小功率无线电能传输装置系统设计

摘要无线供电技术(WPT-Wireless Power Technology) 作为一种供电技术发展于这几年，在很大程度上和传统供电技术差别不小目前所有的无线能量传输方法中，有一种新型的供电技术，叫做谐振式磁耦合无线供电技术，它不仅可以将无线供电的距离提高到米级范围，而且能使用电设备和供电设备实现物理隔离，如此一来既能让用电设备美观、实用，还能提高用电设备的安全指数本论文的主要研究对象是谐振式磁耦合无线充电电路论文首先研究分析了关于谐振式磁耦合无线充电系统的原理，其次对各个电路模块的功能与工作原理进行介绍，然后设计了该系统的发射与接收电路，最后对谐振式磁耦合无线充电系统进行数组对比试验，分析其功率传输特点与距离传输特点在试验中，通过改变电路的固有参数，可以发现该系统的功率传输特性和功率传输特性会根据理论规律进行相应的变化本论文重点分析研究了该系统的距离传输特性，通过对谐振线圈的电感、线宽、电容等自身参数和驱动电源电压、驱动原信号频率等外界参数进行改变，研究随着改变这些参数，该系统距离传输特性的变化规律，而且测试结果和理论值基本符合，从而实现了本论文的研究目的关键词：谐振式磁耦合；无线能量传输；距离传输特性ⅠABSTRACTWireless power technology (WPT-Wireless Power Technology) as a power supply technology development in recent years, in large part, and not a small difference between the traditional power supply technology. All current wireless energy transfer methods, there is a new power supply technology, called resonant magnetic coupling wireless power technology, it can not only increase the distance wireless power to meter-scale range and allows electrical equipment and power supply equipment to achieve physical isolation , this way both for electrical equipment beautiful, practical, but also improve the safety index of electrical equipment. The main subject of the present paper is magnetically coupled resonant wireless charging circuit.Firstly, analysis of the principles on magnetically coupled resonant wireless charging system , Secondly, the function and operation principle of the circuit modules are introduced , Then designed a transmitter and receiver circuitry of the system , Finally, the resonant magnetic coupling wireless charging system array comparative test ,Analysis of its features and power transmission distance transmission characteristics . In the experiment, by changing the circuit inherent parameter,You can find power transfer characteristics and power transmission characteristics of this system will make the appropriate changes in the law according to the theory . This paper focuses on studies from the transmission characteristics of the system ,Through the resonant inductance of the coil, line width, capacitors and other parameters and drive their own power supply voltage, the drive frequency of the original signal outside the parameters change , Studies with varying these parameters changes of the system from the transmission characteristics, and test results and theoretical values in line, in order to achieve the purpose of this paper.Keywords: resonant magnetic coupling； wireless energy transfer； distance transmission characteristics 目录0引言 11 绪论...................................................................................................................11.1课题研究背景 11.2应用领域 11.3无线充电技术的研究现状 31.4选题依据与意义 42 无线能量传输基本原理...................................................................................52.1无线能量传输方式简介 52.1.1微波式能量传输 52.1.2电感耦合式能量传输 62.1.3磁耦合谐振式无线能量传输 82.2本章小结 103 谐振式磁耦合无线充电系统设计 113.l谐振式磁耦合无线充电系统总体结构 113.2谐振式磁耦合无线充电系统发射电路设计 113.2.1发射端主控模块 113.2.2 DC-AC电路的设计 143.2.3反馈信号放大电路 213.3 谐振式磁耦合无线充电系统接收电路设计 223.3.1接受端主控模块 223.3.2整流滤波及反馈信号电路 263.3.3欠压自动关断电路 263.4本章小结 274 谐振式磁耦合无线充电系统传输特性研究 284.1谐振式磁耦合无线充电系统的距离传输特性 284.1.1谐振频率与线圈固有频率之间的关系 284.1.2当传输距离固定时，接收端电压和信号驱动频率之间的关系 284.1.3线圈固有频率对传输距离的影响 304.1.4导线线径对传输距离的影响 324.1.5线圈直径对传输距离的影响 334.1.6电容参数对传输距离的影响 354.2 谐振式磁耦合无线充电系统功率和效率特性 374.2.1 驱动源电压对传输功率的影响 374.2.2导线线径对传输功率的影响 394.2.3线圈直径对传输功率的影响 404.2.4接收效率 414.3本章小结 435 技术经济分析 446结论 45致谢 46参考文献 47引言自从1968年美国学者Glaser提出了太阳能卫星的概念，利用电磁波接收装置将太阳能转换成电能以来，无线电能传输技术一直是能量研究领域的一个热点。

