基于相位自适应的双线圈无线能量传输系统设计*

曹志强，李光平，汪 洋

(广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006)

0 引 言

磁共振耦合(magnetic resonant coupling,MRC)无线能量传输系统由于能够突破一定距离的限制及其可接受的功率效率,近年来引起了学术界和工业界的研究兴趣。麻省理工学院的Soljacic团队于2007年提出了通过两个谐振线圈传输电能的方案[1]。对于单发射线圈和接收线圈的无线能量传输系统，随距离的改变或者角度的变化，接收线圈在发射线圈上等效的反射阻抗会急剧变化造成阻抗失配，大部分的能量被反射。只有在二者具有较合适的尺寸比例且接收线圈的位置固定，并与发射线圈保持合适的距离和角度，系统才能达到较高的传输效率[2]，针对此问题一般有效的解决方案是频率追踪和阻抗匹配[3]。实际应用中，接收设备如消费电子类产品并非固定在某个位置，且不能完全对齐发射设备。增加发射线圈的数量可以有效解决此类问题，但是接收线圈往往只能与其中某一个或者两个线圈具有较好的耦合度，因此，系统的整体效率普遍不高。

在多线圈无线能量传输系统研究中，Jadidian J和Katabi D提出了借鉴多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)无线通信系统中的波束成形(beamforming)技术对发射线圈的磁场进行赋形，可以使电子设备在一定距离内获得充电[4]，但系统实现的复杂度较高且对开关功放的要求比较苛刻[5]。Shi X Y和Smith J R提出了一种平面线圈阵列选择中继的方法提高系统的灵活度和传输距离[6],但其提出的模型只可以在某些特定的场景下高效运行，局限性相对较高。Waters B H和Mahoney B J提出了相位阵列技术实现系统的高效传输，但并未在高功率条件下进行测试[7]。Lee S B和Jang I G在接收线圈的印刷电路板(printed circuit board,PCB)布线上提出了一种优化的方案提高多发射线圈系统的传输效率，但PCB布线的方案难以在实际应用的情况下广泛使用[8]。

本文系统主要借鉴了无线通信系统的相位阵列技术对多个发射线圈的相位进行调整，调整后的系统可以将更多的能量聚集在与接收线圈耦合程度较高的发射线圈上，同时抑制了其他耦合程度不高的线圈上的能量大小。设计的两组自动切换阻抗匹配网络保证了系统安全高效的运行。搭建的双发射线圈系统在高功率条件下成功运行并验证了通过相位控制算法提高了系统的传输效率。

1 双线圈系统理论分析

在无线通信系统中对发射天线阵列做相位调整会使得电磁波信号在远场上有效叠加。磁共振耦合系统中的多发射线圈则利用了线圈在近场上的磁耦合互感，改变两个线圈电流的相位可以将能量更多的聚集到某个线圈上。同时由于相位的改变也使得回路的反射阻抗大小发生变化，改变相位可以更好的匹配阻抗使得功放的效率最大化。

1.1 模型分析

双线圈无线能量传输系统模型如图1所示。发射端包括两个独立串联的电感电容电阻(inductance,capacitance,resistance,LCR)谐振电路，接收端包括单个串联的LCR谐振电路。电阻器R1和R2分别为发射线圈的内阻，RL为接收端的负载电阻器，模型中的三个线圈两两互感。

图1 模型示意

VS1=IS1R1+jωM12IS2-jωM1IL

(1)

VS2=IS2R2+jωM12IS1-jωM2IL

(2)

接收端的电路方程为

(3)

式(1)～式(3)联合求解可以得到

(4)

发射线圈电流的增大可以增加流过接收线圈的磁通量，从而获得更大的接收能量。通过式(4)可以看到，在几个线圈的互相耦合系数M不变的情况下，流过线圈的电流不仅和本身源端电压有关，也和另一个回路的电流有关，而电流包含了幅度及其相位。两个激励源的相对相位的改变会使得发射线圈的等效阻抗大小产生变化，电流大小的理论计算值在相对相位为90°和-90°时达到极值，不过在实际环境中，只有阻抗大小和激励源匹配得越好，功放才能得到更好的输出效率。因此，通过改变流过两个线圈电流的相位差，可以将某个特定线圈更好地匹配到需要的阻抗上。从而提高整个系统的效率。随着接收线圈的位置改变，式(4)中的耦合系数M会随之改变，因此，需要相位也要相应地调整。系统的相位自适应算法可以根据耦合系数M的改变而实时改变相位值使得系统保持高效率运行。

2 系统设计

2.1 发射结构

图2为发射端的结构，本文系统以磁共振的方式进行无线能量传输，首先，信号源产生频率6.78 MHz的正弦波信号，信号经过功率放大器(power amplifier,PA)放大后，再通过定向耦合器接入阻抗匹配网络来驱动电感电容(LC)谐振线圈。接收部分将LC串联谐振接收到的交流信号经过整流滤波稳压为负载进行供电。另一方面，系统通过检测定向耦合器的隔离端和耦合端两路信号的增益和相位差，利用两路信号的增益和相位差即可计算出负载线圈对功放的反射系数，由反射系数即可直接计算出负载线圈的阻抗值。通过阻抗值大小即可以判断出接收线圈与哪个发射线圈有着更好的耦合，从而做出调整，实现信号高效的能量传输。

