一 種 全 向 無 線 供 電 平 臺 設 計

程瑜華， 萬 鵬， 錢高榮， 陳國雄

(杭州電子科技大學 電子信息學院， 杭州 310018)

0 引 言

隨著科技的發展，人們對供電方式的便捷性與智能性有了更高的要求，傳統的有線傳輸電能的方式已經無法滿足人們的需求，無線電能傳輸技術應運而生[1-5]。當前，主流的無線電能傳輸方式是通過磁場耦合來完成，電源與負載之間不再需要導線的物理連接，可以通過網絡指令進行智能連接，使供電方式更加智能。然而,在某些無線供電應用中，存在接收端在某些區域接收不到能量的“死區”現象。比如植入式腦神經信號采集系統的無線供電應用中，植入器件分布在大腦皮層的不同位置，由于大腦皮層中“溝”和“回”的起伏形狀，導致植入器件和線圈的朝向是不確定的，如果一個接收線圈的方向垂直于磁場的方向，由發射線圈產生的磁場就不會通過接收線圈，接收線圈因此不會接收到任何能量，因此會產生充電“死區”。此外，為了覆蓋所有的接收線圈，發射線圈應該盡可能大，單個發射線圈會導致耦合效率呈梯度下降[4]。

目前，已有很多研究專注于解決“死區”問題。文獻[7-8]中提出了一種由多個線圈組成的發射線圈陣列，這種發射線圈陣列可以擴大輻射區域，但是不能在各個角度實現均勻磁場分布，而十字交叉型線圈[9]結合不同相位的激勵電流結構[10-15]可以實現全向磁場覆蓋，但是覆蓋面積很小。本文提出了一種能夠產生全向并且磁場強度均勻的新型無線供電平臺。相比于傳統的無線電能傳輸的發射部分，本系統能夠提供多角度、均勻性更好的磁場；相比于傳統無線電能傳輸的接收部分，本系統具有更高的接收效率。本文對實驗原理進行了分析，給出了相關系統的設計方法，最后通過實驗進行了驗證。

1 實驗原理與設計

設計的全向無線供電平臺的系統原理圖如圖1所示。圖中，能量發送端使用1個FPGA板和1個多級緩沖器實現，緩沖器的后端接了3塊帶有多個正六邊形相鄰線圈的單層板，作為無線能量發送平臺。能量接收端使用一個螺旋線圈，并在線圈內插入磁芯提高接收效率。

圖1 全向無線供電平臺的系統原理圖

圖2給出了FPGA程序設計的流程圖，將50 MHz晶振利用鎖相環倍頻至150 MHz，12分頻后輸出3個頻率為12.5 MHz的方波信號，3個方波信號之間各相差120°，相鄰信號之間的延時設置為26.67 ns(1/3周期時間)。這3個方波信號用來驅動每層電路板上發送線圈陣列中不同的線圈。發送線圈共有3層電路板組成，每層選擇信號的頻率為3.3 kHz(占空比為1/3)，3層板每一層的選通與關閉由數據選擇器實現。層與層之間有1/3個周期的延時，以確保同一個1/3周期內只有單獨一層處于工作狀態。

圖2 軟件設計流程圖

驅動模塊的電路原理如圖3所示，74AC00芯片產生2個以輸入相位信號為基礎的反相信號VG1_0和VG2_0；通過D觸發器之后，相位信號與層選擇信號的同步，此時，VG1_0和VG2_0作為D類功放兩個功率MOS管的柵極信號Gate1_0和Gate2_0；后級電流型Class-D的功放模塊由層選通信號控制(當layer on時，電流型Class-D的功放模塊開啟；當layer off時，電流型Class-D的功放模塊關閉)。驅動模塊最終將FPGA輸出的信號由3.3 V提升到5 V，電流型Class-D功放可為線圈陣列提供足夠大的輸出功率。

(a)

(b)

(c)

圖3 驅動模塊原理圖

圖4是能量發送線圈陣列的俯視圖，由3層線圈陣列組成(圖中用紅色、藍色和綠色表示)，相互之間交錯排列，3層線圈陣列采用分時復用的方式工作。

圖4 能量發送線圈陣列俯視圖

每層陣列由圖5所示的六邊形線圈組成，任意相鄰線圈之間的激勵電流相位相差120°，單層線圈陣列所產生的磁場分布是每個六邊形線圈所產生的磁場的總和。

圖5 單層線圈結構示意圖

為了優化能量接收的均勻性，計算了目標空間中各點的磁場分布情況。將各個線圈在某個位置、某個角度的磁場進行矢量相加(見圖6)，可以得到孔某個位置、某個角度的磁場。如圖7所示為計算結果與電磁場仿真軟件HFSS得到的仿真結果的對比圖。從圖中可見，計算結果與仿真結果吻合。因此，可以利用計算結果來分析空間中磁場分布的最小值、平均值和標準差。其中，最小值在優化時的優先級最高，因為最小值處是整個系統性能最差的情況。為了優化最小值(即，提升最小值的大小)，對發送陣列的六邊形線圈的尺寸進行了優化。

