畢業(yè)論文-簡易無線充電裝置研制

1、<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　無線充電是一項令人興奮的技術(shù)。顧名思義，無線充電是指具有電池的裝置透過無線感應的方式取得電力而進行充電[1]。</p><p>　　今年，無線充電技術(shù)經(jīng)過數(shù)年的推廣與演進后開始受到各界矚目。其方便性可以讓消費者愿意支付額外的費用購買無線充電相關產(chǎn)品；由于這產(chǎn)技術(shù)相當新穎且各廠商有自己對技術(shù)的表述，

2、所以無線充電、感應式電力、非接觸充電、無接點充電都是泛指相同的技術(shù)，距離1mm到數(shù)米都是一樣是無線，供電端與受電端交互作用就稱感應，所以無線充電是廣義的名詞沒有一定的規(guī)格。</p><p>　　無線充電技術(shù)的優(yōu)勢在于便捷性和通用性，可使得多種設備使用一臺充電基站，也許在不久的將來，各種電源適配器剪不斷理還亂的情況將不復存在，而利用公共移動設備充電站成為現(xiàn)實。其給大眾帶來的意義與影響非同凡響。</p>

3、<p>　　1.1研究的目的和意義</p><p>　　無線供電的設想最早由交流電之父特斯拉在一百多年前就已經(jīng)由此構(gòu)想了。他設計在地球和電離層之間建立起8Hz左右的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的電磁波來傳輸電力，就像無線電通信一樣，但后來特斯拉在1908年停止了這項宏大的實驗，他所建造的鐵塔也因經(jīng)濟困難而被拆除抵債。</p><p>　　在那以后，人類對無線供電技術(shù)的研究一直在繼續(xù)

4、，尤其在航天領域里，人們想建立衛(wèi)星太陽能電站，那么就必須實現(xiàn)高效率的無線供電。進入21世紀以來，無線供電技術(shù)開始在民用領域頻繁露面，各公司紛紛推出自己的產(chǎn)品。而在科研領域最廣為人知的是07年麻省理工作出的成果，利用電磁共振技術(shù)，在兩米外點亮的60W的燈泡。</p><p>　　無線充電可以解決很多問題[2]。</p><p>　　第一，它可以改變目前電子產(chǎn)品充電接口不兼容的情況，讓用戶不再

5、需要攜帶一大堆充電器和電線，只要將代充電的設備置于發(fā)射器附近，就可以充電了。</p><p>　　第二，目前很多傳感器需要無線充電，比如埋在墻里的傳感器，把它拿出來充電是不太可能的，還有一些遠程的監(jiān)控用途的傳感器，一樣地需要無線充電技術(shù)。</p><p>　　第三，就是目前廣泛應用的植入性醫(yī)療器件，如心臟起搏器，每隔七八年病人就需要做手術(shù)來更換電池。如果可以對起搏器進行無線充電，就不需要做

6、危險的手術(shù)了。</p><p>　　第四，無線充電技術(shù)還可在市政交通方面有所建樹。2010年3月，第一輛無線充電電動車在韓國京畿道果川市的首爾大公園試運行。這種電動車在鋪有電感應帶的路面上行駛時可以無線充電，而不用像傳統(tǒng)電動車那樣需要通過路軌或車頂電線獲得電力。該車被稱作網(wǎng)E電動車，由植入地面下約5 cm處的充電帶提供電力驅(qū)動。實驗表明，無線充電系統(tǒng)中所使用的磁場對人體健康并無危害，通過使用分割技術(shù)，分幾個部分提

7、供電力，所產(chǎn)生的磁場強度被最小化。據(jù)介紹，“在線”電動車不需直接與電感應帶接觸。這種在線電動車系統(tǒng)運行費用僅為一般電車的1／3，非常適合我國仍有電車運行的城市。</p><p>　　第五，無線充電技術(shù)還可以提高設備的安全性，尤其是一些在潮濕環(huán)境中工作的設備，外露的充電接口是潛在的安全隱患。使用無線充電技術(shù)，能量接收端內(nèi)置于設備中，設備的外表面就可以全封閉了。</p><p>　　最重要的是

