張新亮，武凱偉

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226007）

0 引言

當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種各樣的智能終端電子產(chǎn)品被研發(fā)出來，并且全面地滲透至人們的工作與生活之中。不過需要客觀認(rèn)識到，電子產(chǎn)品在使用過程中往往會產(chǎn)生較大功耗。所以，有必要探尋一套能夠?qū)χ悄芙K端電子產(chǎn)品給予有效能量補給的策略和方法。

無線電能傳輸技術(shù)是一種可以令電能以空氣為介質(zhì)的形式高速、精準(zhǔn)、安全傳播的技術(shù)，在此過程中，無須使用電纜。本文在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，立足于實際情況，對電磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)展開了全面細(xì)致地設(shè)計分析，希望能夠為同類設(shè)計提供有益借鑒。

1 方波信號發(fā)生電路設(shè)計

在此設(shè)計中，本文決定將單片機及其外圍電路定義為信號發(fā)生電路，它們在實際使用中會釋放波信號，再將其安全高效地發(fā)送至后級驅(qū)動電路。在綜合考慮各方面因素之后，本文決定選用了51系列的STC89C52型單片機，它是對初代51單片機的一種優(yōu)化和擴展。

STC89C52單片機中不含有PWM模塊。為保證信號傳輸?shù)木珳?zhǔn)性以及系統(tǒng)的可擴展性，本設(shè)計決定，通過當(dāng)前應(yīng)用相對比較廣泛且成熟先進的定時器法釋放PWM方波信號，單片機外接12 MHz晶振并能夠自動復(fù)位。關(guān)于信號發(fā)生電路的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 信號發(fā)生電路

2 功率放大電路設(shè)計

在整個功率放大電路系統(tǒng)中，最基本、最重要的當(dāng)屬功率放大器，在此次設(shè)計中，其主要功能是在接收到方波信號之后將其科學(xué)合理地放大，由此實現(xiàn)對諧振線圈的高效化驅(qū)動。本文基于具體需求采用了A類放大器，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，Q表示開關(guān)管，R表示電阻，input表示輸入信號，output表示輸出信號，規(guī)范合理地連接LC諧振電路。

圖2 功率放大電路

對于功率放大電路中開關(guān)管Q，本設(shè)計在綜合考慮各方面因素之后，決定選取性能可靠且當(dāng)前應(yīng)用比較普遍的MOS管IRF540，其主要特性是電流大、導(dǎo)通電阻小，并且能夠承受較高的電壓。詳細(xì)來講，電流為30 A，電壓為100 V，導(dǎo)通電阻只有0.077 Ω，它被用作開關(guān)管時，啟動非?？?，一般只需要4 ns，關(guān)閉也非?？?，僅為3 ns，從理論角度來講，其開關(guān)頻率高達(dá)數(shù)十兆赫茲，與本設(shè)計需求十分吻合。

關(guān)于電阻R，人們通常傾向于更小的電阻，在本設(shè)計中，可選擇0.01 Ω。電源為12 V直流電源。

3 耦合線圈設(shè)計

本設(shè)計在綜合考慮各方面因素之后，決定按照圓形螺旋管的形式規(guī)范合理地繞制線圈。考慮到耦合線圈一直運行于高頻信號環(huán)境之中[1]，所以，在該線圈的等效模型中，將電阻和電感以串聯(lián)的形式進行連接，而后和電容以并聯(lián)的形式進行連接，詳情如圖3所示。

圖3 線圈的等效模型

4 整流電路設(shè)計

本設(shè)計在綜合考慮各方面因素之后，決定采用安全合理的橋式整流電路，同時，選取了性能可靠的1N4148型高速開關(guān)二極管，其反向恢復(fù)時間特別短，一般只需要4 ns，反向耐壓為75 V，正向電流為150 mA，與本設(shè)計需求完全吻合，可通過此電路調(diào)制高頻交流信號，促其高效安全地調(diào)制為直流信號[2]。

