一種能量傳輸電路的設(shè)計(jì)

石文堂 山西省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)信息中心 030002

一種能量傳輸電路的設(shè)計(jì)

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本文介紹一種短距離非接觸的能量傳輸電路設(shè)計(jì)。從實(shí)際應(yīng)用總結(jié)了電路設(shè)計(jì)的理論依據(jù)、芯片選型等，并給出了電路調(diào)試的一些技巧，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的。

能量傳輸;非接觸;耦合;諧振

引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，我們對(duì)新事物的探索更深入、更透徹，各個(gè)方面都有了很大的進(jìn)步。在惡劣環(huán)境下對(duì)某些生物的研究往往需要把電路板植入其身體，這就要求電路板體積要小，但帶電源的電路板一般境況下很難做到小體積，因此能量的來源就成為一個(gè)大的問題。利用能量耦合（即線圈間的能量耦合）方式具有三個(gè)方面的特點(diǎn)：一、可大大的減小電路板的體積，這對(duì)電路板植入體內(nèi)是非常有好處的；二、具有定位作用，如植入電路板的生物只有靠近能量發(fā)射源的時(shí)候體內(nèi)的電路板才能耦合到能量進(jìn)行工作，可把測量得到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)發(fā)射出去；三、一般情況下不能給大功率的電路提供能量，這種電路只是電感耦合而不同于變壓器耦合，因此提供的能量還是有限的。這里有一個(gè)對(duì)小白鼠血糖濃度測量的案例，把血糖傳感器、能量接收線圈、無線發(fā)射電路等可做在一個(gè)非常小的電路板（接收能量）上植入到小白鼠的體表，還需要有一個(gè)發(fā)射能量的電路板。可把植入了電路板的小白鼠和發(fā)射能量的電路板放在同一個(gè)房間內(nèi)，每當(dāng)小白鼠靠近發(fā)射電路板的時(shí)候，小白鼠體內(nèi)的電路板就可以獲得能量進(jìn)行血糖的測量，并把測量得到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射出去。

1、發(fā)射電路設(shè)計(jì)

作為能量發(fā)射源，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要注意幾個(gè)方面，發(fā)射的頻率越高耦合到次級(jí)（接收線圈）的能量越大，發(fā)射的頻率不能與一些常用頻率相同（如手機(jī)頻率，電臺(tái)頻率等）?？紤]到發(fā)射頻率太高實(shí)現(xiàn)有一定的困難，權(quán)衡之下選擇100KHz的發(fā)射頻率。

1)發(fā)射頻率的產(chǎn)生

有多種方法可以產(chǎn)生100KHz的頻率，如專用芯片（max038等）、單片機(jī)I/O口模擬、555芯片等等。專用芯片價(jià)格昂貴；單片機(jī)I/O口模擬需要對(duì)相應(yīng)單片機(jī)有一定的了解，開發(fā)周期較長；而555芯片可產(chǎn)生高于100KHz（一般資料上標(biāo)稱可達(dá)到400KHz，而實(shí)際上極間電容的影響最大也只能達(dá)到150KHz）的方波（傅里葉式展開可知由奇次諧波組成），電路簡單且價(jià)格低廉。因此產(chǎn)生100KHz的頻率555芯片是個(gè)很好的選擇，其電路如圖1所示。其中1KΩ電位器的作用主要是為了調(diào)節(jié)頻率。

圖1 100KHz方波產(chǎn)生電路

2)功率放大

555芯片產(chǎn)生的100KHz的方波需要功率放大。功率放大有多種類型，甲類、乙類、丙類等，其中甲類功放的特點(diǎn)是非線性失真小，效率低（理論值最大為50%）；乙類功放在低頻或高頻都廣泛應(yīng)用，效率較高（理論值可到78.5%），典型電路是推挽式電路，如圖2所示。丙類功放一般用在高頻窄帶場合。在此選用乙類功放相對(duì)要好些。這里還有就是三極管選型的問題了，在線圈、鐵芯的選擇里介紹。

圖2 推挽式功率放大

3)線圈、鐵心的選擇

發(fā)射電路的設(shè)計(jì)理論上相對(duì)簡單，但是在器件的選型及調(diào)試上存在一定的難度，要借助于測量電感儀表、示波器等工具。

圖3 功率放大、諧振電路

2、接收電路設(shè)計(jì)

接收電路主要是通過耦合的方式接收發(fā)射電路的電磁能給其他元件供電，主要分為耦合電路、整流電路、穩(wěn)壓電路、電壓轉(zhuǎn)換電路。

1)耦合電路

就是一個(gè)線圈電感耦合發(fā)射線圈的電磁能，這個(gè)線圈的體積一般較小，通常情況下使用較細(xì)的漆包線進(jìn)行纏繞，如需提供的功率較大，可把線圈電感纏繞在一個(gè)小的磁鐵芯上。如果在諧振的情況下耦合到的能量最大，因此可在線圈電感上并聯(lián)一個(gè)電容使其工作在諧振狀態(tài)下，如圖4所示。

2)整流電路

一般的整流橋是對(duì)50Hz的工頻信號(hào)進(jìn)行整流，但這里的工作頻率較高并不適合使用一般的整流橋，可以選擇快恢復(fù)肖特基二極管（如IN5818）搭整流橋進(jìn)行整流。

3)穩(wěn)壓電路

整流后的電壓峰峰值可能會(huì)達(dá)到三、四十伏，為了減小體積使用一個(gè)幾十μF的膽電容就可以得到直流電壓了，不需要其他的穩(wěn)壓電路。

4)電壓轉(zhuǎn)換電路

通常電路使用的是5V或3.3V的電源，因此需要把三、四十伏的電壓穩(wěn)壓到5V或3.3V。如果使用一般的LDO穩(wěn)壓芯片會(huì)存在一下三個(gè)問題，第一、一般的LDO穩(wěn)壓芯片的輸入和輸出的壓差較小，很可能損壞LDO穩(wěn)壓芯片；第二、即使不損壞穩(wěn)壓芯片，會(huì)把穩(wěn)壓后的電壓拉低很多，這樣能量利用率較低，第三、LDO穩(wěn)壓芯片本身的轉(zhuǎn)化效率較低，造成能量的浪費(fèi)。因此不選用LDO穩(wěn)壓芯片（如LM1117等）作為電壓轉(zhuǎn)換電路。DC-DC降壓型穩(wěn)壓芯片是個(gè)不錯(cuò)的選擇，主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高、輸入電壓范圍寬等等，可選擇如SP6659等。

整個(gè)接收電路的原理圖如圖4所示，其中不包括電壓轉(zhuǎn)換電路。

圖4 接收電路

4、總結(jié)

這種能量傳輸方式適用而簡單，尤其適用在一些科研場所。它的主要傳輸方式是能量耦合，理論并不難，但在實(shí)用過程中器件的選型及調(diào)試過程需要一定的技巧。

[1] 稻葉保著, 何希才譯.振蕩電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 科學(xué)出版社.2004

[2] 稻葉保著. 模擬技術(shù)應(yīng)用技巧101例.科學(xué)出版社.2006