8、，從宏觀上看，如今人類對電能的熱愛非常強烈，消耗越來越大，亂如麻的電線和污染環(huán)境的電池，帶來更多的困撓，無線充電技術(shù)是解決這些問題很好的途徑。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　無線充電技術(shù)目前可通過三種方式實現(xiàn)：電磁感應式(利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場實現(xiàn)近程無線供電)、磁場共振式(利用磁耦合共振效應近程無線供電)、電波輻射式(電力轉(zhuǎn)換成電波以輻射傳輸供

9、電) [3]。</p><p>　　1.2.1 電磁感應方式</p><p>　　電磁感應式是使用最廣的一種方式，其原理類似于分離的空心變壓器。飛利浦的電動牙刷就是此類應用。目前許多公司都在開發(fā)這方面的技術(shù)。但電磁感應技術(shù)的一個不足就是用以傳遞能量的變化磁場，會隨著兩個線圈的距離增加而迅速減小，所以傳輸距離非常有限。</p><p>　　目前常見的充電墊也是利用了電

10、磁感應原理，將多個電子產(chǎn)品，如手機、相機、MP3等放到同一個充電墊上，能進行同時充電，而且無需精確定位，原因是充電墊內(nèi)裝有密集的小型線圈陣列，能在各個方向上建立磁場。接收線圈由磁性合金繞以電線制成，它附著于電子設備的充電電池上，充電時置于充電墊磁場中的接收線圈就會產(chǎn)生感應電流，能量就從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?。由于充電墊產(chǎn)生的磁場很弱，所以不會對附近的信用卡、錄像帶等利用性記錄數(shù)據(jù)的物品造成不良影響。該解決方案提供商包括英國Splash po

11、wer、美國wild Charge等公司。這種接觸式無線電力傳輸方式的優(yōu)點是制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)可靠，但是傳輸功率較小、傳送距離短，一般只適用于為小型便攜式電子設備供電。</p><p>　　1.2.2電磁耦合共振方式</p><p>　　07年MIT的一個無線供電的研究成果使世界為之一嘆[4]，其背后的原理就是電磁耦合共振。</p><p>　　在07年，

12、MIT的助理教授馬林·索爾賈?？?Marin Soljacic)和他的研究小組在長達4年的實驗研究中終于獲得重大突破。他們在實驗中使用了兩個直徑為50cm的銅線圈，通過調(diào)整發(fā)射頻率使兩個線圈在10MHz產(chǎn)生共振，從而成功點亮了距離電力發(fā)射端2m以外的一盞60W燈泡，效率為45%。而且，即使在電源與燈泡中間擺上木頭、金屬或其它電器，都不會影響燈泡發(fā)光。</p><p>　　另外還有采用射頻點播發(fā)射能量的方

13、法。</p><p>　　美國的Powercast，目前占有射頻波段無線能量傳輸?shù)念I先地位。與需要接觸的充電墊子不同，Powercast公司推出的無線供電組件，在915Mhz的波段下，可以在一米的范圍內(nèi)給小型電子設備充電，而接收器則利用共振線圈吸收射頻電波。</p><p>　　1.2.3微波/激光輻射方式</p><p>　　理論上，無線電波波長越短，其定向性越好

14、，彌散越小，所以，可利用微波或激光形式來實現(xiàn)電能的遠程傳輸， 這對于新能源的開發(fā)和利用、解決未來能源短缺等問題也有著重要意義。因此，許多國家都沒有放棄這方面的研究。</p><p>　　1968年，美國工程師彼得格拉澤提出了空間太陽能發(fā)電(Space Solar Power，SSP)的概念，其構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽能發(fā)電基地，通過微波將電能送回地球。1979年，美國航空航天局NASA和美國能源部聯(lián)合提出太陽

15、能計劃，建立“SPS太陽能衛(wèi)星基準系統(tǒng)” ， SPS(Solar Power satellite)是太陽能發(fā)電衛(wèi)星， 處在地球約36000km的靜止軌道上，那里太陽的能量約為地球上的1．4倍。</p><p>　　據(jù)預測，一個SPS所裝載的太陽電池的直流輸出功率為IOGW，電池輸出的電力通過振蕩器變換成微波電力， 從送電的天線向地球表面以微波(2．45GHz)形式無線送電。地球上的接收天線由半波長的偶極天線、整流

