电子设计大赛实验报告.docx

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电子设计大赛实验报告

2014年省大学生电子设计竞赛实验报告

无线电能传输装置（F题）

2014年8月15日

摘要：

本设计基于磁耦合式谐振荡电路来进行无线电能传输，点亮LED灯。

由于输入和输出都是直流电的形式，因此本系统将分为以下四个部分：

第一部分为驱动电路（DC-AC），为使直流分量转化成交流电并通过耦合线圈将电能传输给负载，采用LC谐振的方式让回路中电容和电感构成一个二阶LC谐振电路，驱动MOS管形成交流电。

第二部分为发射电路（AC-AC），应用电磁感应原理，在二次线圈中产生感应电流并输给接受电路。

第三部分为电能转换电路（AC-DC），输出的感应交流电经整流桥桥式整流后流入升压电路。

第四部分为升压电路（DC-DC），对整流之后的直流进行升压，防止整流后的电压无法驱动LED。

本设计分模块搭建并对各个部分电路进行原理分析。

在调试时，采用分模块调试，根据调试结果修改参数，最终形成一个完整的稳定系统。

关键词：

磁耦合式谐振荡电路LC振荡电路桥式整流DC-DC升压

[Abstract]

Thedesignisbasedonmagneticresonanceoscillationcircuitcoupledtothewirelesspowertransmission,litLEDlights.Sincetheinputandoutputareintheformofdirectcurrent,sothesystemwillbedividedintothefollowingfourparts:

Thefirstpartofthedrivecircuit（DC-AC）,isconvertedintoalternatingcurrentsothattheDCcomponentandthepowertransmissionthroughthecouplingcoiltotheload,usingLCresonantcircuitinamannersothatthecapacitanceandinductanceformasecondorderLCresonantcircuit,theACdriveMOStubeformation.Thesecondpartisthetransmittercircuit（AC-AC）,applicationoftheprincipleofelectromagneticinduction,inducedcurrentinthesecondarycoilandlosttoacceptcircuit.Thethirdpartisthepowerconvertercircuit（AC-DC）,alternatingcurrentoutputinducedbytheflowintotheboostercircuitbridgerectifierbridgerectifier.Thefourthpartistheboostcircuit（DC-DC）,DCrectifiedafterboostingpreventrectifiedvoltagecannotdriveLED.Thedesignofthevariouspartsofsub-modulestructuresandprinciplesofcircuitanalysis.Whendebugging,usingsub-modulesdebug,modifyparametersbaseddebuggingresults,eventuallyformingacompletestabilizationsystem.

[Keywords]

MagneticallycoupledharmonicoscillatorcircuitLCoscillatorcircuitbridgerectifierDC-DCboost

1系统方案

题目分析：

图1电能无线传输装置结构框图

题目给出的电路功能结构框图如图1所示，输入直流电压U1=15V，输入直流电流I1≤1A，驱动电路将流入的直流逆变成交流。

交流通过发射线圈，经无线传输后在接收线圈中产生感应电流。

经过电能变换后，整流后的直流给1W的LED供电，其中输出直流电压U2≥8V，输出直流电流I2=0.5A。

系统的输入输出皆为直流，但因为部有无线传输模块，而无线电能传输是基于电磁感应原理，即为广义的AC-AC转换器。

所以驱动电路中必有DC-AC转换器，电能变换电路中必有AC-DC转换器。

三个转换器是本设计的核心。

但是考虑到线圈的耦合系数和电路部的损耗，初始直流输入15V产生的功率可能不够，所以得进行升压变换，加入第四个转换器——DC-DC。

除此之外，题目还给了两个最优目标：

在达成要求的基础上，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η；在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。

因此，综合考虑，我们的方案如下。

1.1发射驱动电路方案的论证及分析

驱动电路的目的是将直流逆变成交流从而驱动发射电路，以下就逆变方式对方案进行分析。

方案一：

选用RC振荡，采用TI公司生产的NE555芯片构成振荡频率约为510KHz的信号发生器，为功放电路提供激励信号，谐振荡放大器由LC并联谐振回路和开关管IRF840构成，将一可调电容器与固定电容相并联来调节谐振频率。