在电力系统中，考虑到绝缘等方面的需要，某些对高压进行测量的设备不便于使用金属导线进行供电同时，考虑到天气、区域等方面的影响，太阳能加蓄电池的方式并不能完全适用在这种情况下，采用无线方式传输电能是一个很好的解决办法另一方面随着近些年来科技的不断发展，越来越多的电子设备为我们的生活带来便捷的同时，也受到众多电源线和数据线的困扰，这就迫使我们寻找一种新的能量传输方式来避免众多复杂的电源线等因此无线电能传输作为一种新的能量传输方式正逐渐受到人们的重视，它有十分重要的应用价值及开发前景，对能量的供应方式和人们的生活产生难以估量的影响辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1 绪论1.1课题研究背景由于社会科技水平的不断提高，对于移动通信的高要求迫使科技工作者在及时通信等相关领域不断的探索，尤其是当今与人民生活息息相关的手机领域，更是不断推陈出新，在娱乐，工作，生活中给了大家诸多便利的同时，手机的屏幕尺寸也在不断的变化，再加上手机由普通的按键方式转变到了触摸方式，这就造成了手机的耗电量相比以前有了很大的提高通过权威调查研究，普通的视频功能的手机耗电量相比以前要高出1-2倍[1]，以前只有少部分人对手机的待机时间有特殊要求，但是当今生活对手机的过度依赖使手机的待机时间成为了大家选择手机的一项重要指标，但这个指标受制于手机内部所配套的电池，根据权威调查，电池的更新换代在最近几十年不会有明显的进步[2]，如果增大电池体积来达到延长使用时间的目的，那么增加手机待机时间的负面结果是使手机的便携性下降，因此手机用户需要一种可以随时随地充电的一种装置。

使用传统的有线充电方式，虽然可以满足用户的需求，但对用户而言很不方便，因此，一些工程师便想到采用无线充电的模式来解决上述问题，采用无线充电不但可以省去了用户随身携带电源线的烦恼，而且充电设备与电源分离，不会产生危险，这也是采用无线电源的一大优势，同时，无线充电还具备保护环境，防水，多机共用，防尘等优点[3]无线充电的研究自1840年电磁感应定律被发现以来就开始了，特别是最近几年，随着手机，平板的普及和功耗的增加，无线充电又一次被世界知名的电子厂家提到了重要的地位，但传统的无线充电不是传输距离过近就是不可以穿过障碍物，因此都不可以作为这些消费品的固定充电模式但近几年，磁耦合谐振式无线充电技术的不断进步在无线充电领域引起了相关专家的注意该种无线充电方式最先是在2007年美国AIP工业物理论坛上由MIT一个课题小组提出的，并在 《Science 》发表了相关文章(《 Wireless Power Transfer Via Strongly CoupledMagnetic Resonances》)，该技术不仅可以使无线能量传输数米，而且可以穿过多种非金属的障碍物，并在一定的距离内传输较大功率[4,5]。

1.2 应用领域 作为一种新型的充电方式，磁耦合谐振式无线充电有着广阔的应用领域，其在传输功率上有着不同梯度的应用，既可以应用于小功率的生物移植，也可应用于大型设备的电源补充[6]，下面就对这种新型的供电方式的具体应用做一个初步的介绍 生物医学: 由于时代的进步，医疗水平也在科技水平进步的前提下不断提高，特别是类似于助听器，人工心脏等电子辅助设备的应用，更是对人们的健康长寿起到了关键的作用，但是这些设备给人们带来便利的同时，也存在一个不可忽视的问题，就是需要定期给体内的这些设备进行能量补充，也就是所谓的充电问题，目前，这种设备的充电方式主要有两种方法，分为有损方式和无损方式，有损方式就是导线要穿过皮肤进行体内设备电量的补充，无损方式就是通过无线充电的方式为体内的设备进行电量的补充[7]，作为一种新型的充电方式，无损方式自然要优于有损方式，因其不会破坏皮肤组织，不会引起额外的病变，并且可以很大程度上减小病人的痛苦，只需通过之前移植到体内的感应线圈便可以进行能量的补充，这也为医疗器械领域开辟了一个崭新的方向，但这种方式对医疗设备的要求极高，主要是由于该种设备的电源要事先植入体内，一旦出现问题，处理起来会很复杂。

小功率设备:对于一些小功率的用电设备，比如电动牙刷以及电动剃须刀，由于其使用环境始终处于比较潮湿的状态，因此如果长期采用有线充电方式，这样就很容易出现短路，电路进水烧坏等相关故障，但如果采用无线充电的方式，其电路及导线全部密封到壳体内部，这样就彻底隔绝了水与导线的直接连接，也就免除了因设备进水造成设备失灵的现象的发生电动牙刷的出现是在上世纪的七十年代，其方便之处在于当你不用时，只需将设备放入其对应的底座便可为设备充电随着手机在人们的生活中越来越重要，手机无线充电也成为了时下科技工作者努力开发的一个新兴领域[8] 机器人领域:机器人作为现代技术的结晶，其智能与否也代表的当今科技水平，在传统的机器人设计中，负责传动的驱动器与控制中心的距离通常都很近，这样设计目的是为了让控制中心可以更快更优的给每个传动装置提供大量的功率以及数据，尤其是在液压设备中，这种现象更加明显，所以从安全性考虑，机器人的工作部件的灵活性就会被限制，同时这种导线直接连接方式在机器人长时间的运动的情况下其可靠性就会收到很大的考验[9]与此相反，采用无线充电的方式就会避免上述情况，原因是电路和电线都会被密封在机器人内部，减少了因长期磨损带给机器人的不稳定因素。