16、二極管、低通濾波器及旁路電容組成，可接收到5GW的電力。</p><p>　　目前，SPS的建設方法、天線的放射特性、微波發(fā)送裝置的姿態(tài)控制、宇宙空間的微波傳播特性、為確保故障時安全的保安系統(tǒng)等都是亟待解決的技術(shù)問題。歐盟在非洲的留尼汪島建造了一座10萬千瓦的實驗型微波輸電裝置，已于2003年向當?shù)卮迩f送電。日本擬于2020年建造試驗型太空太陽能發(fā)電站SPS2000，2050年進入規(guī)模運行。</p>

17、<p>　　1.2.4國內(nèi)的相關研究現(xiàn)狀</p><p>　　國內(nèi)于此有關的研究主要是“松耦合變壓器技術(shù)”領域[5] [6]，這個技術(shù)主要針對于磁懸浮列車或水下感應充電等方面的應用，無線傳能的距離在幾毫米到幾十毫米之間。</p><p>　　與國外相比，ICPT（感應耦合電能傳輸）技術(shù)在國內(nèi)還剛剛起步，西安石油學院的李宏在2001年第2期的《電氣傳動》上發(fā)表了一篇相關的綜述性文

18、章。近年中科院院士嚴陸光和西安交通大學的王兆安等人也開始對該新型電能接入技術(shù)進行了研究，并在國內(nèi)雜志上發(fā)表了幾篇文章。重慶大學自動化學院非接觸電能傳輸技術(shù)研發(fā)課題組自2001年便開始了對國內(nèi)外非接觸式電能接入技術(shù)相關基礎理論與實用技術(shù)的密切跟蹤和研究，并與國際上在該領域研發(fā)工作處于領先水平的新西蘭奧克蘭大學波依斯(Pro．Boys)教授為首的課題組核心成員Patrick Aiguo Hu(呼愛國)博士進行了深層次的學術(shù)交流與科技合作，在

19、理論和技術(shù)成果上有了較大的突破。2007年2月，課題組攻克了非接觸感應供電的關鍵技術(shù)難題，建立了完整的理論體系，并研制出了非接觸電能傳輸裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)600至1000W的電能輸出，傳輸效率為70％，并且能夠向多個用電設備同時供電，即使用電設備頻繁增減，也不會影響其供電的穩(wěn)定性。</p><p>　　目前國內(nèi)主要的研究方向集中在系統(tǒng)諧振頻率及原副邊的補償電路拓撲等方面，基本上都還處在理論領域進行研究，在應用領

20、域最近兩年才有所突破，但都還停留在實驗室階段。</p><p>　　1.3設計要求和實現(xiàn)思路</p><p>　　任務：設計一個無線感應的充電裝置</p><p>　　目標：輸入用12V供電，距離3~5cm，輸出5V，功率1W左右</p><p><b>　　設計思路：</b></p><p>　

21、　依靠電磁感應和諧振原理，設計的結(jié)構(gòu)如下。</p><p><b>　　實現(xiàn)思路：</b></p><p>　　1.設計頻率可調(diào)的方波發(fā)生器</p><p>　　2.用漆包線繞制線圈。</p><p>　　3.選擇穩(wěn)定、低溫漂、低功耗的電容。</p><p>　　4.選擇合適的負載。</p&

22、gt;<p>　　根據(jù)要求，負載選用25歐的功率電阻，但市面上買不到25歐的功率電阻，所以選擇22歐的功率電阻做負載。</p><p>　　5.設計功率放大電路。功率放大電路采用H橋逆變電路，用低阻抗MOS管搭建。</p><p>　　6.收端的整流部分，消耗要小。整流二極管選用快恢復，低壓降的二極管。、</p><p><b>　　第二章

23、理論基礎</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)的模型</b></p><p>　　本設計的無線充電系統(tǒng)，基于電磁感應原理，利用原、副邊的兩個線圈的電磁耦合[9]，實現(xiàn)電能的傳輸。系統(tǒng)的電路圖如下。</p><p>　　圖2-1 互感原理圖</p><p>　　L1為原邊線圈電感，L2為副邊線圈電感，

24、R1為原邊電阻，R2為副邊電阻，RL為負載電阻，M為互感。</p><p>　　由于原副邊線圈之間的漏感較大，故不能忽略，可以將電路等效為如下的模型[10]。</p><p>　　圖2-2 等效電路圖</p><p>　　Lm為線圈之間的互感，L1S為原邊線圈的漏感，L2S為副邊線圈的漏感，其余同上。</p><p>　　設線圈間的耦合系數(shù)為

25、K，R1與L1S的合阻抗為Z1，R2與L2S的合阻抗為Z2，Lm的阻抗為Zm。</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　無線傳能的傳輸效率可表示為<

