磁耦諧振無線輸電系統(tǒng)的設(shè)計

王述宇++傅俊++劉軒昂

摘 要本文介紹了一種小功率無線輸電裝置的設(shè)計。系統(tǒng)采用磁耦合諧振的方式進行無線輸電。文中介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)，對發(fā)射線圈與接收線圈的距離變化對輸電功率的影響進行了討論。以藍牙音箱為負載進行了測試，測試結(jié)果表明，當音箱音量發(fā)生變化時，無線輸電裝置的傳輸效率能夠滿足負載要求。

【關(guān)鍵詞】無線輸電 諧振 磁耦合

近年來，電子技術(shù)快速發(fā)展，無線充電技術(shù)逐漸成為研究熱點。無線充電無需充電接口機械接觸，提高了充電的便捷性，也提高了充電設(shè)備的使用壽命。目前無線充電技術(shù)普遍存在的問題是充電距離近，傳輸功率低等不足。本課題設(shè)計了一種無線輸電裝置， 以音箱為負載，研究了發(fā)射和接收線圈在不同距離情況下的輸電效率。

1 無線輸電系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1。電網(wǎng)中的工頻電經(jīng)整流濾波得到直流電，將其進行高頻逆變得到高頻交流信號。高頻交變電流送入發(fā)射線圈，在線圈中產(chǎn)生高頻交變的電磁場，通過電磁感應(yīng)在接收端的接收線圈中產(chǎn)生同頻率的交變電流，從而實現(xiàn)無線傳輸電能的目的。該交變電流在接收端中產(chǎn)生相同頻率的交變電磁場，通過調(diào)整線圈，使的兩者振蕩頻率相同，故兩者產(chǎn)生共振作用，使能量的傳遞作用得到加強。最終電能從發(fā)送端通過電磁耦合方式傳送到無線供電接收端。

系統(tǒng)分為電能發(fā)射部分，無線互感部分，電能接收部分三大模塊。無線互感部分通過兩個結(jié)構(gòu)和形狀相同的線圈實現(xiàn)，為保證能量的最大傳輸，必須調(diào)整兩個線圈使得線圈盡量對準。

1.2 發(fā)射電路設(shè)計

發(fā)射電路主要包括降壓電路、逆變電路、主控電路、發(fā)射線圈等。系統(tǒng)先通過降壓電路將220V市電轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪航涣麟?，?jīng)整流后輸出5V直流電。

主控芯片采用XKT-408及T5336集成芯片。XKT-408對整流后的直流電進行高頻逆變產(chǎn)生高頻交流信號，送到發(fā)射線圈。圖2中XKT-408外接電阻和電容用來調(diào)節(jié)電磁波發(fā)射頻率。

T5336集成芯片與XTK-408配合，實現(xiàn)發(fā)射控制及管理。在振蕩過程中由于線圈的內(nèi)阻及能量傳輸過程中的損耗，會導致電路中振蕩電流衰減，通過控制T5336輸出口電壓以補償電路中的損耗電壓。

主控芯片通過調(diào)整控制發(fā)送端發(fā)送功率的大小，實現(xiàn)對發(fā)射端電信號的監(jiān)測及控制。

1.3 接收電路設(shè)計

電磁信號經(jīng)接收線圈電磁耦合進入接收端，接收系統(tǒng)傳輸過來的無線電能。接收端的另一個功能是進行電路的實時監(jiān)控。接收模塊由以下幾部分組成，分別為接收主控模塊、整流濾波模塊、接收端電壓產(chǎn)生電路以及負載。接收模塊如圖3所示。

接收端采用T3168無線接收芯片，接收傳遞來的高頻能量信號。外接RC并聯(lián)電路，在電壓輸出端并聯(lián)一個反饋電阻，構(gòu)成負反饋電路，以改變接收電路負載大小，耦合傳遞到發(fā)射端，與T5536共同實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)管理。

2 負載模塊

本系統(tǒng)選用藍牙音箱作為負載來進行輸電效率測試，負載大小為2*4Ω/1ω。該負載進行輸電效率測試較為方便。在調(diào)試時，可根據(jù)播放音效變化直觀感受無線輸電效率的變化，便于調(diào)整線圈距離和角度。該模塊主控芯片采用的是CRS公司生產(chǎn)的57F86藍牙模塊， 配合CSR BLUECORE5 芯片提升模塊的音質(zhì)和兼容性。

有源音箱放大芯片采用的是ST公司生產(chǎn)的TDA2822M集成電路。

3 系統(tǒng)測試

測試時，調(diào)整耦合線圈角度和距離，使負載音箱播放音樂效果達到最佳，然后調(diào)整音箱音量，進行功率傳輸測試。逐漸增大線圈距離，在負載音箱輸出無失真的情況下，測量系統(tǒng)的發(fā)射及接收功率。

4 結(jié)論

測試結(jié)果表明，在輸出端負載為2*4Ω/1ω的情況下，輸電距離可以達到28cm。發(fā)射端電源功率為21.56w時，接收端功率可以達到4.8ω，傳輸效率η=22.2%。

無線輸電系統(tǒng)的能量傳輸效率隨傳輸距離的增加而減小，只有在發(fā)送功率和接收功率達到平衡時，無線能量傳輸達到最優(yōu)的狀態(tài)。實驗表明，負載電路對系統(tǒng)也會起到一定影響。在今后的設(shè)計中，可通過增大發(fā)射端輸入電壓和增加兩線圈的尺寸，來提高無線輸電系統(tǒng)的工作效率，從而增加無線輸電的傳輸距離。

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作者單位

荊楚理工學院 湖北省荊門市 448000