1.3 无线充电技术的研究现状 目前，无线充电技术经过上百年的发展，己经从理论研究迈向了实际应用的阶段，市面上己有的产品遍及生活，航空，探险等相关领域，目前比较常见的有无线充电牙刷，无线充电剃须刀，无线充电飞机，无线充电水下探索器等相关产品，这些无线充电产品在推动了科技发展的同时也给人们的生活提供了很大的便捷随着最近几年大屏触控技术的发展，相关产品的耗电量也在成倍的增加，这对电池的使用时间提出了更高的要求，在电池技术未发生明显提升之前，改变电池的充电方式就变得格外重要，正因为如此，近几年，全球很多电子厂商都对无线充电技术进行了相关研究，手机，平板电脑及PDA等电子设备相继推出了无线充电产品，这些无线充电产品的推出对于无线充电技术领域是有着长远的意义的从目前来看，电力无线传输技术主要有三种方式:电感耦合型(利用电流通过线圈产生磁力实现近程无线供电)、微波型(电力转换成电波进行无线供电)、磁耦合谐振型型(利用磁场等谐振效应近程无线供电)，以上几种技术的发展方向始终集中在对电力发送装置和接受装置的改进上微波型技术的方向主要在于如何提高电流的Q值以及保持传输效率，这对于低功率的消费电子产品来说意义不大，相对来磁耦合谐振型和电感耦合型更有商用推广的价值。

电感耦合型是一种高效和通用的无线充电方式，主要是分别在供电部分和接收部分设置电极，利用电极间产生的电磁场场来供电的方式在2010年深圳举行的高交会电子展上，村田就展出了一款支持移动设备充电的电场耦合式无线电力传输模块，通过内置入移动设备的RFIC以及植入充电模块的充电板，就可以实现“无线充电”功能磁耦合谐振方式的非接触充电目前已经得到快速发展，该技术不但增加了能量无线传输的距离，也支持水平方向的错位，不会象目前已实用化的、由线圈向线圈供电的电磁感应式非接触充电技术那样，在异物侵入时会出现发热、电磁波及高频波等问题而且，与电磁感应方式不同，谐振方式不使用铁氧体及利兹线圈，因此可降低产品的重量及成本美国麻省理工学院(MIT)于2007年6月、美国英特尔公司于2008年8月分别发表了使用磁耦合谐振式无线能量传输的技术，使用该技术有望给行驶中的汽车进行充电，基于磁场耦合谐振技术，日本索尼公司开发了延长无线传输距离的技"RepeaterDevice"，使用该技术可以不用电源线向远至SOcm的电视机传输60W电力相关的技术也被中国的海尔在2010年美国举行的CES展上展示其“无尾电视”此外，索尼发布的卡片相机TX300V/TX200V，夏普发布的SH-13C手机，均采用无线充电功能，其中SH-13C透过无线充电，将手机搭配的1230mAh电池充满约需2至2.5个小时。

美国高通(Qua.lcomm)开发出一款采用磁共振方式进行无线供电的“eZone"，可以为搭配充电台座的“iPhone”充电据测试，如果为1000mAh容量的电池充电，2小时内便可充满除了这些国际厂商，在国内相关的产品也不少目前市面上可以看到上百种针对iPhone的无线充电板或手机套，价格从100多元到900多元不等这种产品(类似产品如“点金石”)一般分为两个部分:一部分为充电板，另一部分为与手机连接的电源接收器，其实现原理依然是电磁感应，不过其含有的问题也很多这些产品一方面存在发热量大和电磁辐射的问题，另一方面没有对于错误充电的认证方法，容易酿成危险，同时在充电时也无法进行上网等数据传输此外，针对不同的电池，充电的要求也不尽相同目前，无线充电技术在生活的应用还不是很广泛，但一些领域已经开始该方面的应用，比如电动牙刷，电动剃须刀，近几年，该项技术在手机领域的发展受到了世界知名厂商的青睐，比如诺基亚，摩托罗拉，三星等，并且已经推出了无线充电相关产品，目前这些手机厂商正逐步推出商业化的产品，期望在无线充电领域占领市场，但目前手机无线充电领域仍存在几个主要的问题:电磁干扰，充电效率，充电距离等巫待科学家去解决[10-11]。

1.4 选题依据与意义 无线充电产品虽然已经处于产品阶段，但其在充电过程中存在的问题仍然困扰着相关电子工程师，这些问题主要包括无线充电传输距离短、传输效率低、接触感应不稳定以及没有固定的标准等，这些问题是无线充电产品未进入平民化的主要原因，因此，对上述问题的探索及解决便成为了无线充电领域相关工程师的主要任务 磁耦合谐振式无线充电技术作为无线充电的一种崭新方式，为手机无线充电方式提供了另外的一种形式，这种方式不但可以解决无线充电的效率问题，而且在传输距离的这个无线充电的瓶颈上也有一个大的发展，这也为无线充电领域开辟了一个崭新的道路，也为广大的无线爱好者提供了全新的思路和方法[12]谐振式磁耦合无线充电技术在未来一定能对无线充电等相关领域带来积极的促进作用，同时为我们的生活提供更便捷的服务，这也是我选择本题目的最终目的2 无线能量传输基本原理2.1 无线能量传输方式简介 2.1.1 微波式能量传输 1) 微波式能量传输理论 该种传输方式主要利用发送设备将能量转变成微波，通过天线发送至空间，最后通过接收设备接收，最后将微波转变成需要的电能[13]，即这种传输方式是将空间当做传输导线，通过微波传输能量，微波式能量传输的基本结构如图2-1所示。

