WPT中高效E类功率放大器的研究

蒋 鹏，杨 平



WPT中高效E类功率放大器的研究

蒋 鹏，杨 平

（电子科技大学 机械电子工程学院，四川 成都 611731）

作为无线电能传输(WPT)系统的核心部件之一， E类功率放大器的理论效率可达100%，具有很好的研究前景。本文对E类功率放大器进行理论分析与设计建模，运用电磁仿真软件ADS进行仿真，通过源牵引和负载牵引进行最佳阻抗匹配以优化效率，基于仿真结果进行了硬件电路设计制作。结果表明，设计制作的E类功放在27~29 MHz输出的最大功率附加效率(PAE)为91.3%，同时获得17.5 dB的功率增益，验证了设计的正确性与可行性。

无线电能传输；效率；E类功率放大器；电磁仿真；阻抗匹配；功率增益

作为主要的无线电能传输技术（Wireless Power Transmission，WPT），电磁感应式和磁耦合谐振式无线供电已在小型化供电、智慧家居、医疗和电动汽车等领域得到日趋广泛的应用，因此无线电能传输具有很好的研究前景，其在手机和平板电脑这类移动设备领域的研发十分活跃[1]。2007年6月，麻省理工学院Marin Soljacic的研究团队采用直径60 cm的线圈成功点亮了两米外60 W的灯泡，传输效率达到40%[2]，引起了业界关注，但因传输效率略低，所以如何提高WPT的效率成了国内外热门研究课题[3]。WPT的效率由功率放大器的效率和谐振线圈的效率两部分组成。因此设计一款高效率的功率放大器对整个WPT系统来说至关重要。

目前国内外研究功率放大器的频段大多在GHz，很少有研究机构针对WPT中功率放大器在几十MHz到几百MHz做出高效率的研究突破。功放在GHz频段通常采用微带线作匹配，此时元器件的寄生参数对系统的影响微弱，而在几十MHz到几百MHz频段，功放通常采用LC匹配，元器件的寄生参数在此频段对系统的影响特别明显，如何考量元器件寄生参数对系统的影响是设计功放的难点之一。E类功率放大器具有结构简单、易调试的特点[4]，在理论上其效率达到了100%，广泛用于WPT系统，因此国内外研究机构对其进行了大量的研究。文献[5]研究的E类功放频段在1.4~2.7 GHz，获得了68%的功率附加效率（Power Added Efficiency，PAE），很明显此文献在效率方面略显偏低。同时文献[6]研究的E类功放频段在7.5~9.5 MHz，其PAE为93%，此E类功放的PAE达到了目前研究的高水平阶段。但是文献[6]研究的E类功放工作频段偏低，元器件的寄生参数对整个系统的影响不明显，对电路的设计与调试相对容易。

鉴于目前国内外研究机构对E类功率放大器在数十MHz频段的研究和文献资料较少的状况，本文设计了一种27~29 MHz高效率E类功率放大器，此频段元器件的寄生参数明显，通过采用高品质因数的元器件以降低其寄生参数对系统的影响，同时采用了源牵引和负载牵引确定其最佳阻抗匹配，优化其效率的同时抑制了谐波的输出，进而提高整个无线电能传输的效率。

1 经典E类功放结构及原理

E类功率放大器结构是由Sokal于1975年提出来的[7]，理想的E类功放需要具备如下条件[8]：

（1）晶体管等效为理想开关管，导通阻抗为零，且开关的上升下降时间为零；

（2）所有的无源器件都是理想器件，没有损耗；

（3）基波谐振网络品质因数无穷大，只允许基波成分通过；

（4）扼流圈电感只允许直流信号通过，交流信号完全阻挡。

但是实际中的E类功率放大器难以达到以上条件，所以实验测得效率通常低于理想状态下的效率，为了实现高效率需要对其硬件电路进行多次调试。

E类功率放大器经典电路结构如图1所示，主要包含了输入匹配、开关晶体管、输出匹配和负载等[8]，其中C1是并联电容，C2与L2是串联谐振电路，R是负载。

图1 E类功率放大器经典电路结构

理想工作状态下的E类功率放大器各电量波形如图2所示，此图表明了E类功率放大器在理论上效率可达100%[9]。开关管控制漏极电压和漏极电流不在同一时间存在，即在一个周期内，正弦信号l不断输入，在0~/2内gs打开开关晶体管的栅极，使得开关晶体管开路，不存在漏极电压，漏极电流较大；在/2~内，gs关闭开关晶体管的栅极，使得开关管断路，不存在漏极电流，漏极电压较大。简而言之，E类功率放大器是指开关晶体管轮流经历导通与截止状态的一种功率放大器[7]。这样漏极电流和漏极电压不会同时出现，理论上开关晶体管不会消耗功率，从而使得输出效率达到100%[10]，但实际上开关晶体管会有开关损耗[11]，输入与输出阻抗难以达成完全匹配[12]，存在功率损耗，致使实际效率有所降低。综上所述，旨在降低开关损耗对开关晶体管传输效率的影响，设计E类功率放大器电路时对开关晶体管的开关性能要求较高，输入栅极的高频信号需要较大的峰-峰值以提高输出效率。

图2 理想工作状态下的E类放大器各电量波形

2 E类功率放大器参数设计

本文设计的高效率E类功率放大器，工作频段设定为27~29 MHz，中心频率为28.15 MHz，该E类功率放大器的设计指标如表1所示，此指标能够实现短距离、小功率的固定端负载的无线电能传输，且在保持文献[6]的输出功率和高效率的同时，提高了本E类功率放大器的工作频率。

