基于相位自適應(yīng)的雙線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

曹志強(qiáng)，李光平，汪 洋

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

磁共振耦合(magnetic resonant coupling,MRC)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)由于能夠突破一定距離的限制及其可接受的功率效率,近年來(lái)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究興趣。麻省理工學(xué)院的Soljacic團(tuán)隊(duì)于2007年提出了通過(guò)兩個(gè)諧振線圈傳輸電能的方案[1]。對(duì)于單發(fā)射線圈和接收線圈的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，隨距離的改變或者角度的變化，接收線圈在發(fā)射線圈上等效的反射阻抗會(huì)急劇變化造成阻抗失配，大部分的能量被反射。只有在二者具有較合適的尺寸比例且接收線圈的位置固定，并與發(fā)射線圈保持合適的距離和角度，系統(tǒng)才能達(dá)到較高的傳輸效率[2]，針對(duì)此問(wèn)題一般有效的解決方案是頻率追蹤和阻抗匹配[3]。實(shí)際應(yīng)用中，接收設(shè)備如消費(fèi)電子類產(chǎn)品并非固定在某個(gè)位置，且不能完全對(duì)齊發(fā)射設(shè)備。增加發(fā)射線圈的數(shù)量可以有效解決此類問(wèn)題，但是接收線圈往往只能與其中某一個(gè)或者兩個(gè)線圈具有較好的耦合度，因此，系統(tǒng)的整體效率普遍不高。

在多線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)研究中，Jadidian J和Katabi D提出了借鑒多輸入多輸出(multiple input multiple output,MIMO)無(wú)線通信系統(tǒng)中的波束成形(beamforming)技術(shù)對(duì)發(fā)射線圈的磁場(chǎng)進(jìn)行賦形，可以使電子設(shè)備在一定距離內(nèi)獲得充電[4]，但系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度較高且對(duì)開關(guān)功放的要求比較苛刻[5]。Shi X Y和Smith J R提出了一種平面線圈陣列選擇中繼的方法提高系統(tǒng)的靈活度和傳輸距離[6],但其提出的模型只可以在某些特定的場(chǎng)景下高效運(yùn)行，局限性相對(duì)較高。Waters B H和Mahoney B J提出了相位陣列技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效傳輸，但并未在高功率條件下進(jìn)行測(cè)試[7]。Lee S B和Jang I G在接收線圈的印刷電路板(printed circuit board,PCB)布線上提出了一種優(yōu)化的方案提高多發(fā)射線圈系統(tǒng)的傳輸效率，但PCB布線的方案難以在實(shí)際應(yīng)用的情況下廣泛使用[8]。

本文系統(tǒng)主要借鑒了無(wú)線通信系統(tǒng)的相位陣列技術(shù)對(duì)多個(gè)發(fā)射線圈的相位進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的系統(tǒng)可以將更多的能量聚集在與接收線圈耦合程度較高的發(fā)射線圈上，同時(shí)抑制了其他耦合程度不高的線圈上的能量大小。設(shè)計(jì)的兩組自動(dòng)切換阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)保證了系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行。搭建的雙發(fā)射線圈系統(tǒng)在高功率條件下成功運(yùn)行并驗(yàn)證了通過(guò)相位控制算法提高了系統(tǒng)的傳輸效率。

1 雙線圈系統(tǒng)理論分析

在無(wú)線通信系統(tǒng)中對(duì)發(fā)射天線陣列做相位調(diào)整會(huì)使得電磁波信號(hào)在遠(yuǎn)場(chǎng)上有效疊加。磁共振耦合系統(tǒng)中的多發(fā)射線圈則利用了線圈在近場(chǎng)上的磁耦合互感，改變兩個(gè)線圈電流的相位可以將能量更多的聚集到某個(gè)線圈上。同時(shí)由于相位的改變也使得回路的反射阻抗大小發(fā)生變化，改變相位可以更好的匹配阻抗使得功放的效率最大化。

1.1 模型分析

雙線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示。發(fā)射端包括兩個(gè)獨(dú)立串聯(lián)的電感電容電阻(inductance,capacitance,resistance,LCR)諧振電路，接收端包括單個(gè)串聯(lián)的LCR諧振電路。電阻器R1和R2分別為發(fā)射線圈的內(nèi)阻，RL為接收端的負(fù)載電阻器，模型中的三個(gè)線圈兩兩互感。

圖1 模型示意

VS1=IS1R1+jωM12IS2-jωM1IL

(1)

VS2=IS2R2+jωM12IS1-jωM2IL

(2)

接收端的電路方程為

(3)

式(1)～式(3)聯(lián)合求解可以得到

(4)

