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1、. .2014年省大学生电子设计竞赛实验报告无线电能传输装置（F题）2014年8月15日摘要：本设计基于磁耦合式谐振荡电路来进行无线电能传输，点亮LED灯。由于输入和输出都是直流电的形式，因此本系统将分为以下四个部分：第一部分为驱动电路（DC-AC），为使直流分量转化成交流电并通过耦合线圈将电能传输给负载，采用LC谐振的方式让回路中电容和电感构成一个二阶LC谐振电路，驱动MOS管形成交流电。第二部分为发射电路（AC-AC），应用电磁感应原理，在二次线圈中产生感应电流并输给接受电路。第三部分为电能转换电路（AC-DC），输出的感应交流电经整流桥桥式整流后流入升压电路。第四部分为升压电路（DC-D
2、C），对整流之后的直流进行升压，防止整流后的电压无法驱动LED。本设计分模块搭建并对各个部分电路进行原理分析。在调试时，采用分模块调试，根据调试结果修改参数，最终形成一个完整的稳定系统。关键词：磁耦合式谐振荡电路 LC振荡电路 桥式整流 DC-DC升压AbstractThedesign is based onmagneticresonanceoscillationcircuitcoupledtothe wireless power transmission, litLEDlights.Since the inputand outputarein the form ofdirect curren
3、t, so the systemwill be divided intothe followingfourparts: The firstpartofthe drive circuit(DC-AC),isconverted intoalternating currentso thatthe DC componentandthepower transmissionthrough the coupling coilto the load, using LCresonantcircuitina mannerso thatthe capacitance and inductanceformasecon
4、d orderLCresonant circuit, the ACdriveMOStube formation. The secondpart is thetransmitter circuit(AC-AC),application ofthe principle ofelectromagnetic induction, induced currentin the secondarycoilandlost toacceptcircuit. The thirdpart isthe powerconverter circuit(AC-DC),alternating currentoutputind
5、ucedby theflow into thebooster circuitbridgerectifierbridge rectifier. The fourthpart is theboost circuit(DC-DC),DCrectifiedafterboostingpreventrectified voltagecan not driveLED.The design ofthe various parts ofsub-module structuresandprinciples ofcircuitanalysis. When debugging, using sub-modules d
6、ebug, modifyparameters baseddebugging results, eventually forming a completestabilization system.Key wordsMagnetically coupled harmonic oscillator circuit LC oscillator circuit bridge rectifier DC-DC boost目录Equation Chapter 1 Section 12014年省大学生电子设计竞赛实验报告1无线电能传输装置（F题）1摘要：本设计基于1关键词：1磁耦合式谐振荡电路 LC振荡电路桥式
7、整流 DC-DC升压11系统方案31.1发射驱动电路方案的论证与分析31.2接收电路方案的论证与分析：41.3输出电路方案的论证和选择：42系统理论分析与计算52.1电路设计分析与原理52.1.1发射驱动电路的设计分析62.1.2接收电路的分析72.1.3 输出电路的分析82.2 发射驱动回路器件的选择与参数计算92.3接收电路回路器件的选择与参数计算92.4 发射与接收线圈的选择与参数计算93电路与程序设计103.1电路的设计103.1.1系统总体框图103.1.2发射驱动电路字系统框图与电路原理图103.1.3接收电路系统框图与电路原理图113.1.4发射电路原理114测试方案与测试结果1
8、24.1测试方案124.2测试条件与仪器124.3测试过程与分析124.3.1测试数据134.3.2测试结论14附录：14发射部分：14接收部分：15输出部分：151系统方案题目分析：图1 电能无线传输装置结构框图题目给出的电路功能结构框图如图1所示，输入直流电压U1=15V，输入直流电流I11A，驱动电路将流入的直流逆变成交流。交流通过发射线圈，经无线传输后在接收线圈中产生感应电流。经过电能变换后，整流后的直流给1W的LED供电，其中输出直流电压U28V，输出直流电流I2=0.5A。系统的输入输出皆为直流，但因为部有无线传输模块，而无线电能传输是基于电磁感应原理，即为广义的AC-AC转换器。