表1 E类功率放大器的设计指标

Tab.1 Performance index of class E amplifier

综合各方面的考虑，选择飞思卡尔的芯片MRF6V2300作为本次设计的开关晶体管芯片。该芯片是一款N沟道增强型横向的MOSFET管[6]，其输出功率可以达到300 W，耐高压[13]，其击穿电压是110 V，阈值电压是2 V，工作频率可以达到600 MHz。通过ADS(Advanced Design System)直流仿真可以得出开关晶体管芯片的栅极电压，其栅极直流偏置点仿真原理图如图3所示。

图3 栅极直流偏置点仿真原理图

栅极直流偏置点仿真结果如图4所示。

图4 栅极直流偏置点仿真结果

通过栅极直流偏置点仿真得出开关晶体管栅极直流偏置点电压为2 V。

本文设计的E类功率放大器的参数是根据经典E类功放公式[8]得出，其经典E类参数设计公式如表2所示。

表2 经典E类参数设计公式

Tab.2 The design formula of classical class E parameters

在本文设计的E类功率放大器中，设定其输出功率0为40 W，品质因数L为5；漏极输入电压dc为20 V，当中心频率0为28.15 MHz时得出E类功率放大器设计参数如表3所示。

表3 E类功率放大器设计参数

Tab.3 The design parameters of class E power amplifier

3 E类功放的ADS分析及优化

基于E类功率放大器的经典电路结构，本文构建了E类功率放大器的原理图并进行优化。其中偏置电路和匹配电路是决定功率放大器输出效率和输出功率的最重要的环节，其设计是本文设计的难点。当工作在中心频率28.15 MHz时，芯片的输入阻抗source=10.5+j19.0，负载阻抗load=3.50+j0.19。利用ADS中的史密斯圆图将芯片的负载阻抗与线圈阻抗进行共轭匹配使其输出功率最大，同时基于谐振线圈的谐振频段采用集总参数元件进行LC匹配[14]，此匹配方式同时还抑制了谐波的输出，匹配结果及E类功放优化后的设计电路图如图5所示。

其中C1，C2，C3，C4是旁路电容，其作用是滤除电源杂波，使电源稳定，同时使信号源泄漏的部分高频交流信号接地使之不影响直流电源[15]；L1，L2，L3同样用来滤除电源杂波，并且同时阻挡高频信号源流向偏置电路影响电源；源端匹配由L4，C5，R组成，其中R用来进行源端匹配，同时基于ADS仿真结果，选用10Ω的电阻，可以使得电路稳定性>1；C5同时作为隔直电容，阻挡直流信号进入系统；C8，L5，C6是E类功率放大器的基本功能性元件；C7，L6是负载匹配元件，保障E类功率放大器的输出稳定。本文设计的E类功率放大器存在一个元器件同时起多个作用的设计理念，进而减少了元器件的使用数量，使得电路简单。

图5 LC匹配结果及E类功放优化后的设计电路图

4 实测结果与分析

基于电路原理图及ADS仿真设计，制作出一款高效率的E类功率放大器，可用于非辐射谐振耦合式无线电能传输系统，E类功率放大器硬件电路如图6所示。

图6 E类功率放大器硬件电路

采用信号发生器生成28.15 MHz高频正弦信号，通过E类功率放大器传输至无线电能传输谐振线圈，在E类功率放大器输出端采样得出E类功率放大器输出波形图如图7所示。由图7可以看出，输出波形为正弦波信号，其峰-峰值为113 V，在没有明显失真的基础上达到了设计的17 dB的增益放大要求。

图7 E类功率放大器输出波形图

基于无线电能传输系统线圈的谐振频段，输入高频交流信号频率为28.15 MHz，通过本文设计的E类功率放大器可以将输入26 dBm信号放大到43.12 dBm的高频交流信号。在输入信号27~29 MHz的频率段之间功率附加效率均达到77%，且达到最大的功率附加效率为93.1%。实验得出E类功率放大器功率附加效率如图8，与E类功率放大器输出功率如图9所示。

图8 E类功率放大器功率附加效率

图9 E类功率放大器输出功率

5 结论

本文设计并制作了一款适用于非辐射谐振耦合式无线电能传输系统的高效率、高频率的E类功率放大器。通过运用ADS对电路的设计与仿真，考虑了元器件的寄生参数对系统的影响，最终得出的实验结果满足了本文的设计指标。在实验中采用输入功率为26 dBm的高频交流输入信号作为信号源，当E类功率放大器工作频段在27~29 MHz时输出最大功率为43.5 dBm的信号，PAE达到了91.3%。

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（编辑：陈渝生）

A high-efficiency class-E power amplifier for WPT

JIANG Peng, YANG Ping

(School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

Class E power amplifier is one of the core components of the wireless power transmission (WPT) system, whose theoretical efficiency can reach 100%, so it has a good study prospect. This paper mainly conducted the theoretical analysis, design and modeling of class E power amplifier and simulation used electromagnetic simulation software ADS, meanwhile the best impedance matching by the way of source and load traction. Results show that the max power added efficiency(PAE) and power gain are 91.3% and 17.5 dB respectively between 27 MHz and 29 MHz, which proves the correctness and feasibility of the design.

wireless power transmission; efficiency; class E power amplifier; electromagnetic simulation; impedance matching; power gain

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.08.016

TN722.1

A

1001-2028（2017）08-0088-05

2017-07-04

蒋鹏

国家自然科学基金青年基金项目（No. 51205045）

杨平（1963–），男，四川成都人，教授，主要从事机械电子工程等的科研和教学工作，E-mail: 409193920@qq.com；蒋鹏（1990–），男，四川广安人，研究生，主要研究无线电能传输关键技术，E-mail: 409193920@qq.com。

网络出版时间：2017-07-31 11:32

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170731.1132.016.html