26、/p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　為負載上的電壓和電流，為電源的電壓和電流。</p><p>　　由于線圈之間是間隙耦合，K值很小，由上式顯然可見，漏感L1S,L2S很大，使得Z1,Z2很大，從而使系統(tǒng)的傳輸效率很低。接下來將探討各種參數(shù)對傳輸效率的影響，找出提高系統(tǒng)傳輸效率的方法。</p><p

27、><b>　　2.2參數(shù)分析</b></p><p>　　在無線充電系統(tǒng)中，決定充電效率的因素有很多，下面就一一分析[10] [11] [12] [13]。</p><p>　　2.2.1距離與效率的關系</p><p>　　根據(jù)畢奧一薩伐爾定律，穩(wěn)恒電流通過導線時在導線外一點P處產(chǎn)生的磁感應強度為[11]：</p><

28、;p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　首先計算單個載流圓線圈軸線上的磁場。設圓線圈的中心為0，半徑為R，載有電流I。如圖2.3</p><p><b>　　圖2-3 </b></p><p>　　在線圈上任取一電流元，設電流元到P點的矢徑為，由于恒與垂直，由畢奧一薩伐爾定律知，電流元在P點產(chǎn)生的磁

29、感應強度為</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　其中，在與中軸所在平面內(nèi)，并垂直與。顯然，線圈上各電流元在P點所產(chǎn)生的磁感應強度方向是各不相同的，因此，必須把分成垂直于軸線的分矢量和平行與軸線的分矢量，由于對稱關系，相互抵消，相互加強。有</p><p><b>　?。?.7）</b><

30、;/p><p>　　由（2.7）式可知，線圈在P點產(chǎn)生的磁場，與P點到線圈的距離的三次方成反比，與線圈的半徑成正比。即有如下關系</p><p>　　∝ （2.8）</p><p><b>　　因為磁通量，</b></p><p>　　又上面幾個式子可以看出，dB與互感M成一次正比關系。&l

31、t;/p><p>　　又因為耦合系數(shù)，可以得出 （2.9）</p><p>　　由此式可知，要提高無線傳能的效率，得要增大耦合線圈的半徑，以及減小線圈之間的距離。</p><p>　　本設計采用的是直徑為一毫米的漆包線繞制的線圈，直徑8.5cm，匝數(shù)N=10，L1=21.46uH，L2=21.57uH，，R1=630mΩ，R2=678mΩ。

32、 </p><p>　　下面的數(shù)據(jù)和圖標為實驗所得的，線圈間的耦合系數(shù)與距離的關系。</p><p>　　測試方法：將初級線圈接入電感表，次級線圈兩端用導線接在一起。如下圖</p><p><b>　　圖2-4</b></p><p>　　兩線圈正對，

33、移動次級線圈，記錄在不同的距離L下，初級線圈的電感值，用初級線圈的原電感值減去有次級線圈影響時的電感值，即是此距離下兩個線圈之間的互感。</p><p>　　測試頻率=180KHz，測試電壓Vp=1V。</p><p>　　表2-1 距離與互感測試</p><p>　　圖2-5 距離與互感的關系曲線</p><p>　　實驗符合上述理論關系。

34、</p><p><b>　　2.2.2補償結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　單邊補償分析</b></p><p>　　由于原、副邊線圈存在很大的漏感，所以要提高系統(tǒng)的效率，需要加入適當?shù)难a償，減小漏感的能量消耗，使電路工作在諧振的狀態(tài)[10] [12]。</p><p>　　電路的補償有四

35、種結(jié)構(gòu)，分別是初級串聯(lián)補償（PS），初級并聯(lián)補償(PP)，次級串聯(lián)補償(SS)，次級并聯(lián)補償(SP)。</p><p>　　圖2-6初級串聯(lián)補償PS 等效電路圖</p><p>　　圖2-7初級并聯(lián)補償PP 等效電路圖</p><p>　　圖2-8次級串聯(lián)補償SS 等效電路圖</p><p>　　圖2-9次級并聯(lián)補償SP 等效電路圖</

36、p><p>　　各種補償就是在線圈兩端加入合適大小的電容。設系統(tǒng)的工作頻率ω不變，初級串聯(lián)補償（PS）等效電路如圖2.5所示，C1為加在原邊的補償電容。在這種補償結(jié)構(gòu)下，阻抗Z1,Z2,Zm可表示為</p><p>　?。?.10） （2.11） （2.12）</p><p>　　將2.10，2.11，2.1

