基于無線電能傳輸技術的隔離電源控制器研制

章海鈺

（上饒市中盛水電實業有限公司，江西 上饒 334100）

0 引 言

隨著電源技術的不斷發展和創新，傳統的隔離電源使用導線傳輸電能存在安全隱患和限制，因此需要一種更安全、高效的電源供應方式。無線電能傳輸技術作為一種應用潛力巨大的解決方案，成為了研究和開發的重點。本文主要研究基于無線電能傳輸技術導向下的隔離電源控制器研制。電能可以通過電磁場實現無線傳輸，避免了傳統導線傳輸帶來的安全問題，并提供了更大的便捷性。隔離電源控制器作為電子設備中常用的電源供應方式，其研制和改進具有重要意義。

1 無線電能傳輸理想模型功率與效率分析

理想情況下，無線電能傳輸的功率與效率應該達到最大化。功率大小與發射端的電源輸出能力和接收端的負載需求有關，效率則涉及無線電能傳輸過程中的能量損失，主要包括發射端到接收端之間的傳輸損耗、接收端的電能轉換損耗以及負載電能利用效率等[1]。無線電能傳輸系統近似等效為如圖1所示的電路。其中：Uin為高頻交流電壓源；L1、C1、R1為發射端線圈的電感、匹配電容、內阻；L2、R2、C2分別為接收端線圈的電感、內阻、匹配電容；RL為負載電阻；M為L1、L2之間的互感。

圖1 無線傳輸理想模型

圖1中，電路特性表示為

ω為角頻率，Z1為發射端的回路阻抗，可以表示為

Z2為接收端的回路阻抗，表示為

線圈諧振角頻率的計算公式為

負載RL上的輸出功率Pout為

發射端的輸入功率Pin為

系統傳輸效率η可以表示為

當耦合系數k非常小時，則這2個極值點所對應的頻率相近，即L1、C1與L2、C2的串聯阻抗為0 Ω，則有

從而得出

最終的輸出功率和效率為

可以根據無線電能傳輸系統的參數如傳輸距離、天線面積、能量密度等，計算系統在理想模型下的功率和效率[2]。

2 基于無線電能傳輸技術的隔離電源技術方案

2.1 電磁轉換發射模塊

在電磁轉換發射模塊中，通過直流電源提供輸入電能，電磁轉換發射模塊中的電路會將直流電能轉換為高頻交流電能。這一轉換通常通過諧振振蕩電路或開關轉換電路實現。諧振振蕩電路利用共振電路的特性，在特定頻率上實現高頻振蕩。開關轉換電路則通過切換開關元件的狀態，將直流電源的能量轉換為高頻脈沖信號。電磁轉換發射模塊中的高頻電能會被傳輸到天線上，天線將其轉化為電磁輻射能量并發射出去[3]。

2.2 磁電轉換接收模塊

磁電轉換接收模塊是一種利用磁電轉換原理將電磁能量轉化為電能的裝置，主要基于電磁感應現象。當磁電轉換接收模塊處于電磁輻射場時，其中的磁性材料會與外界的磁場發生相互作用。這種相互作用會導致磁性材料中自由電荷的運動，從而產生電流。接收模塊中的線圈或電極裝置會捕捉到這個電流并將其導出。通過接收到的電流，磁電轉換接收模塊可以將電磁輻射能量轉換為直流電能。這種轉換利用了電磁感應法則中的法拉第定律，即當一個導體被磁場穿過時，通過導體的閉合回路會產生電流。

2.3 充電管理模塊

充電管理模塊通常由微控制器或專用充電管理芯片組成。通過提供精確的電流和電壓控制，充電管理模塊可以根據充電需求和電池特性調整充電參數，確保充電的安全性和效率。此外，充電管理模塊配備了多種保護機制，如過流保護、過壓保護、溫度保護以及短路保護等，以保障充電的安全性和可靠性。

在充電過程中，充電管理模塊能夠實時監測充電狀態，包括電池電壓、電流以及充電時間等[4]，可以及時判斷充電完成的標志并做出相應處理，如斷開電源或者進入維護模式。充電管理模塊還能提供多種接口和通信功能，方便充電狀態的監控和控制。

3 樣機性能測試

3.1 控制器系統對外輸出電壓測試

測試控制器系統測試旨在驗證控制器系統能夠輸出穩定可靠的電壓，以滿足外部設備或負載的電力需求，確保電源控制器在正常工作的前提下，隨機選擇輸入電壓進行測試。使用電壓表和示波器測試電源控制器在不同工作狀態下的輸出電壓穩定性與紋波參數，主要包括市電供電下的空載狀態、帶負載工作狀態以及電池供電情況下的空載和帶負載工作狀態。測試中應接入一個單個數據采集器作為負載，穩定工作功率為3 W。為了評估市電供電下的輸出電壓穩定性和紋波參數，輸入市電224 V系統的輸出電壓測試如表1所示，蓄電池供電系統的輸出電壓測試如表2所示。

表1 輸入市電224 V系統的輸出電壓

表2 蓄電池供電系統的輸出電壓

3.2 控制器系統長時間持續供電測試

控制器系統的長時間持續供電測試是為了驗證系統在實際應用中連續工作的能力和穩定性[5]。該測試旨在檢查系統的電源管理、散熱性能以及穩定性，以確保在長時間運行的情況下，系統能夠保持正常的功能和性能。在進行長時間持續供電測試之前，需要確保系統處于正常操作狀態，并且所需的外部設備和負載已正確連接。測試期間應記錄系統的運行時間、電壓、電流以及溫度等關鍵參數。在采用市電供電的工作模式中，系統負載為單個數據采集器，穩定工作功率為3 W，每2 h讀取一次負載端輸入電壓、電流值，得到如圖2、圖3所示的負載端輸入電壓、電流曲線。

圖2 負載端的輸入電壓

圖3 負載端的輸入電流

測試結束后，需要評估記錄的數據并進行分析。如果系統在長時間持續供電測試過程中出現故障或異常情況，則需要進行故障排查和修復；如果系統能夠在持續供電測試中穩定運行，則可以確認其具備長時間穩定供電的能力。

4 結 論

本文基于無線電能傳輸技術，研究并提出了一種基于無線電能傳輸技術的隔離電源控制器。通過對無線電能傳輸系統理論的分析，以及對電磁轉換發射模塊、磁電轉換接收模塊和充電管理模塊等技術方案的設計與實現，可以有效解決傳統隔離電源存在的安全隱患和便捷性問題。通過樣機性能測試，可以驗證控制器系統的性能表現，并通過長時間持續供電測試評估其穩定性和耐久性。