圖6 磁場分布圖

圖7 仿真和理論的磁場分布比較圖

發送端的設計和優化目標是產生足夠均勻的各向磁場，而在接收端，其優化目標是在此磁場分布下盡可能地獲取足夠多的能量。因此，在螺旋線圈中插入磁芯來提高接收的能量，提高無線電能傳輸效率。

2 實驗結果

實驗的整體裝置如圖8所示。實驗中，使用Altera公司的EP4CE6F17C8型號的FPGA，時鐘芯片的頻率為50 MHz，FPGA開發板輸出的層信號頻率為3.3 kHz，如圖9所示，同時輸出的3個相位分別為0°、120°、240°，頻率為12.5 MHz的相位信號，如圖10所示。由于本設計中使用了分時復用技術，即在當前時刻3層非重疊發送線圈陣列只會有1層發送線圈正常工作，故在實驗測試時，任一時刻只需要測試單層的感應電壓即可。

圖8 實驗整體裝置圖

圖9 3層FPGA信號

圖10 三相FPGA信號

驅動模塊如圖11所示，將FPGA的輸出信號從3.3 V提升到5 V，然后接入發射線圈陣列單層板，如圖12所示，發射線圈陣列單層板中共有19個正六邊形線圈，測量了距離發送線圈板中心的正方形區域2 cm處的磁場，正方形區域的尺寸為6 cm × 6 cm，共劃分為36個1 cm × 1 cm的小正方形，測試時將接收線圈分別置于正方形區域的49個頂點處，通過示波器測量接收線圈接收到的感應電壓。

圖11 驅動模塊電路實物圖

接收線圈采用直徑為4 mm的磁芯來改善接收線圈的截面面積和感應電壓，在磁芯周圍，用直徑為0.152 4 mm的AWG36型號的銅線繞制20圈，連接導線從接收線圈兩端扭轉，以減少連接導線感應電壓的不穩定性，如圖13所示。

圖12 發射線圈圖

圖13 接收線圈圖

測試過程中，保持發射線圈陣列板與接收線圈中心距離恒定2 cm，分別測試z軸角度為0°、45°、90°時，接收線圈在各個點上方的感應電壓，如圖14所示。對于不同角度的每種情況，在不同的時間分別測量感應電壓5次，然后取其平均值，以減少由操作引起的誤差。

為顯示本設計的優越性，將同相發送陣列線圈(即每層所有的發送線圈的電流相位相同)的測試結果進行了對比。單層同相分別在方位角為0°、45°、90°條件下的測試結果如圖15(a)、(c)、(e)所示，單層三相的測試結果如圖15(b)、(d)、(f)所示。從圖中可以看出，三相單層發送線圈陣列在接收端產生的電壓相比同相單層發送線圈陣列的情況，雖然均勻性較差，但是幅值要高很多。同相單層發送線圈陣列中，因為相鄰兩個線圈之間靠近的導線中流過的電流方向剛好相反，從而相互抵消，因此其在測試區域產生的磁場很低，從而均勻性好。三相單層均勻性較差的缺點，通過3層線圈分時工作的特點進行了彌補。

(a) 單層同相0°

(b) 單層三相0°

(c) 單層同相45°

(d) 單層三相45°

(e) 單層同相90°

(f) 單層三相90°

本設計中3層線圈采用時分工作的方式，即同一時刻只有一層發射線圈板處于工作狀態，故實驗測試時，采用了對3層發射線圈板分別進行測試的方法。作為對比，也將3層同相的情況進行了測試。3層同相分別在方位角為0°、45°、90°條件下的測試結果如圖16(a)、(c)、(e)所示。3層三相的測試結果如圖16(b)、(d)、(f)所示。從圖中可以看出，3層三相發送線圈陣列在接收端產生的電壓的相比于3層同相情況下，幅值要高很多。同時，3層三相的情況相比圖15中單層三相的情況，均勻性提高了很多。

(a) 3層同相0°

(b) 3層三相0°

(c) 3層同相45°

(d) 3層三相45°

(e) 3層同相90°

(f) 3層三相90°

4種實驗條件下，接收端測得的平均電壓對比如表1所示，進一步可以發現3層三相的情況在平均電壓上有較大提高。

表1 4種發送線圈陣列實驗的平均電壓 V

3 結 語

本文設計的全向無線供電平臺，將3層能量發送線圈陣列組合，使發射端的磁場強度更大、分布更加均勻；接收端采用螺旋線圈插入磁性材料，增大了發送線圈和接收線圈間的耦合系數。相比于現有的供電平臺，該系統可以解決無線供電系統中存在的“死區”問題，還可以提高接收功率和能量傳輸效率。

通過原理分析和參數設計，為供電平臺的實驗設置提供了指導。該實驗裝置不僅可以在教學中進行FPGA的使用、電路設計及分析、電磁場等知識教學，而且可以開拓學生的視野，啟發學生進行更多的科技作品創新。