發(fā)射線圈電流的增大可以增加流過(guò)接收線圈的磁通量，從而獲得更大的接收能量。通過(guò)式(4)可以看到，在幾個(gè)線圈的互相耦合系數(shù)M不變的情況下，流過(guò)線圈的電流不僅和本身源端電壓有關(guān)，也和另一個(gè)回路的電流有關(guān)，而電流包含了幅度及其相位。兩個(gè)激勵(lì)源的相對(duì)相位的改變會(huì)使得發(fā)射線圈的等效阻抗大小產(chǎn)生變化，電流大小的理論計(jì)算值在相對(duì)相位為90°和-90°時(shí)達(dá)到極值，不過(guò)在實(shí)際環(huán)境中，只有阻抗大小和激勵(lì)源匹配得越好，功放才能得到更好的輸出效率。因此，通過(guò)改變流過(guò)兩個(gè)線圈電流的相位差，可以將某個(gè)特定線圈更好地匹配到需要的阻抗上。從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。隨著接收線圈的位置改變，式(4)中的耦合系數(shù)M會(huì)隨之改變，因此，需要相位也要相應(yīng)地調(diào)整。系統(tǒng)的相位自適應(yīng)算法可以根據(jù)耦合系數(shù)M的改變而實(shí)時(shí)改變相位值使得系統(tǒng)保持高效率運(yùn)行。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射結(jié)構(gòu)

圖2為發(fā)射端的結(jié)構(gòu)，本文系統(tǒng)以磁共振的方式進(jìn)行無(wú)線能量傳輸，首先，信號(hào)源產(chǎn)生頻率6.78 MHz的正弦波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器(power amplifier,PA)放大后，再通過(guò)定向耦合器接入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)驅(qū)動(dòng)電感電容(LC)諧振線圈。接收部分將LC串聯(lián)諧振接收到的交流信號(hào)經(jīng)過(guò)整流濾波穩(wěn)壓為負(fù)載進(jìn)行供電。另一方面，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)定向耦合器的隔離端和耦合端兩路信號(hào)的增益和相位差，利用兩路信號(hào)的增益和相位差即可計(jì)算出負(fù)載線圈對(duì)功放的反射系數(shù)，由反射系數(shù)即可直接計(jì)算出負(fù)載線圈的阻抗值。通過(guò)阻抗值大小即可以判斷出接收線圈與哪個(gè)發(fā)射線圈有著更好的耦合，從而做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)信號(hào)高效的能量傳輸。

圖2 發(fā)射端結(jié)構(gòu)

2.2 檢測(cè)電路

輸入阻抗檢測(cè)電路包括定向耦合器、20 dB衰減器、AD8302幅相檢測(cè)芯片和單片機(jī)(micro controller unit,MCU)控制器，其電路模型如圖3所示。

圖3 阻抗檢測(cè)電路

定向耦合器有輸入端、直通端、耦合端和隔離端。輸入端接功率放大器，輸出端接LC諧振線圈，耦合端和隔離端分別經(jīng)20 dB衰減器接AD8302幅相檢測(cè)芯片兩個(gè)輸入端口。增益和相位差的輸出引腳分別連接于MCU，當(dāng)檢測(cè)芯片接收到定向耦合器的耦合端和隔離端的電信號(hào)后，將增益和相位差轉(zhuǎn)換為0～1.8 V之間的電壓值，MCU根據(jù)電壓值計(jì)算增益和相位差從而獲得輸入阻抗值[10]。

2.3 阻抗匹配電路

利用電磁層析成像技術(shù)可以分析發(fā)射線圈在不同匝數(shù)，直徑下的阻抗特性，調(diào)整設(shè)計(jì)使其更加匹配于前級(jí)的功率放大器[11]。但是當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈的距離改變時(shí)，發(fā)射端的反射阻抗變化的范圍可以從幾歐姆到幾百歐姆，這與商用功率放大器的輸出阻抗50 Ω是極其不匹配的，因此,需要額外的阻抗匹配電路來(lái)保證功率放大器安全穩(wěn)定的工作[12]。

L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)通過(guò)單個(gè)電感器和電容器可完成阻抗轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需要匹配的阻抗大小與特征阻抗Z0的大小關(guān)系可以分為L(zhǎng)型和反L型網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)需要匹配的阻抗大于Z0時(shí)選擇L型網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)需要匹配的阻抗小于Z0時(shí)選擇反L型網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)所用阻抗匹配電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自動(dòng)阻抗匹配電路結(jié)構(gòu)

