胡捷

摘 要：

無線電能傳輸就是利用一種特殊設(shè)備將電能以無線形式進行傳輸，從而可以在無需電纜線的情況下直接傳輸電能。介紹了一個無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由利用89C51單片機，設(shè)計制作一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，它對發(fā)射線圈的電流進行檢測，若產(chǎn)生偏離諧振電流則進行調(diào)節(jié)，從而使傳輸電能的能量始終處于最大。無線電能傳輸領(lǐng)域是一個充滿活力、具有巨大應(yīng)用前景的高新技術(shù)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：

無線傳輸；自諧振；傳輸功率；傳輸效率

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

文章編號：16723198（2016）04021902

1 系統(tǒng)方案

根據(jù)設(shè)計提出的要求，本系統(tǒng)總共分為兩大部分：電能發(fā)送和電能接收。發(fā)送與接收單元之間通過線圈之間的互感耦合作用傳送電能，供電部分和用電部分沒有任何束縛性的有線連接。傳送有效距離達10cm，本系統(tǒng)效率高，成本低，工作可靠穩(wěn)定。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1.1 發(fā)射電路的論證與選擇

1.1.1 檢測與調(diào)頻的論證與選擇

方案一：采用晶閘管，其優(yōu)點是切換無噪聲，單驅(qū)動電路復(fù)雜，切要安裝散熱片。

方案二：采用繼電器，功率大，內(nèi)阻小，缺點是存在切換噪聲。

方案三：采用89C51單片機控制驅(qū)動頂部線圈信號的頻率，并能通過檢測流過頂部線圈電流的大小來調(diào)整頻率使線圈達到最大的傳輸頻率。

綜上所述：單片機操作簡單，控制靈活，功能齊全，價格適宜，所以選擇方案三。

1.1.2 頻率調(diào)節(jié)電路

方案一：使用晶體管振蕩，可以產(chǎn)生穩(wěn)定準備工作頻率，但頻率不可調(diào)，使接下來的工作量增大，較難做到系統(tǒng)所需較高要求。

方案二：使用LC振蕩，其頻率在一定的范圍內(nèi)可調(diào)，電路簡單而且省電。

方案三：采用89C51單片機對諧振電流進行檢測，若諧振電流發(fā)生偏離則進行調(diào)整，使頻率域LC達到一致，從而使線圈傳輸能量達到最大。工作簡單方便。

綜上所述：因功率放大系統(tǒng)頻率不高，頻率可調(diào)在一定的范圍內(nèi)，選用方案三。

1.1.3 功率放大電路

方案一：采用大功率開關(guān)三極管作為功放元件，但管耗較大，需要大面積的散熱片，成本較高。

方案二：采用場效應(yīng)管作為功放與元件，功耗低于三極管，驅(qū)動功率小，使用方便，價格合適，更能滿足系統(tǒng)要求。

1.1.4 總體發(fā)射電路

方案一：采用專制XKT-515直流遠距離無線供電芯片，使用簡單方便，但是芯片較為稀有獨特，其功能不能滿足任務(wù)要求。

方案二：采用自制電路，將輸入的直流電壓15V，經(jīng)過振蕩，放大，使振蕩頻率達到最大，即自諧振狀態(tài)，經(jīng)由線圈將電能發(fā)射出去，結(jié)構(gòu)簡單，方便。

綜上所述，本系統(tǒng)采用方案二。

1.2 接收電路的論證與選擇

方案一：采用專制電路：XKT-408系列集成電路，采用CMOS制程工藝，具有精度高穩(wěn)定性好等特點，其專門用于無線感應(yīng)智能充電、供電管理系統(tǒng)中，可靠性能高。

方案二：采用自制電路：線圈接收電能后，經(jīng)過電橋整流，電容濾波，可以為負載提供直流電源，達到題目要求。

綜上所述，采用方案二。

1.3 負載電路的論證與選擇

根據(jù)設(shè)計提出的要求采用兩個1W的LED燈串聯(lián)，并串入一個電阻。

2 系統(tǒng)理論分析與計算

2.1 發(fā)射、接收電路

為方便說明，在以下分析中均認為發(fā)射、接收電路裝置在建立聯(lián)系之后，均達到自諧振狀態(tài)，同時只考慮線路的集中參數(shù)，并不計算雜散參數(shù)對電路的影響。其等效的電路模型如圖9。

圖中Us為發(fā)射線圈感應(yīng)得到電壓，Rt、Rr為發(fā)射、接收線圈等效電阻，Lt、Lr為發(fā)射、接收線圈等效電感，Ct、Cr為發(fā)射、接收線圈等效電容。

設(shè)發(fā)射線圈中電流為It，發(fā)射線圈電流產(chǎn)生的磁場近似為：

由此在接收線圈感應(yīng)產(chǎn)生的電壓為：

負載得到功率：

以上式中，Rr為針孔磁導(dǎo)率，f為電流頻率，N為環(huán)形線圈匝數(shù)，r為線圈半徑。

由上面式子可以得到發(fā)射線圈與接收線圈之間傳輸效率為：

2.2 功率放大分析

圖10為典型的E類功率放大電路，開關(guān)管T采用MOS管，正常工作時要能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。

由于該系統(tǒng)主電路的頻率到達1MHz以上，因此開關(guān)管應(yīng)選擇MOS管。本系統(tǒng)選用了國際整流公司的芯片IRF840，額定電壓為500V，額定電流為8A。

2.3 驅(qū)動電路的設(shè)計

本系統(tǒng)采用柵極驅(qū)動，主要包括方波信號發(fā)生器，驅(qū)動芯片TL4428，5V的直流源，濾波電容，穩(wěn)壓二極管等。由于MOS管需要一定的驅(qū)動功率，這里采用了驅(qū)動芯片TL4428，它可以提供1.5A的驅(qū)動電流，驅(qū)動的上升時間和下降時間最小可以到達19ns，從而可以滿足1.5MHz驅(qū)動的要求。另外，穩(wěn)壓管可以起到防止驅(qū)動電壓尖峰，保護MOS管的作用；電阻可以防止MOS管的柵極里的電容放電，而燒毀驅(qū)動芯片。

3 設(shè)計結(jié)論

通過本次無線電能傳輸裝置的設(shè)計，我們不僅對模擬電路有了更加深刻的理解，在電子設(shè)計方面同樣也很有收獲。我們的設(shè)計互幫互助，友情更加濃厚，同時也加深了彼此之間的默契，雖然其中也有很多的爭執(zhí)與分歧，但是經(jīng)過彼此的細心探討，問題也都會迎刃而解。

參考文獻

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