5 濾波電路設(shè)計

在對各種不同電路的優(yōu)勢和不足進行全面細(xì)致地對比分析后，鑒于本設(shè)計對濾波電路的要求相對較為寬松，所以最終采用了一個比較簡單且滿足實際應(yīng)用需求的電容濾波電路如圖4所示。

圖4 電容濾波電路

6 電源產(chǎn)生電路設(shè)計

在此設(shè)計中，電源產(chǎn)生電路占據(jù)著尤為重要的地位，其主要功能是為電子電路保持穩(wěn)定安全的運行提供合適的直流電源。在實際應(yīng)用中，通常需要低壓直流電，而這即意味著首先需要將220 V交流市電高效安全地調(diào)制為滿足需求的低壓直流電。其具體操作過程是：首先需要將220 V交流電安全規(guī)范、快速準(zhǔn)確地調(diào)制為低壓交流電，而后需要通過整流電路將其安全規(guī)范、快速準(zhǔn)確地調(diào)制為脈動型直流電，完成以上步驟后，還需要通過濾波電路精準(zhǔn)高效地剔除電流中的交流部分，由此就能夠獲得所需的直流電[3]。本設(shè)計中需使用5 V、15 V直流電，所以，還要根據(jù)實際情況通過變壓電路安全規(guī)范地調(diào)制直流電的電壓。

基于以上分析可知，電源產(chǎn)生電路主要由4個電路構(gòu)成，詳情如圖5所示。

在此設(shè)計中，需要連接電源的電路主要有兩個：一是信號發(fā)生電路，在實際運行中，應(yīng)為單片機提供規(guī)格為5 V的直流電源；二是功率放大電路，其直流電源規(guī)格為12 V。其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 電源產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)

圖6 電源產(chǎn)生電路

此電路的輸入電壓是220 V交流市電，在進行一系列處理后獲得12 V、5 V的電壓。

關(guān)于交流變壓電路，本設(shè)計最終選取了鐵芯變壓器，其一、二次側(cè)電壓比是220∶24，輸入220 V交流電，輸出24 V交流電。

關(guān)于整流電路，本設(shè)計在進行全面深入地考慮之后決定采用全橋整流電路，二極管的型號為IN418，反向耐壓為75 V，滿足24 V交流電整流使用。

關(guān)于整流電路后連接的濾波電路，本設(shè)計在進行全面深入地考慮之后終選取了電容濾波電路，大小不一的2個電容以并聯(lián)的形式進行連接，其中，大的濾波電容為47 uF，小的只有0.1 uF，電容皆選取了電解電容。

關(guān)于直流變壓電路，本設(shè)計在進行全面深入地考慮之后決定采用穩(wěn)壓芯片LM7812、LM7805芯片。在本電路中，它們主要發(fā)揮著直流電壓變壓的功能。其中，LM7812的輸入、輸出電壓分別為24 V、12 V，連接于24 V輸出的整流電路，由此即可輸出24 V電壓為功率放大電路供電。LM7805的輸入、輸出電壓分別為12 V、5 V，連接于LM7812后輸出5 V電壓為單片機供電。

7 結(jié)語

本文對電磁感應(yīng)的無線充電系統(tǒng)的所有主要電路進行了規(guī)范合理的設(shè)計分析。整體來講，該系統(tǒng)選取了性能可靠、功能完善的STC89C52單片機，將其用作信號發(fā)生器，在外圍電路的支持下，釋放出高頻方波信號，再通過一系列處理后即可得到高頻AC信號。由發(fā)射端及接收端的LC并聯(lián)諧振電路中的電感線圈形成電磁感應(yīng)，能量能夠直接通過無線的形式傳播，再通過電容濾波電路等完成對信號的一系列規(guī)范合理地處理，而后將其傳輸至負(fù)載發(fā)光二極管之中。