图2-1微波传输系统组成方框图Fig. 2-1 Composition microwave transmission system block diagram 在这个过程中，每一部分效率分别为：直流微波转换部分：70%-90%天线发射部分：70%-97%空间传输部分：10%-95%接收并转化为直流部分：80%-92%假设各个部分都能达到最大的效率，此时整个电路的效率为:76.3%[14]经试验验证，本系统的最大传输效率为54%，正因为其设备的各个部分相互牵制，故而达不到最高的理论值，因此该传输设备需要解决此问题2) 微波式能量传输特性该种无线能量传输方式首先经过能量转换，然后发送到空间，最终被接收转换利用，与通信系统相比较，它包含了不同的特色，这种传输方法有如下的几种特点: 1.发送设备与接收设备之间为无质量传输 2工作频率为高频，因此相应器件质量很轻 3.传输速度为光速 4地球引力对传输不构成干扰 5.方向性强 6.在空气中传播损耗小，在真空中零损耗[15-17] 对于以上特性，微波式传输与其他的方式相比较还是存在很大的优势的，但对于第4条尤其重要，在外太空，目前所有形式的能量传输都要克服重力方可进行传输，而微波供电却不会出现这种情况，只是需要在地面安装一个发送装置，在太空中放置一个很轻的接收装置便能接收来自地面发送的能量[18]。

3) 微波式能量传输应用实例位于加拿大的一个研究中心于上世纪80年代发明了一款飞机，它的最主要特点是能接收地面的微波信号，正是利用这个特点，其能在发射站周边2000米的地域里飞行，而且由于能够不断供给能量，因此其可以在空中长时间飞行，图2-2为该款飞机在空中试飞场面[19]图2-2微波供电飞机Fig. 2-2 microwave powered aircraft2.1.2 电感耦合式能量传输1) 电感耦合式能量传输理论此能量传输方式根据的是电磁感应原理，很显然，变化的磁场能够产生电流，可是因为传输效率太低而且过于危险，因此该理论的实际应用收到限制，同时，电磁没有方向性，所以不适合传递能量在上世纪八十年代，Ysakaaw 和日本国家研究院一同提出了感应电能传输技术[20]，直至九十年代，奥克兰大学的一个科研团队展开对该项技术了研究，并且正式命其名为感应耦合电能传输技术[21]，后来，Pro.Qoys和他的科研团队深入的探索这项技术，并获得多项专利[22]，进入21世纪，全球各个发达国家竞相对无线充电技术展开深入研究，日本，德国，美国均已推出许多无线充电的商业产品2) 电感耦合式能量传输的机理该项技术主要是应用了变压器理论以及电磁感应定律，利用最新的电子及器件技术，使其达到了无线充电的目的[23]该方式的无线能量传输流程如图2-3所示: 图2-3电感耦合式传输流程框图Fig. 2-3 inductor coupled transmission flow diagram前端若是采用市电供电，必须利用整流器整流，将其转变成直流电，然后经过逆变电路对其进行高频逆变，接着通过变压器，将能量从变压器一端变换至另一端，变压器原副线圈因为电磁感应，副边线圈则会产生交流电，从而实现能量的无线传输的目的[24]。

3) 电感耦合式能量传输的应用实例电感耦合式能量传输技术在生活中应用相对广泛，比如电动牙刷(图2-4 )，牙刷所处的使用环境相对潮湿，很容易进水，若采用无线充电方式，便可以避兔上述问题，提高了电动牙刷的使用年限[25]图2-4电动牙刷Fig. 2-4 electric toothbrush电感耦合式充电技术还可以用在手机充电器上美国现在有些公司如Wildcharge，己经成功制作出无线式手机充电器如图2-5所示: 图2-5无线手机充电器Fig. 2-5 Wireless phone charger2.1.3 磁耦合谐振式无线能量传输 磁耦合谐振式无线能量传输技术是由麻省理工学院的索尔季喜科科研团队在2006年提出的，其理论基础是电磁谐振理论，通过实验，该团队成功地隔空点亮了两米外的灯泡，该项实验的成功在无线充电领域是一个下.大的进步，这也正式宣布一种新型的无线充电技术的诞生 该种能量传输技术，是基于电磁谐振理论，在发送端与接收端配置相同谐振频率的谐振线圈，当两者距离适当时，给发送端输送与谐振线圈谐振频率相同频率的驱动信号以及能量两者便会产生谐振，能量便可以源源不断从发送端传输到接收端，发送端消耗能量，接收端吸收能量，这样两个设备之间便实现能量的无线传输[26-27]。