37、2帶入式2.4，可得</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　分析此式可知，當時，λ取得最大值，即系統(tǒng)的等量傳輸效率最高。所以，在初級串聯(lián)補償下，要使系統(tǒng)的效率最高，初級串聯(lián)補償電容應取。</p><p>　　以同樣的方法，對其他三種補償進行分析，分別可以得到這三種補償?shù)淖罴央娙葸x取值。</p>&l

38、t;p>　　初級并聯(lián)補償（PP），</p><p>　　次級串聯(lián)補償（SS），</p><p>　　次級并聯(lián)補償（SP），</p><p>　　當采用初級串聯(lián)補償時，補償電容與漏感發(fā)生諧振，發(fā)生諧振時Z1為零，消除了在阻抗Z1上要消耗的大量無功功率，從而提高了初級系統(tǒng)的功率因數(shù)，使初級可以發(fā)射較大線圈。</p><p>　　采用初級并聯(lián)

39、補償時，補償電容與漏感并聯(lián)諧振，有，也就是，當發(fā)生諧振時，導納為零，阻抗無窮大。實際上，因為互感的存在，能量會被負載消耗掉，而電源會同時為LC電路補充能量，但因為線圈見的互感比較小，所以這種方式的功率因數(shù)，比較串聯(lián)補償要低很多，不能發(fā)射很大的功率。</p><p>　　綜上考慮，初級線圈采用串聯(lián)補償為佳。</p><p><b>　　雙邊補償分析</b></p&

40、gt;<p>　　由于系統(tǒng)的初級，次級線圈都有漏感的存在，所以對雙邊同時進行補償，會有很好的補償效果，能進一步提高系統(tǒng)的傳輸效率。</p><p>　　四種雙邊補償結(jié)構(gòu)如下圖。</p><p>　　圖2-10 初級串聯(lián)，次級串聯(lián)PSSS</p><p>　　圖2-11初級串聯(lián)，次級并聯(lián)PSSP</p><p>　　圖2-12初級

41、并聯(lián)，次級串聯(lián)PPSS</p><p>　　圖2-13初級并聯(lián)，次級并聯(lián)PPSP</p><p>　　當采用雙邊補償時，次級補償?shù)募尤霑Τ跫壯a償參數(shù)的確定產(chǎn)生影響，根據(jù)上文的阻抗公式與分析方法，可以得出四種補償?shù)墓β室驍?shù)。</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p><b>　　（2.1

42、5）</b></p><p><b>　?。?.16）</b></p><p><b>　?。?.17）</b></p><p>　　由上面的公式可得出，諧振時，使系統(tǒng)的效率最大，初級，次級應選擇的電容值，如下表</p><p>　　表2.2 四種補償?shù)碾娙葸x擇公式</p>

43、<p>　　由此表可以看出，當線圈間的距離增大時，線圈的漏感會增大，那么系統(tǒng)的諧振頻率就會降低。</p><p>　　2.2.3負載對傳輸效率的影響</p><p>　　上一節(jié)討論了四種不同的補償結(jié)構(gòu)，在諧振頻率下的效率公式。當發(fā)生諧振時，（2.14）到（2.17）式可以進一步簡化為如下形式。</p><p>　　采用初級串聯(lián)補償，次級串聯(lián)補償時<

44、/p><p><b>　?。?.18）</b></p><p>　　采用初級串聯(lián)補償，次級并聯(lián)補償時</p><p><b>　　（2.19）</b></p><p>　　采用初級并聯(lián)，次級串聯(lián)時補償時</p><p><b>　?。?.20）</b><

45、;/p><p>　　采用初級并聯(lián)，次級并聯(lián)補償時</p><p><b>　?。?.21）</b></p><p>　　根據(jù)上面的分析，可知初級串聯(lián)補償，比初級并聯(lián)補償傳輸效率高，所以下面只考慮初級串聯(lián)/次級串聯(lián)PSSS，和初級串聯(lián)/次級并聯(lián)PSSP兩種補償結(jié)構(gòu)。對兩種補償結(jié)構(gòu)的效率公式，用matlab仿真，如下。</p><p