其中,開關(guān)K1用來(lái)控制阻抗匹配兩種結(jié)構(gòu)，當(dāng)AD8302采集信息計(jì)算的反射阻抗小于50 Ω時(shí)，K1與A端口連接，此時(shí)的結(jié)構(gòu)為反L型結(jié)構(gòu)。當(dāng)反射阻抗大于50 Ω時(shí)，K1與B端口連接，此時(shí)結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)型結(jié)構(gòu)。

開關(guān)陣列A1～An控制串聯(lián)電容值的大小，可以通過(guò)繼電器的關(guān)斷選擇單個(gè)容值或多個(gè)電容器的并聯(lián)值。開關(guān)陣列D1～Dm用于控制并聯(lián)電容值。開關(guān)陣列H1～H3用于選擇電感值的大小，通過(guò)以上3組開關(guān)的組合即可完成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)切換，保證功放運(yùn)行在安全的駐波比條件下。

2.4 控制電路

控制電路中，當(dāng)檢測(cè)到阻抗值發(fā)生較大改變時(shí)，啟動(dòng)控制流程。MCU通過(guò)串口通信的方式控制數(shù)字顯示示波器(digital display scope,DDS)信號(hào)源的兩路輸出信號(hào)的相位差進(jìn)行一個(gè)周期的掃描，AD8302檢測(cè)電路對(duì)定向耦合器的信號(hào)進(jìn)行采集和計(jì)算，將各個(gè)相位差下對(duì)應(yīng)的駐波比進(jìn)行排序，將駐波比最小時(shí)刻的相位差找出并調(diào)整兩路信號(hào)的相位差即可以使其達(dá)到最好的匹配效果，提高系統(tǒng)的效率。該相位自適應(yīng)調(diào)整流程如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)控制流程

3 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證理論的正確性，設(shè)計(jì)了一臺(tái)最大功率28W的相位自適應(yīng)無(wú)線能量傳輸裝置。主電路發(fā)射部分信號(hào)源為AD9959 DDS信號(hào)源，頻率設(shè)定為6.78 MHz，信號(hào)功率為0 dBm，相位可由0°～359°任意調(diào)整。MCU型號(hào)為開源硬件Arduino Uno[13]。功率放大器使用基于金屬氧化物半導(dǎo)體(metal oxide semiconductor,MOS)管IRF530制作的線性放大器，工作電壓為12 V，輸出阻抗為50 Ω,增益為39 dB，最大額定輸出功率約為39 dBm(8W)。控制電路中檢測(cè)部分使用的定向耦合器采用了變壓器模式的耦合，其耦合度為25 dB，方向性為35 dB。幅相檢測(cè)器為ADI公司的AD8302芯片，其輸入信號(hào)的功率范圍為-60～0 dBm,因此，耦合器的輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)2個(gè)20 dB的衰減器對(duì)信號(hào)的功率進(jìn)行衰減后才能與芯片進(jìn)行連接。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)部分使用了74HC573鎖存器確定繼電器開關(guān)的控制信號(hào)，ULN2003芯片用于驅(qū)動(dòng)繼電器的開關(guān)，繼電器型號(hào)為JZC—32F。

系統(tǒng)使用的發(fā)射線圈為Nucurrent公司基于6.78 MHz所研發(fā)的PCB電感線圈，尺寸大小為22 cm×16.8 cm，其等效串聯(lián)電阻(equivalent series resistance,ESR)值為3.5 Ω，電感量大小8 μH，Q值為110，搭配的電容器使其準(zhǔn)確地在6.78 MHz頻率下達(dá)到諧振。接收線圈的尺寸為7 cm×5 cm，電感量為2.9 μH，ESR為2.5 Ω，搭配的諧振電容值為190 pF，接收的能量由肖特基二極管SS14整流可以最大程度減少損耗，后級(jí)的DC—DC模塊可以將輸出電壓穩(wěn)定在5 V為負(fù)載供電。接收電路以及裝置運(yùn)行如圖6所示。

圖6 接收電路和裝置運(yùn)行

圖7為固定垂直距離10 cm時(shí)在不同位置下接收能量對(duì)比。圖8為固定在位置1時(shí)不同垂直距離下系統(tǒng)的運(yùn)行效果對(duì)比。

圖7 不同位置下接收能量對(duì)比

圖8 位置1時(shí)不同距離下的效率對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)中的多發(fā)射線圈單接收線圈模型進(jìn)行分析、討論,設(shè)計(jì)了相位自適應(yīng)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和控制流程。實(shí)驗(yàn)證明：所設(shè)計(jì)的基于相位自適應(yīng)的雙線圈無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)可以有效提高雙發(fā)射線圈系統(tǒng)的傳輸效率，具有一定的科研和應(yīng)用價(jià)值。

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