1) 近区磁场 麦克斯韦电磁理沦指出电场与磁场两者互相依赖，当电场不断变化时在其周围会产生磁场，当磁场不断变化时在其周围也会产生电场，这两者互相依存的物质空间我们称之为电磁场，在产生电磁场的区域内又分为近区场和远区场，近区场主要以感应为主，远区场主要以辐射为主，两者之间的界限为一个波长，两者比较，近区场的电磁场相对更加强烈一些[28] 磁场强度的大小在近区场是与距离有很大的关系的，并且在近区场内其均匀性很差，但其能量子始终在发射源及其周围环绕流动，不对外辐射，正是这个原因，在近区场周围放置接收装置，这样便可以把近场区内的交变磁场作为媒介，通过这个媒介向接收装置输送由发送装置提供的能量，这样便达到了无线传输的目的[29-30]2)磁耦合谐振理论谐振磁耦合系统由发射端与接收端两部分组成，发射端与接受端分别有一个谐振器，当发射端出现外部激励信号，而且谐振频率与激励信号频率相近时，该系统就会发生谐振，能量则开始从发射端传送到接受端，实现无线能量传输的目的，图2-6为其原理电路图 图2-6磁耦合谐振原理图Fig. 2-6 Schematic resonant magnetic couplingI图中驱动电压为发射端所要发送的直流电压.，C1与L1构成发射端串联谐振回路，C2与L.2构成接收端串联谐振回路，图中的的功率转化开关的驱动信号频率为f，通过这个开关管，在串联谐振回路中产生发射端所需要的交变电场，由谐振理论可知，当发射端串联谐振频率与接收端串联谐振频率和驱动信号频率相等时，系统产生谐振，传输能量的效率最高，即如果要以最高效率传输能量，电路系统必须满足磁耦合谐振式无线能量传输的基本条件[31]。

谐振系统在工作时谐振器所包含的磁场能量为: 同时，谐振器中所包含的电场能量为： 式中V为电容两端电压，I为回路电流当系统谐振工作时，电场与磁场之间会按一定的时间周期进行能量的交换，并且能量在两者之间的分布是均匀的，谐振回路中电容是存储电场能量的，线圈是存储磁场能量的，因此系统中对于电容以及线圈的选取是很关键的 谐振器的效率是该系统中重要的一个参数，效率的高低直接影响谐振系统的好坏，当然若想取得比较高的效率，就与谐振器的品质因数有很大的关联，品质因数的定义如下Q= 由上式可以看出，如果想要较高的功率，必须要有较高的频率2.2 本章小结本章主要是简单介绍了三种主要的无线电能传输方式的原理，并且详细介绍了谐振式磁耦合无线电能传输方式的原理作用，通过分析电路，对谐振式磁耦合无线电能传输进行仔细分析并构建了简化电路模型3 谐振式磁耦合无线充电系统设计3.l 谐振式磁耦合无线充电系统总体结构 本论文研究的无线充电电路包括两部分，分别是发射电路部分，接收电路部分首先发射电路部分包括：DC-AC电路，反馈信号放大电路、发射端主控模块3部分；然后接收电路由4部分组成，分别是电压欠压自动关断电路，接收端主控模块，整流滤波及反馈信号电路，负载待充电电池。

总体结构图如图3-1如图3-1无线充电电路总体拓扑图Fig. 3-1 overall wireless charging circuit topology3.2 谐振式磁耦合无线充电系统发射电路设计谐振式磁耦合无线充电系统发射电路部分包括：DC-AC电路，反馈信号放大电路、发射端主控模块3部分，本节将重点分析上述三个模块并进行原理设计，最后验证完成电路的可行性3.2.1 发射端主控模块1) 主控芯片 本论文发射端芯片使用的是ATmega48，该芯片采用的是低功耗，高性能的8位AVR微处理器，且具有先进的RISC结构，不易丢失的程序和数据存储器，结构采用TQFP封装，该芯片与外部器件的接连图如图3-2图3-2 主控芯片原理图Fig. 3-2 Schematic master chip原理图各引脚功能介绍如下:2号———————————————备用方波发射引脚3号，5号，21号—地(GND)4号，6号，18号—供电电源(5V)7号，8号—晶振信号输入端(XTAL 1,XTAL2)12号—反馈信号输入端(ICP1)15号—方波信号发射端(MOSI)16号—一下载线输入口 ( MISO)17号—时钟信号(SCK)20号—参考电压(AREF ) 其余引脚悬空。

该发射部分的单片机使用上电自动复位电路，其复位电路构成包括R28，C30，且C30是滤波电容，R28为上拉电阻单片机下载口，其中的RST, 5V, MISO, MOSI SCK 是并用端口，当单片机下载程序时为下载口，当单片机工作时充当数据口I/O口；图中Y1为晶振，它为单片机工作时提供振荡信号，C21，27为滤波电容该主控芯片的作用为振荡电路产生所需占空比的方波信号，根据来自接收端的反馈信号，将自动调整信号占空比，从而实现调节输出功率的目的，对整个发射电路而言该主控芯片相当于“大脑”的作用，通过监测整个电路，进而控制输出信号，控制整个电路2) 主控程序谐振式磁耦合无线充电系统的发射电路部分的主控程序使用AVR软件编写，其流程图如图3-3，程序代码见附件1图3-3 发送端主控芯片程序流程图 Fig. 3-3 sending end master chip program flow chart 3.2.2 DC-AC电路的设计本论文研究的主要是谐振式磁耦合无线电能传输特性，在有限的时间里，能更深入的研究谐振式磁耦合式的传输特性，故直流电压可以采用学生电源，不用再设计相关电源电路，这样不仅能节省时间，还能除去由于前端电压不稳进造成对后续电路测量结果影响的问题。