46、>　　當距離L=0cm時，互感系數(shù)k=0.33</p><p>　　圖2-14 K=0.33時，效率隨負載的變化</p><p>　　當距離L=1cm時，互感系數(shù)k=0.12</p><p>　　圖2-15 K=0.12時，效率隨負載的變化</p><p>　　當距離L=2cm時，互感系數(shù)K=0.051</p><

47、p>　　圖2-16 K=0.051時，效率隨負載的變化</p><p>　　由這些仿真結(jié)果可以看出，隨著距離的增加，兩種補償結(jié)構(gòu)的效率都在降低，但共同的特點是，負載RL小于25歐時，次級串聯(lián)補償效率較高，RL大于25歐時，次級并聯(lián)補償效率較高。</p><p>　　本設計采用的是22歐的負載電阻，所以選用初級串聯(lián)，次級串聯(lián)的補償結(jié)構(gòu)，效果會略好于初級串聯(lián)-次級并聯(lián)的補償結(jié)構(gòu)。<

48、;/p><p>　　2.2.4線圈的相對位置</p><p>　　線圈的相對位置，極大地影響著線圈之間的互感大小，實驗如下。</p><p>　　1.線圈之間的軸心偏移與互感的關系</p><p>　　圖2-17 軸心偏移示意圖</p><p>　　表2-3 軸心偏移與互感關系測試</p><p>

49、　　圖2-18 軸心偏移與互感關系曲線</p><p>　　將測得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖，如上圖。</p><p>　　根據(jù)所得數(shù)據(jù)，可以得出這樣的結(jié)論：線圈間的互感與軸心間的偏移距離成反比，也就是說，要達到最大的無線充電效率，就要使兩個線圈之間的軸心偏移為0。</p><p>　　2.線圈之間的軸心偏移與互感的關系</p><p>　　測試方法：將線

50、圈擺放成一定角度，測試線圈間的互感</p><p>　　圖2-19 線圈夾角示意圖</p><p>　　表2-4 旋轉(zhuǎn)角度與互感測試</p><p>　　圖2-20 線圈夾角與互感關系</p><p>　　根據(jù)上面的數(shù)據(jù)與圖表可以得出這樣的結(jié)論：在0-90°范圍內(nèi)，線圈的互感與線圈間的夾角成反比。所以如果要達到最大的無線充電效率，兩

51、個線圈要平行放置。</p><p><b>　　2.2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　以上四個小結(jié)分別討論了影響無線充電裝置傳輸效率的因素，它們是：相對位置、補償結(jié)構(gòu)、距離、負載、頻率。根據(jù)以上的理論分析，可以得出如下結(jié)論：</p><p>　　使無線充電裝置效率傳輸最大化的條件：</p><p>　　兩線圈要

52、平行放置，軸心在一條線上。</p><p>　　根據(jù)負載的大小，選擇合適的補償結(jié)構(gòu)。使系統(tǒng)要工作在諧振頻率上。本設計的負載為22歐功率電阻，選用初級串聯(lián)-初級串聯(lián)或初級串聯(lián)-次級并聯(lián)均可。</p><p>　　傳輸效率會隨著距離的增大而減小，距離與效率成倒數(shù)關系。</p><p>　　系統(tǒng)的諧振頻率會隨著距離的增加而減小，所以要根據(jù)距離調(diào)整頻率。</p>

53、<p>　　第三章 硬件電路的設計</p><p><b>　　3.1方波發(fā)生器</b></p><p>　　本設計的方波發(fā)生器采用555芯片實現(xiàn)[14]。頻率范圍，通過調(diào)節(jié)兩個電位器，可以改變輸出的頻率，并使輸出波形的占空比為50%。</p><p>　　NE555芯片的引腳結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3

54、-1 555芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3-2 方波發(fā)生器原理圖</p><p><b>　　引腳功能 </b></p><p>　　1-地 2-觸發(fā)</p><p>　　3-輸出 4-復位</p><p>　　5-控制電壓 6-門限</p>

55、<p>　　7-放電 8-電源</p><p>　　方波發(fā)生器的電路與工作原理</p><p>　　電路上電時，電源通過R1,R2支路給電容C1充電，此時3腳輸出高電平，當C1的電位充至2/3Vcc時，555內(nèi)部比較器使RS觸發(fā)器輸出低電平，通過與非門打開放電回路，電容放電，此時輸出低電平，當電容電位放到1/3Vcc時，比較器使RS觸發(fā)器輸出高電平，放電回路關閉，電

