電磁感應技術(shù)之無線電傳輸

1、電磁感應技術(shù)之無線電能傳輸學院：自動化工程學院 專業(yè)：電氣工程及其自動化姓名：張建文第1章 無線充電技術(shù)基本概念1.1無線充電技術(shù)的基本原理無線充電技術(shù)( Wireless charg ing tech no logy Wireless charge tech no logy)， 無線充電技術(shù)來源于無線電力輸送技術(shù)，是借助于電磁場或電磁波進行能量傳遞 的一種技術(shù)。初級線圈即發(fā)射線圈與交流電源相連，當通一交流電后，基于電磁感應 原理，發(fā)射線圈與接收線圈之間便會產(chǎn)生會產(chǎn)生變化的磁場，然后變化的磁場在接收線圈內(nèi)產(chǎn)生電動勢，當接收線圈連有負載時，負載便開始工作，此時，便實 現(xiàn)了電能的無線傳遞。1.2電

2、磁感應式充電的基本原理及應用基本原理：在初級線圈通入一定頻率的交流電源， 通過電磁感應原理將會在 次級線圈產(chǎn)生一定的電流，從而實現(xiàn)了將能量從發(fā)射端傳遞到接收端。電磁感應式充電的原理圖如下圖:圖1.1電磁感應式無線充電原理圖第2章硬件系統(tǒng)設(shè)計2.1系統(tǒng)的整體框圖及總體描述整個系統(tǒng)的具體框圖如圖2.1所示，整個系統(tǒng)的硬件電路主要包括電源管理 模塊、高頻振蕩電路模塊、高頻發(fā)射電路模塊、高頻接收電路模塊、整流轉(zhuǎn)換電路模塊和充電電路即負載模塊等。圖2.1結(jié)構(gòu)框圖要實現(xiàn)無線電能的傳輸，只有通過線圈才能將交流信號從發(fā)射單元傳遞到接收單元，且理論證明，頻率越高，傳遞的能量和效率越高。因此，此處通過使用高頻振蕩

3、電路來產(chǎn)生 所需要的高頻信號。但高頻振蕩電路產(chǎn)生的只是起信號作用，無線充電需要傳遞的是能量,所以還需要將信號放大即功率放大。高頻功率放大電路目的就是放大傳遞的功率，此處用的是功率管IRF540。通過IRF540的通斷來切換直流電源的通斷，由此加在發(fā)射線圈的便是有電源模塊產(chǎn)生的高頻信號，即能量來自電源，從而實現(xiàn)了高頻功率的放大。當初級線圈獲得由電磁感應原理則高頻交流信號后，發(fā)射線圈與接收線圈之間便會建立起一個變化的磁場,次級高頻接收線圈將產(chǎn)生同樣的高頻信號。次級線圈獲得的能量及電壓幅值由電源電壓，高頻振蕩頻率，發(fā)射線圈與接收線圈匝數(shù),以及發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離相對位置共同要經(jīng)過整流穩(wěn)壓后才

4、能接到負載來決定的。次級獲得的交流信號是不能直接加到負載上的,上,整流橋必須有快恢復二極管組成，因為傳遞過來的是高頻信號， 普通二極管由于其反向恢復時間過大而不能滿足要求,然后經(jīng)過穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓獲得穩(wěn)定的電壓輸出,后面接入負載，電路方可正常的工作。2.2 高頻振蕩電路模塊2.2.1振蕩器原理在正弦波振蕩電路中，要想能夠產(chǎn)生振蕩，通常需要兩個條件：一是要有正 反饋，通過正反饋信號來取代輸入信號； 二是要有外加的濾波器即選頻網(wǎng)絡(luò)， 通 過選頻網(wǎng)絡(luò)濾出自己所需要的振蕩頻率來。通?？梢詫⒄艺袷庪娐贩纸鉃閳D 3.2所示的方框圖。上面一個方框圖為放大電路，下面一個方框為正反饋網(wǎng)絡(luò)，并且由圖可知反饋極性為

5、正。當輸入量Xi為零時，凈輸入量就等于反饋量。工作時，由于電磁干擾（如合閘通電），電路將產(chǎn)生一個幅值很小的輸入量，這個輸入量一般會含有豐富的正弦信號。而輸入 量會在選頻網(wǎng)絡(luò)的作用下只留下頻率為 fo的正弦信號通過，其他信號則無法通 過，那么輸出信號Xo Xf (Xi ) XoXo圖22正弦波振蕩電路的方框圖雖然是正反饋，但輸出Xo不會無限制增大的。當輸出達到一定幅值時，由 于晶體管本身的非線性特性，正弦波幅值將會變化的越來越小，直到達到某一特 定幅值。因此，Xo不會一直增大的，當Xo增大到某一數(shù)值時，電路便達到了動態(tài)平衡。這時輸出量通過正反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生反饋量作為放大電路的輸入信號，而輸入量又通過

