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1、2014年天津市TI杯电子设计竞赛电源类 设计报告摘要本系统以磁耦合谐振原理为核心，设计了此无线电能传输装置。本装置采用自激震荡方式触发MOSFET的交替导通，在发射线圈两端产生高频交流电，并通过LC谐振产生电场能和磁场能，接收端线圈通过谐振耦合接收能量，并通过整流滤波变成直流电。同时利用MSP430对输出能量实时监测。 测试结果表明：当接发线圈相距10cm，接收端电流0.5A时负载的电压为41.5V，系统的效率为53.1%。当接收端接2W的LED，间距为61.5cm时，LED的电流为1mA。本设计出色地完成了题目要求，在小功率无线电能传输方向有很好的应用前景。系统特色：（1）采用自激震荡方式
2、触发MOSFET，实现高频逆变。（2）电感线圈选择了空心线圈，谐振效果更好。（3）用单片机显示接收端负载的电流电压值，可实时监测负载的情况。关键词：磁耦合谐振电路、高频逆变目录1.系统方案论证31.1发送模块的论证与选择31.2接收模块的论证与选择51.3线圈的论证与选择72.系统理论分析与计算82.1 无线传电系统的工作原理分析82.2 无线传电系统的参数计算93.电路与程序设计93.1系统主体电路图93.2电流电压检测图103.3辅助电源设计11 4.测试结果及分析124.1测试方案124.2 测试条件与仪器124.3 测试结果124.4结果分析与总结14附录：源程序14【F组】1. 系统
3、方案论证本系统主要由无线电能发送模块、无线电能接收模块、单片机显示模块三部分组成，经过分析和论证，下面为我们最终的方案框图。图1 系统方框图目前的磁耦合谐振电路拓扑结构主要有：能量注入型谐振式拓扑、自激振荡式谐振拓扑、E类谐振式拓扑等。本方案对这三种谐振拓扑结构进行分析，找出最适合本方案发送端要求的谐振拓扑结构；并对无线接收端的高频交流电整流和滤波电路分析和选型。1.1发送模块的论证与选择磁耦合谐振式电能传输以谐振“磁耦合”形式将电能进行传输。基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电力高效传输。磁耦合谐振式无线电能传输技术在未来有着广阔的应用前景，具有高效率和远距离传输等优点，磁耦合谐振无线
4、传能有以下几种方案。 方案一：能量注入型谐振式拓扑该方案的波形和频率稳定，但该模块需采用四个场效应管驱动，且工作在高频状态，损耗较大，效率较低，系统中的无功功率太大，从而严重地制约了系统的传输能力和传输效率，故不采纳。图2 能量注入型谐振式拓扑图方案二：E类谐振式拓扑E类DC/AC超高频谐振式变换器, 单管工作, 不存在死区时间的限制, 开关频率可达到2MHz 以上。选取适当的负载谐振网络参数，即使开关转换时间与工作周期相比较已相当长, 也能避免在开关期间内同时产生大的电压或电流, 这就避免了在开关转换期间的器件功耗。MOSFET采用图腾柱推挽驱动, 干路最大电流达1.5A。但起振条件要求太高
5、，不易达到理想起振条件。图3 E类谐振式拓扑结构图方案三：自激振荡式谐振拓扑逆变电路将15V直流电源升压后通过LC谐振转换成电场能和磁场能，电场能量储存在电容中，磁场能量储存在线圈电感中，它们彼此相等，且呈周期性振荡。电场能量在发送线圈的电容和电感之间相互交换，由于二者谐振频率相同，产生共振，将能量源源不断传送到接收端。利用自激振荡原理实现无线传能，无需利用外围芯片与控制器件，且自激频率能够达到本方案所设定的900kHZ频率，效率能超越前面两种方案，解决了在传输效率和传输距离上不可兼得的矛盾,故采用方案三。图4 自激振荡式拓扑结构1.2接收模块的论证与选择谐振接收端谐振电路以及整流滤波电路也有
6、着重要的作用，系统要达到最优化电能传输,各个部分均需满足一定的要求,那么对系统接收部分的整流方案和滤波方案的选择也显得尤为重要。1.2.1 整流方案选择高频整流电路是将输入的高频交流电转换成直流电,要求该电路具有稳定性高、效率高、损耗小等特点。整流电路有多种形式,如半波式整流、桥式整流和倍压整流。下面将对其分别作简要介绍和分析,选出适合于谐振耦合系统的整流电路。方案一：倍压整流倍压整流电路就是利用滤波电容的储能特性，通过电路中的多个电容和二极管使输出电压几倍于接收端线圈获得的电压。根据其理论原理可以设计出多倍压整流电路，但是该整流电路适用于负载电阻较大的场合，本方案设计的磁耦合谐振电能无线传输