1) 逆变电路本论文为了供给耦合线圈的交流电压从而进行无线能量传输，采用H桥逆变电路，通过所设计的电路将学生电源公供给的DC信号转变为交流信号，最后提供给LC串联谐振络，原理图如图3-4所示： 图3-4 H桥逆变电路Fig. 3-4 H-bridge inverter circuit在图3-4中，N-MOSIRF7832的栅极驱动电压需要前端电路提供，V1，V2，V3，V4分别是四个栅极驱动电压，且波形均为方波，其中V1和V2互补，V3和V4互补，它的工作原理如下：当Vg1是高电平，Vg2， Vg3是低电平，Vg4是高电平，这时Q1管，Q4管导通，而Q2管，Q,3管截止，电流流经Q1，L1，C14，Q4，最后则进入到GND;当Vg1是低电平，Vg2， Vg3是高电平，Vg4是低电平，这时Q2管，Q3管导通，而Q1管，Q4管截止，电流流经Q2，C14，L1，Q3，最后则进入到GND，通过来自前级电路产生的方波信号Vg1 ，Vg2，Vg3， Vg4用来控制以上4个MOS管的开与关，从而使两个对立的回路导通，这样在LC串联电路两端上就会产生相应的交流方波，如果LC电路固定频率与驱动信号频率相匹配时，驱动信号则会与LC串联电路产生谐振，如果接收端LC串联电路与前级电路的固有频率相同时，则发射端和接收端会发生谐振，电能则会通过高效的磁耦合方式传输到接受端，然后后续电路处理接受端接受的电能，最后通过外接端口给电池充电，实现无线充电的目的。

2) 栅极驱动电路因为是单片机产生的驱动方波信号，虽然其电压值为5V，可是其电流驱动能力很差，不足以驱动IRF7832MOS芯片，所以实验中使用的是TPS28225MOSFET驱动芯片，下面介绍该芯片的特点：可承受高频4A的负载电流; 14ns可调死区时间 较宽的门限输入电压:4.5-8.8V 较宽的PWM信号:2.0-13.2V 具有热保护模块其外部连接如图3-5: 图3-5 MOSFET驱动图Fig. 3-5 MOSFET driver Figure利用该芯片可以增大前级电路产生的PWM方波信号对MOSFET的驱动能力，还可以根据芯片的特点，IGATE,UGATE会产生互补的方波信号Vgl和Vg2，以及Vg3和Vg4，根据这4路信号的交替变换，为后面的逆变电路产生系统工作需要的高频交流电源3) 方波信号整形电路系统电路正常工作必然会产生交流电源，而产生交流电源必须有交流驱动源，而本实验采用的交流驱动源则是由ATmega48单片机产生的0-5 V方波信号，其输出端口为MOSI因为逆变电路需要互补的驱动信号，同时还需要避免Q 1与Q4 . Q2与Q3同时打开，这就要求产生全包络的两个方波信号，所以应该设计一个方波信号延迟电路，在图3-6中，CD4069UBC为非门电路，C11，D4，R12形成了 一个延迟器1，C12，D5，R13形成了一个延迟器2。

图3-6 方波信号整形电路Fig. 3-6 square wave signal shaping circuit该电路使用的非门电路为仙童公司生产的CD4069UBC，其内部集成6个非门电路，采用SOIC封装，并且具有较大的供电电压范围，其内部连接图如图3-7图3-7 CD4069UBC内部连接图Fig. 3-7 CD4069UBC Internal Connections图3-8 非门内部原理图Fig. 3-8 NAND internal schematics 通过对CD4069UBC的认识，以及整形电路引脚间的连接关系，可以得到方波信号整形电路的原理图如图3-90 其工作原理是:由于电容C11，C12的存在，信号在下降沿过程中不会下降的很快，电压呈缓慢下降的趋势，这样就会造成在延迟器的下游非门的识别电压相比较上游的非门输入电压有一定的延迟，具体的输入输出关系如图3-10 图3-10 延迟时序图Fig. 3-10 Delay Timing Diagram由于这种延迟器只是对信号下降沿产生延迟，所以为了产生全包络方波，必须采用CD4069UBC非门电路对方波信号取反，然后和延迟电路相配合产生所需要的包络信号，如图3-11为测试延迟电路各个端口产生的信号波形，在图中该电路达到了预期的效果，实现了对方波信号产生全包络的目的。

图3-11 延迟电路输入输出关系Fig. 3-11 delay circuit input-output relationship最终得到2Y,5Y的输出关系如图3-12，达到了预期的目的图3-12 2Y,5Y时序图Fig.3-12 2Y, 5Y timing chart3.2.3 反馈信号放大电路 1) 反馈信号放大电路原理图对无线充电电路而言，不仅要给接受端充电，同时也要实时对电池的充电情况监测，随时给接受端主控芯片传送电池的电量情况，时刻传送电池的电量情况给接受端负载，这样一来接受端的电流就会发生变化，最终通过耦合方式传送回发送端，即发射端发生了很微小的电流变化，放大电路及比较电路会根据微小变化产生方波，即为接受端发送的编码，最后发送端主控芯片接收到方波信号，通过与预设电压的范围比较，使主控芯片判断电池的电量情况，主控芯片则通过调节方波信号的占空比来控制发送端发射功率的大小，从而达到监测电池电量和控制的目的。