我们对此方案进行了尝试制作，发现该电路回路复杂，功率较大，效应管很容易发热且易烧坏，且对振荡线圈要求较高。

方案二：

我们设置了两个MOS场效应管来进行电路驱动。

选用继电器来进行启动，能起到很好的保护作用。

我们在面包板上预留一些可以直接插独石电容的卡槽，一方面与发射线圈（电感）形成LC振荡电路，另一方面方便我们调频，分析在何种情况下传输效率最高。

综上：

对比两者，方案二功耗小而且电路简单，利于我们进行制作。

1.2接收电路方案的论证及分析：

接收电流需要经过整流、滤波，现对这部分进行分析论证。

方案一：

由于整流电路结构比较简单，所以我们可以采用二极管和电容建出模拟的全波整流桥。

方案二：

采用集成整流桥，配合铝电解电容进行滤波。

该方案有比较成熟的芯片技术作为基础。

因此，我们最终选择了方案二。

1.3输出电路方案的论证和选择：

输出电路部分比较简单，我们只需用开关控制点亮两只1W的LED灯泡即可。

另外，经过变换得到的电压可能无法满足题干要求，因此我们设计了备用的升压电路。

方案一：

选用XL6009芯片进行升压。

图2XL6009芯片升压模块

方案一中升压后输出电压围为5V~30V，工作电压为5V~32V，且外围简单,系统设计方便灵活。

方案二：

选用LM2577-ADJ芯片进行升压

。

方案二的输入电压围为3.5V-40V，能按照

进行电压放大，将R1换成滑动变阻器，通过调节滑动变阻器的大小我们能调节放大倍数，从而控制输出电压大小。

考虑到传输过程中的损耗和影响耦合系数的因子过多且无法避免，应留有25%的控制余量，所以选用方案二。

2系统理论分析与计算

2.1电路设计分析及原理

基于磁场谐振耦合的无线电力传输，实际上是将磁场作为传输的介质，通过共振建立发射与接收装置之间的传递通道，从而有效地传输能量。

共振系统又多个具有相同本征频率的物体构成，能量只在系统中的物体间传递，与系统之外的物体基本没有能量交换，在达到共振时，物体振动的幅度达到最大。

基于磁场谐振耦合的无线电力传输理论的基础是耦合模型理论（CMT）。

在耦合模型理论中，对于由两个物体1和2构成的共振系统，设两个物体的场幅值分别为

、

，在无激励源的情况时，对一个存在损耗的系统，系统满足方程

（1）、

（2）

式中ω1、ω2是各自固有频率，

、

是固有损耗率，取决于物体的固有（吸收、辐射等）的损失，k是耦合系数。

用矩阵形式表示即为：

对于共振系统，具有相同的共振频率，可以认为ω1=ω2=ω0,

=

=

于是可求解得到B的特征值，即系统的固有频率

可见，由于耦合的关系使系统的固有频率分开，之间的差别为2k。

假设t=0时，已知

值，且

=0，代入

，为简化计算，当k>>

时。

可以忽略损耗，求得在物体1、物体2中所含能量表达式为

可见，两物体能量的交换最小损失发生在t=

/2k这一时刻。

耦合系数k体现了系统的两物体之间传递能量的速率，当k>>

时，在t=

/2k这一时刻，除了比较小的损耗外，能量比较理想地由物体1完全传递到物体2.

2.1.1发射驱动电路的设计分析

发射驱动电路如图所示：

在电路中我们连入了一个发光二极管，用来检测电路是否通路，同时也是一个启动标志。

我们采用双MOS管的组合进行驱动，形成自激振荡。

产生自激振荡必须同时满足两个条件：

1、幅度平衡条件|AF|=1

2、相位平衡条件φA+φF=2nπ（n=0,1,2,3···）

其中，A指基本放大电路的增益（开环增益），F指反馈网络的反馈系数

同时起振必须满足|AF|略大于1。

如果振荡电路满足起振条件，在接通直流电源后，它的输出信号将随时间的推移逐渐增大。

当输出信号幅值达到一定程度后，放大环节的非线性器件接近甚至进入饱和或截止区，这时放大电路的增益A将会逐渐下降，直到满足幅度平衡条件AF=1，输出信号将不会再增大，从而形成等幅振荡。

这就是利用放大电路中的非线性器件稳幅的原理。

由于放大电路进入非线性区后，信号幅度才能稳定，所以输出信号必然会产生非线性失真（削波）。

为了改善输出信号的非线性失真，我们在放大电路中设置非线性负反馈网络，实际电路中我们加入了两只二极管，使放大电路未进入非线性区时，电路满足幅度平衡条件（AF=1），维持等幅振荡输出。

另外，我们并入了6只独石电容，与线圈形成LC振荡回路。

至此，发射驱动部分告一段落。

2.1.2接收电路的分析

接收电路如图所示：

接收电路包含两部分，第一部分为为LC振荡电路部分，用于接收电流。

第二部分为桥式整流电路与电容滤波电路。

首先我要将交流电化成直流电，这里我们采用桥式整流。

桥式整流与半波整流的相比，输出电压的脉动小很多。

因为我们对直流的要求不是很高，所以在整流后我们只需加上一个电容进行滤波，以减少整流后直流电中的脉动成分。

2.1.3输出电路的分析

图为升压电路部分

LM2577-ADJ开关电源芯片被整体整合在集成电路中，为反激变换开关调节器和前锋转换开关调节器提供电源并且控制这两个调节器。

LM2577-ADJ需要最少的外部器件，那些调节器有非常高的效率而且易于使用，被列在数据表上的是基础电感和反激变换开关调节器一起的被设计用来和那些转换调节器相互工作。

在芯片中有一个3.0ANPN开关及其有关保护电路，组成的电流和热限制，锁定和馈线线路（设备）。

其他特点包括52千赫的振动，不需要外部的频振元件,一个in-rush电流减少时的软启动方式，启动电流模式控制,有效阻止输入电压和输出负载电涌。

特性：

1.需要很少的外部组件。

2.NPN输出转换3.0A，能避开65V电压。

3.输入电压围宽度：

3.5V-40V搜索。

4.为改善瞬态电流型操作而响应、线、电流限制条例

5.52千赫部振荡器.