56、容充電，輸出高電平。實際電路的充放電波形如下圖。</p><p>　　圖3-3 方波發(fā)生器輸出波形與充電波形</p><p>　　單個周期內(nèi)，電路的充電時間</p><p><b>　　放電時間</b></p><p><b>　　輸出的方波頻率為</b></p><p>　

57、　理論上，在保持50%占空比的條件下，R2=0,R3=5K時，電路輸出的方波頻率最高</p><p>　　R2=45K,R3=50K時，輸出頻率最小</p><p>　　但實際上，輸出頻率最大為220KHz，其主要原因是二極管在高頻下有等效阻抗，降低了充放電的速度。</p><p>　　圖3-4 方波發(fā)生器實際電路圖</p><p>　　3.

58、2 功率放大電路</p><p>　　本設計的功率放大電路，采用MOS管的H橋?qū)崿F(xiàn)。其功能是可以將+12V直流電壓逆變?yōu)?#177;12V的交流電壓。實際的設計最大可以輸出12W的功率[15]。</p><p><b>　　H橋逆變電路的設計</b></p><p><b>　　右圖為原理圖</b></p>

59、<p>　　圖3-5 H橋逆變電路</p><p>　　H橋的工作原理：如圖，四個MOS開關管組成此H橋電路。當橋臂1和4導通時，2和3截至，電流由橋臂1經(jīng)LC電路到橋臂4。當橋臂2和3導通時，橋臂1和4同時截至，電流經(jīng)由橋臂2、LC到橋臂3。如此循環(huán)，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，供給LC電路發(fā)射。</p><p><b>　　器件的選擇：</b></p&g

60、t;<p>　　在H橋逆變電路中，對MOS管的選擇十分關鍵，MOS管的參數(shù)將影響系統(tǒng)的傳輸效率。對于本設計，好的MOS管要滿足如下條件：</p><p>　　1.Vgs正向?qū)?，也就是N溝道的MOS管。</p><p><b>　　2.導通電阻小</b></p><p><b>　　3.開關延時短</b>&l

61、t;/p><p>　　以下是常用N-channel MOS管的比較</p><p>　　表3-1 幾種MOS管的比較</p><p>　　經(jīng)比較和篩選，及考慮成本因素，最終選用了IRF3205，作為H橋的開關器件。</p><p>　　IRF3205是IR公司設計生產(chǎn)的一款低阻抗，快速開關管。其主要性能如下[16]。</p><

62、;p>　　1.導通電阻 8豪歐</p><p>　　2.工作范圍-55到175攝氏度</p><p>　　3.極快的開關速度：開延時14nS,上升時間101nS,關延時50nS,下降時間65nS</p><p><b>　　驅(qū)動電路的設計</b></p><p>　　如果僅僅用前端電路產(chǎn)生的方波驅(qū)動H橋的開關管，會

63、出現(xiàn)以下問題：當高端橋臂導通時（1或2橋臂），由于負載的存在，S極的電位將被抬升與G相同，那么此時Vgs=0，導致高端橋臂不能持續(xù)導通，所以需要加入驅(qū)動電路。</p><p>　　驅(qū)動芯片IR2110[17]</p><p>　　驅(qū)動芯片選擇的是IR2110，其主要參數(shù)如下</p><p>　　1.最高耐壓500V</p><p>　　2.G

64、級驅(qū)動10-20V</p><p>　　3.驅(qū)動保護，防止同側(cè)橋臂同時導通而短路。</p><p>　　4.邏輯電平范圍3.3V-20V</p><p>　　圖3-6 H橋的驅(qū)動電路</p><p><b>　　驅(qū)動電路工作過程：</b></p><p>　　方波發(fā)生其產(chǎn)生的方波電流，輸出后分成兩

65、路，一路送給第一個驅(qū)動芯片，作為邏輯電平輸入，另一路經(jīng)過反相器CD4069反相后，輸入到第二個驅(qū)動芯片，作為邏輯電平輸入。兩路信號一正一反，使兩個驅(qū)動芯片交替導通H橋的兩路橋臂。完成直流到交流的逆變。</p><p><b>　　實際效果圖：</b></p><p>　　圖3-7 H橋逆變電路的輸出波形（左圖為雙端波形，右圖為單端波形）</p><

