電磁感應(yīng)技術(shù)之無線電傳輸.doc

電磁感應(yīng)技術(shù)之無線電能傳輸學(xué)院：自動(dòng)化工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)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 charging technology；Wireless charge technology ）， 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(jìn)行能量傳遞的一種技術(shù)。 初級(jí)線圈即發(fā)射線圈與交流電源相連，當(dāng)通一交流電后，基于電磁感應(yīng)原理，發(fā)射線圈與接收線圈之間便會(huì)產(chǎn)生會(huì)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(dòng)勢(shì)，當(dāng)接收線圈連有負(fù)載時(shí)，負(fù)載便開始工作，此時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳遞。1.2 電磁感應(yīng)式充電的基本原理及應(yīng)用基本原理：在初級(jí)線圈通入一定頻率的交流電源，通過電磁感應(yīng)原理將會(huì)在次級(jí)線圈產(chǎn)生一定的電流，從而實(shí)現(xiàn)了將能量從發(fā)射端傳遞到接收端。電磁感應(yīng)式充電的原理圖如下圖：圖1.1 電磁感應(yīng)式無線充電原理圖第2章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)的整體框圖及總體描述整個(gè)系統(tǒng)的具體框圖如圖2.1所示，整個(gè)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(fù)載模塊等。直流電源輸入端高頻振蕩電路高頻功率放大與發(fā)射線圈電路高頻接收線圈電路整流輸出電路充電電路模塊圖2.1 結(jié)構(gòu)框圖 要實(shí)現(xiàn)無線電能的傳輸，只有通過線圈才能將交流信號(hào)從發(fā)射單元傳遞到接收單元，而且理論證明，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電路來產(chǎn)生所需要的高頻信號(hào)。但高頻振蕩電路產(chǎn)生的只是起信號(hào)作用，無線充電需要傳遞的是能量，所以還需要將信號(hào)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(hào)，即能量來自電源，從而實(shí)現(xiàn)了高頻功率的放大。當(dāng)初級(jí)線圈獲得高頻交流信號(hào)后，發(fā)射線圈與接收線圈之間便會(huì)建立起一個(gè)變化的磁場，由電磁感應(yīng)原理則次級(jí)高頻接收線圈將產(chǎn)生同樣的高頻信號(hào)。次級(jí)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(duì)位置共同來決定的。次級(jí)獲得的交流信號(hào)是不能直接加到負(fù)載上的，要經(jīng)過整流穩(wěn)壓后才能接到負(fù)載上，整流橋必須有快恢復(fù)二極管組成，因?yàn)閭鬟f過來的是高頻信號(hào)，普通二極管由于其反向恢復(fù)時(shí)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(fù)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(gè)條件：一是要有正反饋，通過正反饋信號(hào)來取代輸入信號(hào)；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D3.2所示的方框圖。上面一個(gè)方框圖為放大電路，下面一個(gè)方框?yàn)檎答伨W(wǎng)絡(luò)，并且由圖可知反饋極性為正。當(dāng)輸入量為零時(shí)，凈輸入量就等于反饋量。工作時(shí)，由于電磁干擾（如合閘通電），電路將產(chǎn)生一個(gè)幅值很小的輸入量，這個(gè)輸入量一般會(huì)含有豐富的正弦信號(hào)。而輸入量會(huì)在選頻網(wǎng)絡(luò)的作用下只留下頻率為f0的正弦信號(hào)通過，其他信號(hào)則無法通過，那么輸出信號(hào) = 0+ +圖2.2 正弦波振蕩電路的方框圖雖然是正反饋，但輸出不會(huì)無限制增大的。當(dāng)輸出達(dá)到一定幅值時(shí)，由于晶體管本身的非線性特性，正弦波幅值將會(huì)變化的越來越小，直到達(dá)到某一特定幅值。因此，不會(huì)一直增大的，當(dāng)增大到某一數(shù)值時(shí)，電路便達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)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(hào)，而輸入量又通過放大電路維持著輸出量，寫成表達(dá)式為 由上式可知正弦波振蕩的平衡條件為 將其寫成模與相角的形式為 且 上面兩式分別為幅值平衡條件和相位平衡條件。為了保證使輸出量在合閘后產(chǎn)生一個(gè)幅值逐漸變大直至達(dá)到穩(wěn)定的正弦信號(hào)，電路的起振條件為 振蕩系統(tǒng)會(huì)把除頻率以外的其它輸出量都逐漸衰減為零，因此輸出量為的正弦波。 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(xué)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(shí)別有源晶振與無源晶振時(shí)，名稱上有源晶振稱作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(gè)管腳，需要通過外接的振蕩電路才能夠產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自己是無法起振的。有源晶振一般有四個(gè)管腳，是一個(gè)完整的振蕩器。 拿到有源晶振時(shí)，將器件的四個(gè)管腳朝下，上面有個(gè)黑點(diǎn)標(biāo)記的為1腳，按逆時(shí)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(gè)信號(hào)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(jìn)行放大，高頻功率放大電路模塊是將其轉(zhuǎn)換為具有大量能量的高頻信號(hào)。