基于MSP430单片机的小型无线电能传输系统设计

唐曼玲　刘越　张欢

摘 要 本设计 以TI公司的超低功耗MCU MSP430处理器为核心，设计并制作一个磁耦合谐振式小型无线电能传输装置。把输入的15V直流经过DC—AC转换，为发射线圈提供交流电，接收线圈通过磁耦合的方式将交变磁场变换为交变电流，经整流、滤波后为接收端负载提供电能。

【关键词】无线电能传输；MSP430；射频功率放大MSP430 磁耦合 无线电能传输

随着科技迅猛发展，人们越来越关注无线电能传输技术。传统供电方式存在输电线容易老化、漏电及在高温高压环境下出现过热烧坏或爆炸等，这给人们未来的生活带来了隐藏的安全问题。而在一些特殊场合，无线电能传输技术具有安全、可靠和便捷的优点，有传统电缆不及的优势。无线电能传输技术也逐渐在交通运输、便携式电子产品、医疗器械、航空航天、水下探测等领域崭露头角。因此，无线电能传输技术是未来研究热点之一。

本文介绍的小型无线电能传输系统是基于MSP430单片机作为主控器，通过高频逆变电路，磁耦合谐振线圈和交直流转换电路，最终为末端负载提供电能。

1 总体设计

本设计是以家用小型电子设备为应用对象，以居家使用为背景，故本装置的发射线圈与接收线圈间距离x =10cm。小型无线电能传输系统框图如图1所示，由发射端驱动电路、耦合线圈、接收端电能转换电路组成。驱动电路的前端的输入电压U1=15V，输入直流电流I1不大于1A；接收电路负载电压U2为稳定DC5V，负载电流I2最大为1A，最后点亮接收端负载为2只1W的串联LED灯。

发射端中由控制电路、发射电路、信息显示模块组成。接收端由接收电路、电能转换电路、稳压电路、信息显示模块组成。本系统采用射频电路，发射端的无线电波的幅度为9-12V，频率为1MHz以上。作为小型电子设备充电使用，发射的无线电波要达到的频率至少要上1MHz。考虑到9V-12V是一个安全电压，既能保证工作，又能不产生危害，所以幅度要在9V到12V之间。接收端最后整流出来的直流电要达到5V（稳定）、1A（最大）。

2 系统硬件设计

2.1 发射端驱动电路设计

小型无线电能传输系统发射端驱动电路如图2所示，主要有信号源电路，将直流信号逆变为正弦波的电路。驱动电路，使线圈发射时，发射的无线电波保持在设计的频率和幅度。

发射端电路需要产生高频交流电，交流电再经由发射线圈发送给接收线圈，为接收端提供能量。本设计采用MOSFET半桥式驱动电路，需要实现对上桥的驱动，其电路简单，所用元器件少，交流幅值是输入的1/2，直流侧需两电容串联，输入相同大小的电压、电流，输出的功率相对更小，适用于小功率逆变电路。

2.2 接收端电能变换电路设计

小型无线电能传输系统接收端电路如图3所示，接收端电路主要由整流电路、滤波电路、稳压电路等构成。

此电路需要用直流电点亮小灯，接收线圈中的交流电经过整流、滤波和稳压，最后得到直流电。采用全桥整流电路，其特性是由4只整流二极管按全波整流的方式连接起来，在一个周期内对信号的处理AC-DC输出经过两个二极管得到正弦波的正极部分，再经过另外两个二极管反接得到正弦波的正极部分，输出直流电压。本设计采用TI公司的DB107集成整流芯片构成整流电路。DB107集成整流芯片是一种高速整流芯片，其响应速度快且功耗较低。

2.3 耦合线圈设计

耦合线圈的磁场强度是由电流通过线圈引起的。因此，磁场强度H可由安匝数来定义：

H= （1）

式中，N是线圈的匝数；I是电流，其单位是A；mL是磁路的平均长度，以cm为单位。

线圈的磁场结构类似于单层环形线圈，要保证磁路是均匀和闭合的，减少空气中的漏磁通量。要达到较高的传输效率，最基本的就是使发送线圈和接收线圈大小形状相同。本设计采用型号0.45mm漆包铜线缠绕线圈，使其直径约20cm同心圆、匝数在23圈左右，但线圈中心空露，线圈每一匝要更紧密，需要接受线圈与发射线圈匝数相同。耦合线圈如图4，线圈为空心线圈，线圈外径为20±2cm。

2.4 显示模块设计

通过显示模块可以直观地查看电路的电流、电压和功率变化。本设计采用INA194专用电流监测器和字符式LCD显示。INA194在5V供电时共模输入电压范围高达80V，可以避免在调试过程中因输出电压生高而烧坏芯片。此芯片的瞬态响应快，特别适合快速检测。LCD显示模块可以用英文显示较为清晰的提示和数字，基本可以满足显示要求。显示模块测试电路的电流、电压和功率，方便观察电路变化。

3 软件设计

通过单片机程序给驱动电路高频PWM波，驱动发射电路发射高频信号给接收端。MSP430使用8MHZ外接晶振与XT2输入口相连构成高频振荡器，可使用MSP430单片机可以给驱动电路输入任意频率的PWM波，方便测试和提高效率。

4 总结

本设计是基于MSP430单片机控制的小型无线电能传输装置，其涵盖了主流单片机控制，磁耦合，高频逆变，交直流转换等技术，最终可以点亮接收端小灯，具有功耗低，效率高等特点。无线电能传输技术在理论和应用中有很多的创新点，在近几年渐渐受到人们的关注，吸引了越来越多的研究者。它具有安全、方便、无摩擦的优点，会慢慢成为未来的关注热点。

参考文献

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作者单位

西南科技大学信息工程学院 四川省绵阳市 621010