无线感应耦合充电系统仿真与设计

谢智娟，金学军

(1.常州卫生高等职业技术学校，江苏 常州 213000;2.井冈山大学教育学院，江西 吉安 343009)

责任编辑:薛 京

近年来，布线成本成了有线通信网络的一个沉重负担。而无线传感器网络具有安装成本低、传感器端子重构小的优点，此外它还能安装在很难提供电力的地方［1］。因为基于无线系统每一个终端设备都需要交换电池，导致了无线传感器网络投入成本增加。于是需要实现一个传感器网络设备，能实现短距离提供电力。无线充电是随着微电子及云计算技术应运而生的无线充电传输技术。无线充电传输技术体系结构突出了开放性以及可编程性，运用数字化虚拟传输处理，通过A/D和D/A变换，减少硬件电路单一缺陷，实现了只需要天线信号就能滤波放大后由A/D产生采样增压指令，并被核心计算机模块接收，提供稳定转换速率、工作带宽、动态范围，满足无线充电设备增压、传输的要求，这种感应耦合预处理技术就是无线充电电能传输技术。无线感应耦合电能传输充电技术具有一些很实用的优点与应用领域，比如可以解决电子设备充电接口不兼容的状况，很多传感器也需要无线充电，还有就是应用于植入性医疗器件、市政交通管理设备。在沙漠、深山、探井等人力不能到达的地域以及高危险领域，同样需要无线充电技术。

1 设计需求分析

1.1 设计理念

基于无线充电特点和技术需求的认识，在系统的实现技术上，必须尽量采用先进实用的主流技术并结合现有的设备及线路条件。为此，确定采用以下设计路线:依据无线网络通道，采用感应耦合交换技术，实现电能无线网络传输;本文设计中采用电路仿真模型，进行面向无线充电对象的设计。

1.1.1 硬件环境

硬件环境指的是承载整个系统的基础设施物理环境，包括各类主机服务器、接收设备、感应设备、充电模块、交换设备以及线路、UPS等。

1.1.2 系统平台

无线充电系统平台是一个复合体，既有基础服务构成层体系(包括操作系统、各类中间件)，又有软件应用平台体系(包含各类应用共用无线服务软件)，还包括感应充电接收体系以及耦合电能传输运行体系。

1.1.3 系统支撑层

系统支撑层是多层架构的，它将组件技术和电能传输技术整合一体。本系统支撑层包括无线传输系统、感应系统、感应充电耦合系统、电能传输接收系统和调试监控系统等。

1.2 主要技术路线以及技术因素考虑

1.2.1 感应传输技术

通过无线网络计算机中的若干关键点发送信息并对电器进行充电，并依靠无线感应电能耦合传输技术的软件和硬件整合来实现远程无线充电的过程。无线感应电能耦合传输技术一般依靠无线网络技术，通常将主机、无线网络、代理服务器、服务电路进行构建。传输中原始网络包是数据源的关键，利用主控电路和程序在混杂模式下实时监测网络适配器，并对网络的关键数据流进行处理、打包、分析。一旦需要充电行为，响应模块就提供多种选项通知、报警，并对指令采取必要的响应措施。

1.2.2 充电的工作原理

无线电力传输射频技术(RFID)有多种无线传输技术，例如共振耦合和电感耦合，图1所示为与微波MPT、RFID模块构建无线充电系统UPS。

图1 互感原理图

图中L1为无线充电系统UPS线圈电感，L2为无线充电系统UPS对应边线圈电感，R1为电阻，R2为对应边电阻，M为电流互感。假设线圈间的耦合系数为k，R1与L1的合阻抗为Z1，R2与L2的合阻抗为Z2，Lm的阻抗为Zm，则有

无线传能的传输效率可表示为

式中:ULIL是电路电压、电流;UPIP是电源电压、电流。由于无线充电UPS线圈间隙耦合的k值偏小，因此通过式(4)可知无线充电系统UPS传输效率不高。

1.2.3 无线感应耦合电能传输技术优点

1)成本较低:无线充电系统NIDS设置在远程网络中，可以是一个节点，也可以是多个关键节点。由于无须在每台电器上都安装NIDS，实现和管理成本较低。

2)实时充电及响应［2］:NIDS充电可以随时发现应对访问或者反馈，并能迅速做出响应措施，具有较强的实时性。这种实时性使得可以根据预先定义的参数迅速采取相应的行动，从而将电能传输造成的损失减至最低。

3)电压倍增:无线能量的一个主要障碍是把收获到的相对低功率无线射频(RF)能量增强到足够高的直流电压为实际使用。于是使用几个电压倍增器串联，以提高无线能量收集电路的直流输出电压的拓扑［3］。为了保证电路有足够的电压和功率，在实际应用中，通过串接EHU大电容来实现。