6.Soft-start功能,减少in-rush起动电流.

7.输出电流限制开关保护、低、停工、热关机.

2.2发射驱动回路器件的选择及参数计算

驱动电路部分核心为MOS场效应管，按照题目要求，输入电压为15V电流为1A，因此我们选用型号为IRFZ44N的MOS管，该MOS管55V49A94W0.0175欧姆，完全符合电路的参数要求。

为了配置自激振荡电路，我们最后选择了47mH的磁环电感。

实际电路中R1、R2为10W100欧的绕线电阻，因为绕线电阻可以过大电流

该部分我们一共插了8个电容，选择了47nF,100nF的电容来使调谐电容可调，配合发射线圈调整发射频率。

2.3接收电路回路器件的选择及参数计算

接收电路部分核心为桥式整流电路，因为要求的输出电压必须大于等于8V、直流0.5A，因此选择合适反向耐压的整流二极管是关键，经过资料查阅，我们最终选择了1N5819肖特基整流二极管，其主要参数为反向耐压40V，额定正向电流1A，完全符合整流要求。

对于滤波部分，我们选用耐压值500V100pF的独石电容。

2.4发射与接收线圈的选择及参数计算

按照报告2.1为使系统工作效率最大化，发射与接收部分工作频率必须尽可能的吻合，

。

首先必须保证发射、接收线圈电感大小一致，于是我们选用1.2mm的漆包线，按照题目要求绕成外径为20cm的圆环，匝数保证严格的各15匝，最后用数字电表测得该线圈电感大小L为110uH.

3电路与程序设计

3.1电路的设计

3.1.1系统总体框图

3.1.2发射驱动电路字系统框图与电路原理图

如流程图所示，发射部分分为四个模块。

原本在设计过程中，我们加入了继电器，如下图所示：

继电器在该电路的作用是仿真启动低电压。

在实际制作过程中，考虑到继电器功率较大、连接上有难度，所以该部分在实际电路中未得到体现

3.1.3接收电路系统框图与电路原理图

e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。

电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。

电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。

如此重复下去，结果在Rfz，上便得到全波整流电压。

其波形图和全波整流波形图是一样的。

从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。

3.1.4发射电路原理

发射部分由两个放大电路组成的二级放大组成，芯片为LM2577-ADJ,

芯片4脚和地之间集成一个开关管，芯片部有产生方波的模块，来控制这个开关管导通和关断。

1．当开关导通的时候，输入的电流就通过电感，开关管，给电感充电。

2.然后开关关断，电感就会通过续流二极管5821给负载供电，通输入也通过电感和二极管供电。

电感和输入通过叠加的作用就实现了升压。

3.然后输出电压通R1R2的比例电阻的分压反馈给芯片，芯片通过计算来调节输出方波的占空比，从而是输出电压稳定在合适的围。

经过升压电路后，我们直接连入LED，点亮小灯泡。

4测试方案与测试结果

4.1测试方案

我们在面包板上预留了一些电容的插槽，通过这种方式来改变电容大小从而调整频率，来使传输效率达到最大化。

同时利用多用数字表来测量线圈电感大小。

4.2测试条件与仪器

测试仪器：

示波器、万用表、数字多用表（测电感）、直流电源

4.3测试过程及分析

图1为发射部分的波形。

在测试过程中，我们输入了15V1A的直流电，经过发射驱动电路的变换后，我们在其发射端得到了最大值为48V近乎完美的正弦波，基本符合了我们的发射要求

图2为接收端（未经过整流、滤波）部分的波形。

经过测量，发射线圈与接收线圈相距11cm。

从图上我们可以看到接收端为正弦波，说明该电路工作正常。

但是峰值只有5.3V左右，尚未达到题目要求的8V及以上，在传输过程中，电能损失较多，传输效率较低，因此需要我们进一步进行调试。

于是我们启用备用的升压电路部分，采用LM2577-ADJ作为主芯片，电路连接如上图所示，进行电路升压。

最后成功点亮了LED灯

4.3.1测试数据

通过测量输出部分（LED处）两端电压

流经电流

得到输出功率

=

，进而得到电路工作η=

（输入电流1A，电压15V）

然后改变发射、接收线圈两部分之间的距离d,跟η的关系如下

距离（cm）

4.3.2测试结论

由测试结果可知，电路能实现两侧的无线电能传输，在输出电压在4.0v以上是，发光二极管均能点亮，且亮度变化不大，当距离加到14cm左右时，发光二极管快速熄灭，原因是输出电压不足以驱动我们的升压电路，导致二极管两端电压急剧减小。

我们通过调谐（主要是加电容）的形式，使得输出电压有微小的提升。

另外，在10cm处我们的传输效率有35%左右，但是之后下降的幅度很大，可以说是急剧降低。

总体来说，基本能完成要求，但是还是存在不足，需要进一步深入研究分析。

附录：

发射部分：

接收部分：

输出部分：