9、所以驱动电路中必有DC-AC转换器，电能变换电路中必有AC-DC转换器。三个转换器是本设计的核心。但是考虑到线圈的耦合系数和电路部的损耗，初始直流输入15V产生的功率可能不够，所以得进行升压变换，加入第四个转换器DC-DC。除此之外，题目还给了两个最优目标：在达成要求的基础上，尽可能提高该无线电能传输装置的效率；在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。因此，综合考虑，我们的方案如下。1.1发射驱动电路方案的论证与分析驱动电路的目的是将直流逆变成交流从而驱动发射电路，以下就逆变方式对方案进行分析。方案一：选用RC振荡，采用TI公司生产的NE555芯片构成振荡频率约为51
10、0KHz的信号发生器，为功放电路提供激励信号，谐振荡放大器由LC并联谐振回路和开关管IRF840构成，将一可调电容器与固定电容相并联来调节谐振频率。我们对此方案进行了尝试制作，发现该电路回路复杂，功率较大，效应管很容易发热且易烧坏，且对振荡线圈要求较高。方案二：我们设置了两个MOS场效应管来进行电路驱动。选用继电器来进行启动，能起到很好的保护作用。我们在面包板上预留一些可以直接插独石电容的卡槽，一方面与发射线圈（电感）形成LC振荡电路，另一方面方便我们调频，分析在何种情况下传输效率最高。综上：对比两者，方案二功耗小而且电路简单，利于我们进行制作。1.2接收电路方案的论证与分析：接收电流需要经过
11、整流、滤波，现对这部分进行分析论证。方案一：由于整流电路结构比较简单，所以我们可以采用二极管和电容建出模拟的全波整流桥。方案二：采用集成整流桥，配合铝电解电容进行滤波。该方案有比较成熟的芯片技术作为基础。因此，我们最终选择了方案二。1.3输出电路方案的论证和选择：输出电路部分比较简单，我们只需用开关控制点亮两只1W的LED灯泡即可。另外，经过变换得到的电压可能无法满足题干要求，因此我们设计了备用的升压电路。方案一：选用XL6009芯片进行升压。图2XL6009芯片升压模块方案一中升压后输出电压围为5V30V，工作电压为5V32V，且外围简单,系统设计方便灵活。方案二：选用LM2577-ADJ芯
12、片进行升压。方案二的输入电压围为3.5V-40V，能按照进行电压放大，将R1换成滑动变阻器，通过调节滑动变阻器的大小我们能调节放大倍数，从而控制输出电压大小。考虑到传输过程中的损耗和影响耦合系数的因子过多且无法避免，应留有25%的控制余量，所以选用方案二。2系统理论分析与计算2.1电路设计分析与原理基于磁场谐振耦合的无线电力传输，实际上是将磁场作为传输的介质，通过共振建立发射与接收装置之间的传递通道，从而有效地传输能量。共振系统又多个具有一样本征频率的物体构成，能量只在系统中的物体间传递，与系统之外的物体基本没有能量交换，在达到共振时，物体振动的幅度达到最大。基于磁场谐振耦合的无线电力传输理论
13、的基础是耦合模型理论（CMT）。在耦合模型理论中，对于由两个物体1和2构成的共振系统，设两个物体的场幅值分别为、，在无激励源的情况时，对一个存在损耗的系统，系统满足方程（1）、（2）式中1、2是各自固有频率，、是固有损耗率，取决于物体的固有（吸收、辐射等）的损失，k是耦合系数。用矩阵形式表示即为：对于共振系统，具有一样的共振频率，可以认为1=2=0,=,于是可求解得到B的特征值，即系统的固有频率可见，由于耦合的关系使系统的固有频率分开，之间的差别为2k。假设t=0时，已知值，且=0，代入，为简化计算，当k时。可以忽略损耗，求得在物体1、物体2中所含能量表达式为可见，两物体能量的交换最小损失发生
14、在t=/2k这一时刻。耦合系数k体现了系统的两物体之间传递能量的速率，当k时，在t=/2k这一时刻，除了比较小的损耗外，能量比较理想地由物体1完全传递到物体2.2.1.1发射驱动电路的设计分析发射驱动电路如图所示：在电路中我们连入了一个发光二极管，用来检测电路是否通路，同时也是一个启动标志。我们采用双MOS管的组合进行驱动，形成自激振荡。产生自激振荡必须同时满足两个条件：1、幅度平衡条件|AF|=12、相位平衡条件A+F=2n（n=0,1,2,3）其中，A指基本放大电路的增益（开环增益），F指反馈网络的反馈系数同时起振必须满足|AF|略大于1。如果振荡电路满足起振条件，在接通直流电源后，它的输
15、出信号将随时间的推移逐渐增大。当输出信号幅值达到一定程度后，放大环节的非线性器件接近甚至进入饱和或截止区，这时放大电路的增益A将会逐渐下降，直到满足幅度平衡条件AF=1，输出信号将不会再增大，从而形成等幅振荡。这就是利用放大电路中的非线性器件稳幅的原理。由于放大电路进入非线性区后，信号幅度才能稳定，所以输出信号必然会产生非线性失真(削波)。为了改善输出信号的非线性失真，我们在放大电路中设置非线性负反馈网络，实际电路中我们加入了两只二极管，使放大电路未进入非线性区时，电路满足幅度平衡条件(AF=1)，维持等幅振荡输出。另外，我们并入了6只独石电容，与线圈形成LC振荡回路。至此，发射驱动部分告一段落。2.1.2接收电路的分析接收电路如图所示：接收电路包含两部分，第一部分为为LC振荡电路部分，用于接收电流。第二部分为桥式整流电路与电容滤波电路。首先我要将交流电化成直流电，这里我们采用桥式整流。桥式整流与半波整流的相比，输出电压的脉动小很多。因为我们对直流的要求不是很高，所以在整流后我们只需加上一个电容进行滤波，以减少整流后直流电中的脉动成分。