2 无线充电系统功能仿真设计

2.1 系统的功能设计

2.1.1 无线网络模块

无线网络模块主要是微波功率接收与指令系统使用(图2所示)。

图2 微波功率接收系统图

这个微波接收系统包括整流电路、DC－DC转换器、恒定直流电源3部分。电源存储器由一个电容建立，如果微波功率不足以推动ZigBee设备，电容可以取代二次电池。二次电池，可以提供稳定的电力，但它比电容寿命短。在这项研究中使用的ZigBee设备套件是由NEC生产的ZB24FM－Z套件(其中含有温度传感器)。ZigBee网络由控制节点(ZED)、通信基站(ZC)和控制终端(ZR)三部分组成。

2.1.2 电源模块

目前，运用无线网络远程控制的感应耦合电路一直是电源设计的关注热点［4］。作为电源设计中常用的单片机，常常利用可控硅器件控制电压电流大小，有时电源还能感应耦合电路自动开闭。感应耦合电路方案利用单稳态晶闸管可控硅器件控制电路，以达到感应耦合电路传输的目的(图3所示)。

图3 电流测量方案(CX为可控硅器件，TX为定时装置)

2.2 电路的设计

2.2.1 感应控制电路

根据RC感应耦合规律，利用可控硅器件构成如图4所示的电源制电路。

图4 电路示意图

图4中，因为反相器输出的电平幅度是独立的，为保证传输系统导通，电路设计了VD1;为了保证感应电路传输的平稳性，令UI为高电平，且电路增加了VD2。这样，无论电平高低，晶体管V都会由导通变成截止，这样保证CX可控硅器件充电，导致Uc上升。如果Uc＞UR，那么电器呈现为低电平。同样，如果CX放电，导致Uc逐渐下降，只要Uc＞UR，电器必然呈现为高电平。根据推导可得出

若取UR=(VCC+VCES)/2，则得TX=RCXln2。

另外，根据电路传输控制，还可以对电路传输控制进行优化。如果CX改变脉冲宽度，让TX与CX成正比，那么，TX因无线电路系统的饱和压而降低VCES，很自然进行数据锁存。

3 无线感应耦合电能传输系统的仿真

3.1 函数量变模型

假设将Vcc=5 V，R=100 Ω 代入式(5)，则 －icx＞βIB－50，β是感应耦合传输系统的电流放大系数，IB是感应耦合传输系统的2位显示电流，它与Rb的函数关系为

式中:1.4 V为正向压降和系数。

这里，由于无线充电变化，Uc的最大值是5 V，放电结束时Uc的最小值是0，方波振荡周期为0.5 s。当无线充电系统反相器电压UI变化成高电平时，晶体管由于截止导致CX充电，整个电路Uc上升。只要Uc＞VREF，那么电路电压是低电平［5］。同样，如果CX放电，只要Uc＜VREF，电压必然是高电平。

3.2 无线充电系统的仿真测试

假设无线充电电路UI为低电平，那么CX放电，晶体管导通。一旦CX左右两边电压Uc＞VCES，CX中的电流为

如果R=100 Ω，Vcc=5 V，那么 －icx＞βIB－50(mA)(β是电流系数，IB是基极电流)。这样可以得到与Rb函数关系与式(6)相同。

如果继续将Vcc=5 V进行无线充电优化，和式(7)结合成方程组，得到

可以得到无线充电电路仿真波形如图5所示。

图5 充放电电路及其模拟结果

从图5b可看到模拟结果十分符合充放电的相关规律，电平的变化和为无线传输的质量是相吻合的。

4 总结

无线充电是随着微电子及云计算技术应运而生的无线充电传输技术，开发具有现实挑战性。在科技和技术日益发展的今天，开放性和可编程性无线充电技术会发展的更好，相信有一天感应耦合电能传输会成为人们生活的好帮手。

［1］黄洁琳，章磊.无线充电的设计［J］.山西电子技术，2009(3):30.

［2］肖志坚，韩震宇，李绍卓.关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究［J］.自动化技术与应用，2007(12):114－116.

［3］池雪莲.交直流自动切换无线传能充电器的设计［J］.山东师范大学学报:自然科学版，2010，25(S2):35－37.

［4］倪兰.无线充电技术国际标准发布 市场风险致主流厂商态度未明［J］.通信世界，2010(33):4.

［5］杨小牛，楼才义，徐建良.无线充电原理与应用［M］.北京:电子工业出版社，2011.