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(hào)，因此對(duì)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(hào)要有足夠的振幅。采用功率場效應(yīng)管(MOSFET)進(jìn)行放大。場效應(yīng)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(dǎo)體場效應(yīng)管”。它一般有由金屬、氧化物(SiO2或SiN)及半導(dǎo)體三種材料制成。所謂功率場效應(yīng)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。功率場效應(yīng)管優(yōu)點(diǎn)(1)功率場效應(yīng)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(dòng)功率很小，很容易被驅(qū)動(dòng)，而且驅(qū)動(dòng)電路比較簡單。(2)場效應(yīng)管具有較寬的安全工作區(qū)因而不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)和二次擊穿現(xiàn)象。它另一個(gè)特點(diǎn)是它同時(shí)具有正的溫度系數(shù)，因而可以并聯(lián)使用而不會(huì)出現(xiàn)電流分配不均的問題，解決了實(shí)際應(yīng)用中的大電流問題。(3)場效應(yīng)管是多數(shù)載流子導(dǎo)電，沒有少數(shù)載流子具有的存儲(chǔ)效應(yīng)，因而與晶體管相比具有較高的開關(guān)速率。(4)場效應(yīng)管具有相對(duì)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(jì)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(cè)試能夠達(dá)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：漏極通態(tài)電阻：RDS0.077 漏極擊穿電壓：UDSS 100V柵源電壓：UGSS +20V 漏源最大電流：IDSS 22A門極開啟電壓：UGS 4V dv/dt： 9V/ns高頻振蕩的輸入幅值為5V，頻率為2MHz，電源電壓為15V，因此IRF540能夠滿足電路的設(shè)計(jì)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(yīng)原理來實(shí)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(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有變化的電流通過初級(jí)線圈之后，便會(huì)產(chǎn)生變化的磁場。而產(chǎn)生的變化的磁場會(huì)在次級(jí)線圈形成電壓，有了電壓之后便會(huì)產(chǎn)生電流，有了電流便可以充電，通過初級(jí)和次級(jí)線圈感應(yīng)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(dāng)于實(shí)際應(yīng)用設(shè)備中的接收線圈）構(gòu)成了一個(gè)沒有鐵芯的變壓器，通過電磁感應(yīng)將供電段電源輸出的能量以無需電線的方式傳遞給負(fù)載設(shè)備。圖2.5 發(fā)射線圈和接受線圈2.5 電源供電模塊為了給整個(gè)系統(tǒng)供電，就設(shè)計(jì)了電源供電電路。在整個(gè)系統(tǒng)中，電源供電電路有兩方面的作用，第一個(gè)作用是發(fā)射線圈耦合到次級(jí)線圈的能量來自于電源管理模塊，第二個(gè)作用是為2M的有源晶振提供電源。因?yàn)?，?jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，電源為發(fā)射線圈提供的電壓越高，則初級(jí)線圈耦合到次級(jí)線圈的能量越大，效率也相對(duì)提高了一部分。因此電源的第一個(gè)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(gè)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(shí)考慮到成本和手頭現(xiàn)有的材料，決定設(shè)計(jì)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5V。線圈的供電電壓需要+15V的電源，可以用一片LM7815對(duì)變壓器的次級(jí)輸出進(jìn)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(shí)為了減少線圈的干擾，LM 7805的輸出要加濾波電容。 圖2.6 電源供電原理圖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(hào)為高頻交流信號(hào)，因此需要通過一定的整流電路將其轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，然后供給負(fù)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(fù)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3章 測(cè)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lm7815的資料可知其Vin范圍是17.5VVin30V）經(jīng)過7815后出來的15V電壓再作為lm7805的輸入電壓（參閱lm7805的pdf資料可知Vin的輸入范圍是7.5VVin20V）。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：輸出信號(hào)加到irf540功率管上后功率管Vgs 與Vds波形：分析波形可知當(dāng)高頻信號(hào)為2m時(shí)，輸出的脈沖T為500ns，從波形來看，irf540的開通時(shí)間Ton為100ns的樣子，關(guān)斷時(shí)間Toff時(shí)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(duì)比，可知此頻率時(shí)功率管irf540不能正常工作。為了使irf540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)上加上了cd4520，CD4520為二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，將其作為一分頻器來使用?？梢?