图2 发射端结构

2.2 检测电路

输入阻抗检测电路包括定向耦合器、20 dB衰减器、AD8302幅相检测芯片和单片机(micro controller unit,MCU)控制器，其电路模型如图3所示。

图3 阻抗检测电路

定向耦合器有输入端、直通端、耦合端和隔离端。输入端接功率放大器，输出端接LC谐振线圈，耦合端和隔离端分别经20 dB衰减器接AD8302幅相检测芯片两个输入端口。增益和相位差的输出引脚分别连接于MCU，当检测芯片接收到定向耦合器的耦合端和隔离端的电信号后，将增益和相位差转换为0～1.8 V之间的电压值，MCU根据电压值计算增益和相位差从而获得输入阻抗值[10]。

2.3 阻抗匹配电路

利用电磁层析成像技术可以分析发射线圈在不同匝数，直径下的阻抗特性，调整设计使其更加匹配于前级的功率放大器[11]。但是当接收线圈与发射线圈的距离改变时，发射端的反射阻抗变化的范围可以从几欧姆到几百欧姆，这与商用功率放大器的输出阻抗50 Ω是极其不匹配的，因此,需要额外的阻抗匹配电路来保证功率放大器安全稳定的工作[12]。

L型阻抗匹配网络通过单个电感器和电容器可完成阻抗转换的简单网络，根据需要匹配的阻抗大小与特征阻抗Z0的大小关系可以分为L型和反L型网络。当需要匹配的阻抗大于Z0时选择L型网络，当需要匹配的阻抗小于Z0时选择反L型网络。系统所用阻抗匹配电路结构如图4所示。

图4 自动阻抗匹配电路结构

其中,开关K1用来控制阻抗匹配两种结构，当AD8302采集信息计算的反射阻抗小于50 Ω时，K1与A端口连接，此时的结构为反L型结构。当反射阻抗大于50 Ω时，K1与B端口连接，此时结构为L型结构。

开关阵列A1～An控制串联电容值的大小，可以通过继电器的关断选择单个容值或多个电容器的并联值。开关阵列D1～Dm用于控制并联电容值。开关阵列H1～H3用于选择电感值的大小，通过以上3组开关的组合即可完成阻抗匹配网络的动态切换，保证功放运行在安全的驻波比条件下。

2.4 控制电路

控制电路中，当检测到阻抗值发生较大改变时，启动控制流程。MCU通过串口通信的方式控制数字显示示波器(digital display scope,DDS)信号源的两路输出信号的相位差进行一个周期的扫描，AD8302检测电路对定向耦合器的信号进行采集和计算，将各个相位差下对应的驻波比进行排序，将驻波比最小时刻的相位差找出并调整两路信号的相位差即可以使其达到最好的匹配效果，提高系统的效率。该相位自适应调整流程如图5所示。

图5 自适应控制流程

3 试验与分析

为了验证理论的正确性，设计了一台最大功率28W的相位自适应无线能量传输装置。主电路发射部分信号源为AD9959 DDS信号源，频率设定为6.78 MHz，信号功率为0 dBm，相位可由0°～359°任意调整。MCU型号为开源硬件Arduino Uno[13]。功率放大器使用基于金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor,MOS)管IRF530制作的线性放大器，工作电压为12 V，输出阻抗为50 Ω,增益为39 dB，最大额定输出功率约为39 dBm(8W)。控制电路中检测部分使用的定向耦合器采用了变压器模式的耦合，其耦合度为25 dB，方向性为35 dB。幅相检测器为ADI公司的AD8302芯片，其输入信号的功率范围为-60～0 dBm,因此，耦合器的输出信号需要经过2个20 dB的衰减器对信号的功率进行衰减后才能与芯片进行连接。阻抗匹配网络部分使用了74HC573锁存器确定继电器开关的控制信号，ULN2003芯片用于驱动继电器的开关，继电器型号为JZC—32F。

系统使用的发射线圈为Nucurrent公司基于6.78 MHz所研发的PCB电感线圈，尺寸大小为22 cm×16.8 cm，其等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)值为3.5 Ω，电感量大小8 μH，Q值为110，搭配的电容器使其准确地在6.78 MHz频率下达到谐振。接收线圈的尺寸为7 cm×5 cm，电感量为2.9 μH，ESR为2.5 Ω，搭配的谐振电容值为190 pF，接收的能量由肖特基二极管SS14整流可以最大程度减少损耗，后级的DC—DC模块可以将输出电压稳定在5 V为负载供电。接收电路以及装置运行如图6所示。

图6 接收电路和装置运行

图7为固定垂直距离10 cm时在不同位置下接收能量对比。图8为固定在位置1时不同垂直距离下系统的运行效果对比。

图7 不同位置下接收能量对比

图8 位置1时不同距离下的效率对比

4 结束语

通过对无线能量传输系统中的多发射线圈单接收线圈模型进行分析、讨论,设计了相位自适应系统，给出了系统的设计方法和控制流程。实验证明：所设计的基于相位自适应的双线圈无线能量传输系统可以有效提高双发射线圈系统的传输效率，具有一定的科研和应用价值。

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