一种无线电能传输系统的设计

2013-08-29

大众科技 2013年3期

（电子科技大学电子工程学院，四川成都 611731）

1 引言

无线供电的设想最早由交流电之父特斯拉在一百多年前就已经由此构想了。在那以后，人类对无线供电技术的研究一直在继续。无线充电可以解决很多问题：第一，它可以改变目前电子产品充电接口不兼容的情况，让用户不再需要携带一大堆充电器和电线，只要将代充电的设备置于发射器附近，就可以充电了。第二，目前很多传感器需要无线充电，比如埋在墙里的传感器，把它拿出来充电是不太可能的，还有一些远程的监控用途的传感器，一样地需要无线充电技术。第三，就是目前广泛应用的植入性医疗器件，如心脏起搏器，每隔七八年病人就需要做手术来更换电池。如果可以对起搏器进行无线充电，就不需要做危险的手术了。

最重要的是，从宏观上看，如今人类对电能的热爱非常强烈，消耗越来越大，乱如麻的电线和污染环境的电池，带来更多的困挠，无线电能传输技术是解决这些问题很好的途径。

2 系统实现方案

无线电能传输技术目前可通过三种方式实现：电磁感应式（利用电流通过线圈产生磁场实现近程无线供电）、磁场共振式（利用磁耦合共振效应近程无线供电）、电波辐射式（电力转换成电波以辐射传输供电）。

2.1 系统实现方案

结合设计条件、成本、安全等多方面因素考虑，采取线圈电磁感应的方法设计该无线电能充电器。设计框图如图2-1所示：

图2-1 系统框图

如图2-1所示，本系统主要由发射模块和接收模块组成。发射模块中信号发生电路产生占空比可调的方波，经驱动电路提高其驱动能力后为功放电路提供激励信号，再通过发射线圈把能量发射出去。接收电路主要有接收线圈，整流滤波电路以及发光二极管模拟的负载组成。

2.2 发射单元硬件电路设计

发射单元硬件电路设计主要分为振荡信号电路设计，功放电路设计和驱动电路设计三个部分。

在振荡信号电路设计部分，采用NE555构成频率可调的多谐振荡器。555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。NE555可稳定输出1MHz以下的方波，并且占空比可调，电路调试容易，成本较低。

图2-2 NE555构成频率和调的多谐振荡器

在功放电路设计部分，由于放大后的振荡输出是用于能量功率，而不是信号，波形失真并不重要，不但要有足够的振幅，电路还要简单。这里选用功率场效应管电路（图2-3）。这两种电路仅一级功放就有一定的输出。

图2-3 功率场效应管电路

经比较和筛选，及考虑成本因素，最终选用了IRF640，作为功放MOS器件。

如果仅仅以NE555输出的方波驱动后级功放电路会由于驱动能力不足使场管不导通，所以需要加一级驱动电路。本系统采用专用高低端驱动芯片 IR2181构成后级功放驱动电路。结合本系统功放电路，需采用低端驱动，驱动电路图如图2-4所示。

图2-4 IR2181驱动电路图

综合以上 2-2、2-3、2-4，本无线电能传输系统发射端电路图如图2-5所示。

图-52 发射部分电路图

由NE555构成多谐振荡器，产生频率为400KHz，占空比为60%的方波信号，经过MOS管专用驱动芯片IR2181后驱动功率管IRF640，通过MOS管的开关作用，将+12V直流信号转化为交流信号，再通过LC谐振网络将能量发射出去。

2.3 接收单元硬件电路设计

接收电路相对比较简单。它只需将接收线圈感应到的能量进行转换。因为充电时需要直流；因此需要将能量转换成直流电，所以只需在后级加上整流滤波电路即可。在本设计中，负载用四个额定功率为1W的LED代替。接收电路如图2-6所示：

图2-6 接收部分电路图

LC采用并联补偿结构，补偿电容C5选用330pF的聚苯电容，这种电容耐压高，容值稳定。因为系统工作在 400K左右的频率上，最大电流可达 500mA，所以对整流二极管的要求是，快恢复，较高的电流上限综合考虑，选择 1N5819最为合适。C6的作用微调接收端LC的谐振频率，使其与发射端频率尽量相同，提高系统传输效率。