根据以上原理，本课题研究设计了反馈信号放大电路，原理图如图3-13图3-13 反馈信号放大电路Fig. 3-13 feedback signal amplifying circuit该电路原理为逆变电路的采样电阻R14产生采样信号Vi，采样信号Vi通过三级滤波器进到运放U7，由反馈电阻可知，此运放对采样信号放大了27倍，信号经放大后进入自比较器U8A,该比较器作用为当信号是上升趋势时，输出高电平，当信号是下降趋势时，输出低电平，从自比较器输出的信号将通过非门CD4069UBC输出ICP1，ICP1就是接受端电路输出的编码信息，该非门芯片作用是提高输出信号的驱动能力，最终将非门输出的信号ICP1传输到发射端主控芯片，而主控芯片需要通过识别编码判断电池的电量使用情况，然后通过调节占空比调节发送端发送功率大小此部分放大电路使用的是OP07C运放，该运放具有极低的电压补偿，较大的输入电压范围，较小的基极输入电流自比较电路使用的是LM393，该芯片具有较低的补偿电流，较低的补偿偿电压，较低的漏极电流2) 内部电源电路电路中的+5V，-5V 电压采用图3-14电路获得:图3-14 内部电源电路Fig. 3-13 feedback signal amplifying circuit +5V的电压可以由AMS1117稳压芯片提供，该芯片的最大输出电流为800mA，电压调整率不劣于0.2%，符合后续电路的技术要求；—5V电压可以采用LM2663，该芯片的输出电阻为3.5欧姆，符合后续电路的技术要求。

3.3 谐振式磁耦合无线充电系统接收电路设计谐振式磁耦合无线充电系统接收电路可分成5部分，分别是接受端主控模块，整流滤波及反馈信号电路，电压自动关断电路，接受端电压产生电路，负载待充电电池本节将分析和设计以上模块3.3.1 接受端主控模块1) 主控芯片本课题的发射端芯片使用的是单片机ATmega8，这款单片机采用低功耗，高性能的8位AVR微处理器，具有先进的非易失性的程序及数据存储器，RISC结构，并且采用TQFP封装结构，它与外部器件的连接原理图如图3-17图3-17 主控芯片原理图Fig.3-17 master chip schematics上图中各引脚功能介绍如下: 3号，5号，21号—地(GND) 4号，6号，18号—供电电源(5V) 7号，8号—晶振信号输入端(XTAL1，XTAL2) 15号—反馈信号发射端(CONT) 17号—复位信号(RES) 20号—参考电压(AREF) 23号—电压采集信号(ADC0) 其余管脚悬空单片机采用上电复位模式，其复位电路如图3-18,电路供电的瞬间 ,电源电压对单片机进行复位，其中R1为限流电阻，C6为滤波电容图3-18 上电自复位电路Fig. 3-18 Power-on self-resetting circuit单片机需要外部电路供给其一定振荡频率使其工作，这是晶振—相当于单片机的“心脏”：同时为了能方便的调试电路，本实验额外增加了一个调节指示灯，如图3-19所示，其中C7是ADC0信号的滤波电容。

图3-19 晶振原理图 ：调试指示灯原理图Fig. 3-19 Crystal Schematic: Debug LEDs Schematic其中，C4, C5, C7是滤波电容，R2是限流电阻基准电压源可以采用TL431获得，电路连接图如图3-20 图3-20 基准电压原理图Fig. 3-20 reference schematics其中C2, R13构成一阶滤波器，C3是滤波电容，TL431引脚2产生的是单片机的基准电压2) 主控程序谐振式磁耦合无线充电系统接收电路主控程序是采用AVR软件编写，其流程图如图 3-21所示，而程序代码可见附件2图 3-21 接收电路主控程序流程图Fig. 3-21 receiving circuit main program flow chart3.3.2 整流滤波及反馈信号电路1) 电路原理图磁耦合谐振电路接收端电路采用的是LC串联谐振回路，而整流电路则采用全桥整流电路，滤波采用电容滤波方式，并且在电压输出侧并联一个反馈电阻，其作用是通过反馈电阻的开关在反馈电路发送信号时来改变接收电路负载大小，从进而产生使电流改变，最后通过耦合传送到发射端电路，发射端电路则会将该编码传送到发送端单片机，这时单片机则通过识别，最终通过调节占空比来调节发送端功率大小，从而达到控制智能充电的目的。