7、系统只是属于小型系统，负载电阻值较小，使用倍压整流电路对其整流效果反而会较差，无法满足负载上电压性能的需求，故不采用。 图5 倍压整流电路方案二：桥式整流桥式整流电路实现了全波整流，将接收端电压的负半周也加以利用，所以其输出直流电压的平均值相比于半波整流大很多。桥式整流电路更适合于谐振耦合式电能无线传输系统，它能够让负载获得更高的电压和电流，且具有耦合环节利用率高和脉动较小等优点，故本设计采用桥式整流电路对接收端的高频交流电压进行整流。另外，因系统的工作频率较高，故选择快恢复肖特基二极管搭整流桥。 图6 全桥整流电路结构1.2.2滤波方案选择整流电路虽然将高频交流电转换为直流电，但是输出电压中
8、仍然含有较大的脉动成分，当直接连接负载供电会对用电设备造成严重的谐波干扰，因此需在接收电路中加入滤波电路，使输出电压趋于理想的直流电压。常用的滤波电路有电容滤波、LC滤波、型滤波。方案一：LC滤波电路在滤波电容之前串联一个铁心电感，由于电感线圈中电流发生变化时，线圈中要产生自感电动势来阻碍电流的变化，而使负载电流和负载电压的脉动大大减小。LC滤波电路适用于要求电流较大、输出电压脉动很小的场合。 图7 LC滤波电路方案二：型滤波相当于在LC滤波电路前并联一个滤波电容，这样滤波效果比LC滤波更好。这种滤波电路适用于负载电流较小和输出电压脉动较小的场合。图8 型滤波方案三：电容滤波电路简单，输出电压
9、较高，脉动较小。但是外特性较差且具有电流冲击。电容滤波电路一般用于要求输出电压较高，负载电流较小并且变化也较小的场合。因为本设计接收端整流后的脉动电压较高，并结合电容滤波电路简单的特性，故采用方案三。图9 电容滤波电路1.3线圈的论证与选择发射线圈和接收线圈的谐振耦合是实现电能无线传输的基础，为了提高谐振耦合线圈的传输效率，我们需要考虑耦合线圈的选型。方案一：平板式。这种结构可看成是压扁了的螺线管式结构，它的线圈厚度较薄，有利于整个系统设计的小型化。但是该结构线圈对发射端与接收端的位置要求严格，一旦偏离线圈中心较远会导致系统的传输特性受较大影响。方案二：螺线管线圈式。这种结构线圈产生的磁场比较
10、均匀且具有较好的方向性，非常适合于磁场传送电能的系统，同时它具有传输距离远效率高等优点。结合实际参数调试情况，这里我们选择方案二。2. 系统理论分析与计算2.1无线传电系统的工作原理分析电磁谐振耦合无线电能传输技术的理论基础是“耦合模理论”。当能量发射装置与接收装置的谐振频率相同，发射装置在这个交变磁场下先产生自谐振，并产生相同频率的交变磁场，当接收装置靠近发射装置时，也会产生自谐振，接收装置不断集聚能量并传给负载，这样就实现了能量的无线传输。本设计运用磁耦合自激谐振技术，实现了电能在中等距离的高效传输。图10 电磁谐振耦合无线电能传输示意图2.2无线传电系统的参数计算只要确定振荡频率fo、品
11、质因数Q和电阻Ro,即可计算出Co和Lo。Q值的取定：本设计方案采用直径21cm的空心铜管，经电感品质测量装置测得品质因数为Q=13。fo值的取定：初始设定为1mHz高频，经过一系列调试和与电感匹配后的结果为900kHz。Lo值的取定：此装置谐振电感是所选的空心线圈的电感，经电感测量装置测得电感量Lo为250nH。Co值的取定：由上述磁耦合谐振电路计算公式与已知fo、Lo，计算得Co为57nF。3. 电路与程序设计3.1系统主体电路图本设计的发射端控制MOSFET的交替导通，在发射线圈两端产生高频交流电，并通过LC谐振发射能量。接收端线圈通过谐振耦合接收能量，并通过整流滤波变成直流电。图11
12、发射端主体图图12 接收端主体图3.2 电流电压检测图该电流电压检测模块连接在无线电能接收端。通过在输出端并联电阻及分压，来采集负载两端的电压；通过串联康铜丝电阻并通过INA282放大其两端电压，来采集负载的电流。然后通过单片机的AD采样和处理，在显示屏上显示负载的电压电流值。图13 电流电压检测系统简图图14程序流程图3.3辅助电源设计该辅助电源为电流电压检测模块供电，方案为选择TI公司的 LM2576芯片做成开关降压电路。该芯片性能良好，效率高，外围器件简单，输入端可承受40V电压，输出电压稳定，可满足单片机和LCD的供电需要。图15 辅助电源图4测试结果及分析4.1测试方案1、要求一的测试：在发送端输入电压为U1=15V，在相距10cm处放置接收端，调节接收端的负载直至输出电流I2=0.5A，测量负载两端的电压U2，同时记录发送端的电流I1。通过公式，计算出效率。2、要求二的测试：保持发送端输出15V电压，接收端接2W的LED灯，从40cm的起始间距逐渐拉开距离，同时记录两线圈的距离和流经LED的电流。4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，硬件电路