6、放大電路維持著輸出量，寫成表達式為Xo AXf AFXo由上式可知正弦波振蕩的平衡條件為AF 1將其寫成模與相角的形式為AF 1且A F 2n為了保證使輸出量在合閘后上面兩式分別為幅值平衡條件和相位平衡條件。產(chǎn)生一個幅值逐漸變大直至達到穩(wěn)定的正弦信號，電路的起振條件為AF振蕩系統(tǒng)會把除頻率f fo以外的其它輸出量都逐漸衰減為零，因此輸出量為f fo的正弦波。采用有源晶振構(gòu)成高頻振蕩器，電路原理圖如下圖所示。在此處先介紹一下 有源晶振與無源晶振區(qū)別。在電子學上，通常將有晶體管構(gòu)成的電路稱為有源電路。而僅有阻容性原件電阻電容等器件組成的電路稱為無源電路。識別有源晶振與無源晶振時，名稱上有源晶振稱作

7、 oscillator而無源晶振通常稱為crytal，拿到 起器件后，可以很方便的區(qū)別出來，無源晶振通常只有兩個管腳，需要通過外接 的振蕩電路才能夠產(chǎn)生振蕩信號，自己是無法起振的。有源晶振一般有四個管腳， 是一個完整的振蕩器。拿到有源晶振時，將器件的四個管腳朝下，上面有個黑點標記的為1腳，按逆時針方向看去，分別為2、3、4管腳。有源晶振使用方法為：一腳懸空，二腳 接地，三腳輸出，四腳接電源電壓。圖2.3有源晶振構(gòu)成的高頻振蕩器2.3高頻功率放大電路模塊高頻振蕩器僅僅是一個信號作用，能量極小。由于無線充電器重要的是要傳 遞能量，所以需要將高頻功率進行放大，高頻功率放大電路模塊是將其轉(zhuǎn)換為具 有大

8、量能量的高頻信號。由于通過高頻功率放大電路模塊放大后的振蕩輸出是用 于能量功率，而不是傳遞信號，因此對波形的要求并不是很高。所以，波形的失 真并不重要，需要的是輸出信號要有足夠的振幅。采用功率場效應管（MOSFET）進行放大。場效應管（MOSFET） ”的英文縮寫 是 MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor，譯成中文是“金屬氧化物半導 體場效應管”。它一般有由金屬、氧化物（SiO2或SiN）及半導體三種材料制成。 所謂功率場效應管（MOSFET）是指它能夠在較大的工作電流下（一般是指幾安培 到幾十安培）正常工作，專門用于功率輸出的器件。功

9、率場效應管優(yōu)點（1）功率場效應管是壓控型電力電子器件，輸入阻抗高，因此所需要的驅(qū)動 功率很小，很容易被驅(qū)動，而且驅(qū)動電路比較簡單。（2）場效應管具有較寬的安全工作區(qū)因而不會產(chǎn)生熱點和二次擊穿現(xiàn)象。它 另一個特點是它同時具有正的溫度系數(shù)，因而可以并聯(lián)使用而不會出現(xiàn)電流分配不均的問題，解決了實際應用中的大電流問題。(3) 場效應管是多數(shù)載流子導電，沒有少數(shù)載流子具有的存儲效應，因而與 晶體管相比具有較高的開關(guān)速率。(4) 場效應管具有相對較高的開啟電壓，即所謂的閾值電壓，因此具有較高 的噪聲容限和抗干擾能力，這給電路的設(shè)計與調(diào)試帶來了很大的方便。圖2.4由IRF540構(gòu)成的高頻功率放大電路經(jīng)測試能

10、夠達到所需要的效果，因此最終采用該方案作為高頻功率放大電路 模塊。其中IRF540參數(shù)如下：漏極擊穿電壓：Udss100V漏源最大電流：Idss22Adv/dt:9V/nsIRF540柵源電壓：Ugss +20V門極開啟電壓：Ugs 4V漏極通態(tài)電阻：RDSV0.077Q高頻振蕩的輸入幅值為5V，頻率為2MHz，電源電壓為15V，因此 能夠滿足電路的設(shè)計要求。2.4發(fā)射、接收能量電路模塊電能的無線傳輸是根據(jù)電磁感應原理來實現(xiàn)的，無線充電器的工作原理就是 利用的法拉第電磁感應原理實現(xiàn)的。 當有變化的電流通過初級線圈之后， 便會產(chǎn) 生變化的磁場。而產(chǎn)生的變化的磁場會在次級線圈形成電壓， 有了電壓之