66、p>　　圖3-8 驅(qū)動芯片輸出波形 圖3-9 線圈發(fā)射波形</p><p><b>　　3.3接收端電路</b></p><p>　　本設計的接收端電路設計原理圖如下</p><p>　　圖3-9 接收端電路圖</p><p>　　1.LC采用串聯(lián)補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)。</p>

67、<p>　　2.補償電容C8選用333的聚苯電容，這種電容耐壓高，容值穩(wěn)定。</p><p>　　3.因為系統(tǒng)工作在180K左右的頻率上，最大電流可達750mA，所以對整流二極管的要求是，快恢復，較高的電流上限</p><p>　　綜合考慮，選擇1N5819最為合適[18]。</p><p>　　4.C9選用的是47uF的電接電容，用途是濾波。<

68、/p><p>　　5.負載RL為22歐5W的水泥電阻。</p><p>　　圖3-10 發(fā)射與接收波形（接收波形為整流之前的波形）</p><p>　　圖3-11 發(fā)射與接收波形（接收波形為接收線圈上的波形）</p><p>　　第四章 裝置的實際性能</p><p>　　根據(jù)上文的分析，可以確定無線充電的效率與一下五個因

69、素有關：系統(tǒng)的頻率，負載的大小，線圈之間的距離，初次級補償結(jié)構(gòu)，線圈間相對位置。</p><p>　　以下就是針對實際裝置的相關參量測試。</p><p>　　4.1實際裝置的效率與線圈距離的關系測試</p><p><b>　?。ㄘ撦d不變）</b></p><p>　　負載電阻RL=22歐，測試距離范圍0-7cm。&l

70、t;/p><p>　　1.采用初級串聯(lián)，次級串聯(lián)補償時</p><p>　　距離與效率的關系如下圖。</p><p>　　圖4-1 串串補償距離與效率的關系</p><p>　　可以看出隨著距離的增加，裝置的傳輸效率迅速變小，符合理論上的分析。</p><p>　　下圖為負載接受功率與距離的關系。</p>&

71、lt;p>　　圖4-2 串串補償距離與負載功率的關系</p><p>　　由上圖可知，裝置最大輸出功率9.3W，距離為1cm。當距離為3.5cm時，輸出功率為1W。滿足設計要求。</p><p>　　2.采用初級串聯(lián)，次級并聯(lián)補償時</p><p>　　距離與效率的關系如下圖。</p><p>　　圖4-3 串并補償距離與傳輸效率的關系

72、</p><p>　　由圖可以看出，串并補償結(jié)構(gòu)的效率，在距離變化時，呈現(xiàn)與串串結(jié)構(gòu)相似的衰減趨勢。</p><p>　　串并補償距離與負載功率的關系。</p><p>　　圖4-4 串并補償距離與負載功率的關系</p><p>　　由圖可知，串并補償結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)的最大負載功率為8.5W，距離是0.7cm。當距離為3cm時，負載功率為1W，達

73、到設計指標。與串串補償比較，我們可以發(fā)現(xiàn)，在完成本裝置設計的目標上，串串補償結(jié)構(gòu)要優(yōu)于串并補償結(jié)構(gòu)。</p><p>　　4.2實際裝置效率與負載的關系測試</p><p><b>　?。ň嚯x不變）</b></p><p>　　距離L=2.5cm，負載范圍8~51歐，實際裝置的兩種補償結(jié)構(gòu)帶負載能力的比較。</p><p&g

74、t;　　圖4-5 2.5cm 兩種補償結(jié)構(gòu)帶負載能力比較</p><p>　　兩曲線的交點在RL=31歐處。由此圖可以看出，負載在一定范圍內(nèi)變化時，串-串補償結(jié)構(gòu)的傳輸效率隨負載的增大而減小，串并補償結(jié)構(gòu)的效率隨負載的增大而增大。</p><p>　　4.3實際裝置的諧振頻率隨距離的變化</p><p><b>　?。ㄘ撦d不變） </b><

75、;/p><p>　　負載為RL=22歐，下圖為兩種補償結(jié)構(gòu)，諧振頻率隨距離的變化曲線。</p><p>　　圖4-6 兩種補償結(jié)構(gòu)諧振頻率隨距離的變化</p><p>　　由圖可知，兩種補償結(jié)構(gòu)的諧振頻率，都隨距離的增大而減小，在L=3.5cm時，諧振頻率fo均在180K左右。</p><p><b>　　第五章 總結(jié)</b&g