一种能量传输电路的设计

2010-10-26石文堂山西省经济和信息化委员会信息中心030002

中国科技信息 2010年2期

关键词：功率放大稳压电路板

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一种能量传输电路的设计

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本文介绍一种短距离非接触的能量传输电路设计。从实际应用总结了电路设计的理论依据、芯片选型等，并给出了电路调试的一些技巧，以达到实际应用的目的。

能量传输;非接触;耦合;谐振

引言

随着社会的进步，我们对新事物的探索更深入、更透彻，各个方面都有了很大的进步。在恶劣环境下对某些生物的研究往往需要把电路板植入其身体，这就要求电路板体积要小，但带电源的电路板一般境况下很难做到小体积，因此能量的来源就成为一个大的问题。利用能量耦合（即线圈间的能量耦合）方式具有三个方面的特点：一、可大大的减小电路板的体积，这对电路板植入体内是非常有好处的；二、具有定位作用，如植入电路板的生物只有靠近能量发射源的时候体内的电路板才能耦合到能量进行工作，可把测量得到的数据通过无线网发射出去；三、一般情况下不能给大功率的电路提供能量，这种电路只是电感耦合而不同于变压器耦合，因此提供的能量还是有限的。这里有一个对小白鼠血糖浓度测量的案例，把血糖传感器、能量接收线圈、无线发射电路等可做在一个非常小的电路板（接收能量）上植入到小白鼠的体表，还需要有一个发射能量的电路板。可把植入了电路板的小白鼠和发射能量的电路板放在同一个房间内，每当小白鼠靠近发射电路板的时候，小白鼠体内的电路板就可以获得能量进行血糖的测量，并把测量得到的数据通过无线网络发射出去。

1、发射电路设计

作为能量发射源，在设计的时候需要注意几个方面，发射的频率越高耦合到次级（接收线圈）的能量越大，发射的频率不能与一些常用频率相同（如手机频率，电台频率等）。考虑到发射频率太高实现有一定的困难，权衡之下选择100KHz的发射频率。

1)发射频率的产生

有多种方法可以产生100KHz的频率，如专用芯片（max038等）、单片机I/O口模拟、555芯片等等。专用芯片价格昂贵；单片机I/O口模拟需要对相应单片机有一定的了解，开发周期较长；而555芯片可产生高于100KHz（一般资料上标称可达到400KHz，而实际上极间电容的影响最大也只能达到150KHz）的方波（傅里叶式展开可知由奇次谐波组成），电路简单且价格低廉。因此产生100KHz的频率555芯片是个很好的选择，其电路如图1所示。其中1KΩ电位器的作用主要是为了调节频率。

图1 100KHz方波产生电路

2)功率放大

555芯片产生的100KHz的方波需要功率放大。功率放大有多种类型，甲类、乙类、丙类等，其中甲类功放的特点是非线性失真小，效率低（理论值最大为50%）；乙类功放在低频或高频都广泛应用，效率较高（理论值可到78.5%），典型电路是推挽式电路，如图2所示。丙类功放一般用在高频窄带场合。在此选用乙类功放相对要好些。这里还有就是三极管选型的问题了，在线圈、铁芯的选择里介绍。

图2 推挽式功率放大

3)线圈、铁心的选择

发射电路的设计理论上相对简单，但是在器件的选型及调试上存在一定的难度，要借助于测量电感仪表、示波器等工具。

图3 功率放大、谐振电路

2、接收电路设计

接收电路主要是通过耦合的方式接收发射电路的电磁能给其他元件供电，主要分为耦合电路、整流电路、稳压电路、电压转换电路。

1)耦合电路

就是一个线圈电感耦合发射线圈的电磁能，这个线圈的体积一般较小，通常情况下使用较细的漆包线进行缠绕，如需提供的功率较大，可把线圈电感缠绕在一个小的磁铁芯上。如果在谐振的情况下耦合到的能量最大，因此可在线圈电感上并联一个电容使其工作在谐振状态下，如图4所示。

2)整流电路

一般的整流桥是对50Hz的工频信号进行整流，但这里的工作频率较高并不适合使用一般的整流桥，可以选择快恢复肖特基二极管（如IN5818）搭整流桥进行整流。

3)稳压电路

整流后的电压峰峰值可能会达到三、四十伏，为了减小体积使用一个几十μF的胆电容就可以得到直流电压了，不需要其他的稳压电路。

4)电压转换电路

通常电路使用的是5V或3.3V的电源，因此需要把三、四十伏的电压稳压到5V或3.3V。如果使用一般的LDO稳压芯片会存在一下三个问题，第一、一般的LDO稳压芯片的输入和输出的压差较小，很可能损坏LDO稳压芯片；第二、即使不损坏稳压芯片，会把稳压后的电压拉低很多，这样能量利用率较低，第三、LDO稳压芯片本身的转化效率较低，造成能量的浪费。因此不选用LDO稳压芯片（如LM1117等）作为电压转换电路。DC-DC降压型稳压芯片是个不错的选择，主要特点是转换效率高、输入电压范围宽等等，可选择如SP6659等。

整个接收电路的原理图如图4所示，其中不包括电压转换电路。