11、后便會 產(chǎn)生電流，有了電流便可以充電，通過初級和次級線圈感應產(chǎn)生電流， 從而將能 量從傳輸段轉(zhuǎn)移到接收端。簡單地說，無線充電器內(nèi)的發(fā)射線圈和接收線圈(相 當于實際應用設(shè)備中的接收線圈) 構(gòu)成了一個沒有鐵芯的變壓器，通過電磁感應 將供電段電源輸出的能量以無需電線的方式傳遞給負載設(shè)備。匚圖2.5發(fā)射線圈和接受線圈護-2.5電源供電模塊為了給整個系統(tǒng)供電，就設(shè)計了電源供電電路。在整個系統(tǒng)中，電源供電電 路有兩方面的作用，第一個作用是發(fā)射線圈耦合到次級線圈的能量來自于電源管 理模塊，第二個作用是為2M的有源晶振提供電源。因為，經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，電源 為發(fā)射線圈提供的電壓越高，則初級線圈耦合到次級線圈的能量

12、越大， 效率也相 對提高了一部分。因此電源的第一個作用要求電源電壓越大越好。但是由于2M晶振的電源電壓為5V，因此，電源的第二個作用決定了電源供電模塊還要有一 路5V的電壓輸出。鑒于這兩方面的作用，同時考慮到成本和手頭現(xiàn)有的材料， 決定設(shè)計的電源供電模塊如下圖所示，一路輸出電壓15V，另一路輸出為5V0線圈的供電電壓需要+15V的電源，可以用一片LM7815對變壓器的次級輸出進 行穩(wěn)壓得到。晶振部分需要的供電電壓為+5V的電源，可以用一片LM7805芯片 穩(wěn)壓得到。為了減少集成塊的功耗，LM7805輸入直接來自于LM7815的輸出而 不是變壓器的輸出。同時為了減少線圈的干擾，LM 7805的輸

13、出要加濾波電容。2.6整流輸出電路模塊無線充電器的接收模塊所接受的信號為高頻交流信號，因此需要通過一定的整流電路將其轉(zhuǎn)化為直流信號，然后供給負載使用。在普通的電源電路中，一般 可以使用普通二極管來構(gòu)成整流橋，但在該電路中，整流二極管必須選用快恢復 二極管，普通的二極管不能用。鑒于手頭的資料，此處選用1N4148來構(gòu)成整流橋。電路圖如下：圖2.7整流輸出電路原理圖第三章測試3.1電源模塊電源供電模塊首先通過一變壓器變壓將 220V交流電降壓為18V的交流電，在通過二極管全橋整流電路整流并在整流橋的輸出端加上以電解電容濾波。整流出來的直流電再作為7815的輸入電壓。（經(jīng)查閱Im7815的資料可知其

14、Vin范圍 是17.5VVVinV30V）經(jīng)過7815后出來的15V電壓再作為Im7805的輸入電壓（參 閱Im7805的pdf資料可知Vin的輸入范圍是7.5V<Vinv20V）。圖3.1 電源供電模塊3.2高頻振蕩器及功率放大模塊采用的有源晶振頻率為2mhz輸出波形如下圖:rxT/輸出信號加到if540功率管上后功率管Vgs與Vds波形:i T V為了使if540 上了 cd4520, 高頻信號實現(xiàn)分析波形可知當高頻信號為2m時，輸出的脈沖T為500ns,從波形來看， irf540的開通時間Ton為100ns的樣子，關(guān)斷時間Toff時間為175ns樣子。(而 經(jīng)查資料可知 Td (on)為 1620ns, Tr 為 65100ns, Td (off )為 4770ns, Tf為2870ns)經(jīng)過將參數(shù)對比，可知此頻率時功率管irf540不能正常工作。能正常開通關(guān)斷，要想辦法降低頻率因此在原來電路的基礎(chǔ)上加CD4520為二進制加法計數(shù)器，將其作為一分頻器來使用。可以對2、4、& 16倍分頻，而且還能實現(xiàn)級聯(lián)來達到更高