其电路原理图如图3-22图3-22 整流滤波及信号反馈电路Fig. 3-22 rectifier filter and signal feedback circuitL1，C8构成LC串联网络，其固有频率与发送端LC串联网络一致，Dl，D3, D5, D7构成全桥整流电路，D2 , D4构成稳压电路，C9为滤波电容，R8为反馈负载，其中UCC37321为MOS驱动芯片，其输入端为接收端主控芯片发送过来的控制信号，通过驱动芯片U3来控制MOS驱动芯片的导通，这样便会控制反馈电阻R8是否接入电路，通过电阻R8来调节负载的变化，最终通过电流变化的形式将信号耦合到发送端，最终发送端通过调节发送功率的大小来决定是否给电池充电3.3.3 欠压自动关断电路1) 电路原理图 为了保证电池的高效充电，本课题对充电电压提供了一个欠压自动关断电路，以保证提供给电池的电压始终保持在所设定的范围，其电路设计原理图如图3-24图3-23 欠压自动关断电路Fig. 3-23 voltage automatic shutdown circuit电路中采用的TSM103是由ST公司生产的电压基准源，基准电压2.5V，由接收端电压产生电路产生的电压经过分压与该基准源进行比较，当电压小于预设值时，输出端OUT2产生高电平，导致三极管Q3导通，这样会将MOS管栅极拉低使MOS管关断达到保护电路及节省功耗的目的。

3.4 本章小结 本章主要根据谐振式磁耦合无线充电理论设计了一款无线充电电路，该电路由发射电路和接收电路组成，文中主要对电路中的每个功能模块进行了原理分析，可行性分析，并对该系统电路进行了设计焊接，验证等步骤，经过实验，该电路工作正常，达到了预定的目标4 谐振式磁耦合无线充电系统传输特性研究4.1 谐振式磁耦合无线充电系统的距离传输特性 谐振式磁耦合无线充电电路一个重要的特性是距离传输特性是中众多特性中，传输距离远近会直接影响该充电电路的充电效率和实用性，因此，研究距离特性对于提高充电电路的效率很有必要，本节重点将研究随距离的变化，电路中电参数相应的变化关系，以此研究分析该充电电路的距离传输特性4.1.1 谐振频率与线圈固有频率之间的关系 对于谐振式磁耦合无线能量传输电路来说，传输距离的远近主要由频率决定，而影响固有频率变化的因素主要是电容，电感，线圈直径，线径等参数从理论分析，谐振频率与线圈固有频率大小相等时系统的传输状态才能够达到最优，这同时也是谐振式磁耦合无线传输特性中的特点，也就是当系统电路达到谐振的状态，无线能量传输才能达到最高效率，它的传输距离也相应达到最远。

但是通过实验证实，当接收端输出功率达到最大时，驱动信号频率稍稍比固有频率大一些，而不是与线圈的固有频率相，也就是说线圈固有频率与信号驱动频率并非严格统一，而是存在一定差别，这和理论的结果基本一致表4-1是对7组不同线圈所做的对比实验数据，根据表中数据，只有当固有频率比谐振频率稍稍小一些时，系统的传输状态才能达到最佳，接收端输出电压也才能达到最大 表 4-1 驱动频率与固有频率的关系Tab. 4-1 relation between the drive frequency and the natural frequency线圈1234567电源电压/V7777777线圈固有频率/KHZ728391101123130142系统谐振频率/ KHZ758493103125132143由表中数据可得，在确定信号驱动频率时以线圈固有频率为基础，而且在固有频率的基础上适当的增加便可以达到系统谐振最佳频率，只有这样，系统才能够产生能量传输效果4.1.2 当传输距离固定时，接收端电压和信号驱动频率之间的关系 多方面的因素影响着谐振式磁耦合无线充电电路的距离特性，信号驱动频率便是其中比较重要的一个因索，信号驱动频率数值的大小直接影响了无线充电电路的距离特性。

为了分析此因素对距离传输特性的影响，本节做了以下实验:在固定发射端与接收端的传输距离的同时，通过测量接收端电压随信号驱动频率变化的趋势，来观察无线充电电路系统距离传输特性中传输电压与信号驱动频率之间的关系本节实验电路参数如表4-2，在实验过程中，开始从0kHz逐步增大驱动频率，以1 kHz为单位，以此测量输出端输出电压表4-2 电路参数Tab. 4-2 circuit parameters线圈参数导线线径/mm线圈直径/cm串联电感/mH串联电容/nF固有频率/kHz20.540.3814.4123图4-1 接收端电压与驱动信号频率的关系曲线Fig. 4-1 versus voltage and frequency of the drive signal on the receiving end从接收端电压与信号驱动频率关系曲线可以看出，在信号驱动频率为123kHz, 61kHz, 41kHz, 30.kHz的附近时，无线充电电路接收端的输出电压能够达一个峰值，而且在122kHz时为最高点，同时该数值与线圈固有频率最为接近由图表可知，若以122kHz为主频点f，那么在f/2 ( 61 kHz )，f/3（41kHz)，f/4 （ 30.05kHz )均出现了相应的的峰值，根据此实验现象，能推测出在主频点和f/n处均能达到谐振状态，并且谐振线圈在主频点时谐振最强烈，即若使充电电路产生的电压最大，需要在主频点谐振。

因此根据以上实验数据，可以得到如下结论:当发送端和接收端两者的距离一定，系统处在谐振状态时，在主频点谐振最为强烈，此时的驱动频率和固有频率最接近，而且同时在f/n ( f为主频，n为正整数)处系统也会发生谐振，接收电压的极大值也会在谐振点附近产生，只不过其数值大小相对主频点处会有所降低通过以上实验可验证谐振式磁耦合无线充电电路谐振频率和固有频率之间的关系，即当它们两者。