，開始進行無線電能的傳輸，通過整流橋后點亮LED燈。

3結(jié)論

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