石文堂 山西省經濟和信息化委員會信息中心 030002

一種能量傳輸電路的設計

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本文介紹一種短距離非接觸的能量傳輸電路設計。從實際應用總結了電路設計的理論依據、芯片選型等，并給出了電路調試的一些技巧，以達到實際應用的目的。

能量傳輸;非接觸;耦合;諧振

引言

隨著社會的進步，我們對新事物的探索更深入、更透徹，各個方面都有了很大的進步。在惡劣環(huán)境下對某些生物的研究往往需要把電路板植入其身體，這就要求電路板體積要小，但帶電源的電路板一般境況下很難做到小體積，因此能量的來源就成為一個大的問題。利用能量耦合（即線圈間的能量耦合）方式具有三個方面的特點：一、可大大的減小電路板的體積，這對電路板植入體內是非常有好處的；二、具有定位作用，如植入電路板的生物只有靠近能量發(fā)射源的時候體內的電路板才能耦合到能量進行工作，可把測量得到的數據通過無線網發(fā)射出去；三、一般情況下不能給大功率的電路提供能量，這種電路只是電感耦合而不同于變壓器耦合，因此提供的能量還是有限的。這里有一個對小白鼠血糖濃度測量的案例，把血糖傳感器、能量接收線圈、無線發(fā)射電路等可做在一個非常小的電路板（接收能量）上植入到小白鼠的體表，還需要有一個發(fā)射能量的電路板?？砂阎踩肓穗娐钒宓男“资蠛桶l(fā)射能量的電路板放在同一個房間內，每當小白鼠靠近發(fā)射電路板的時候，小白鼠體內的電路板就可以獲得能量進行血糖的測量，并把測量得到的數據通過無線網絡發(fā)射出去。

1、發(fā)射電路設計

作為能量發(fā)射源，在設計的時候需要注意幾個方面，發(fā)射的頻率越高耦合到次級（接收線圈）的能量越大，發(fā)射的頻率不能與一些常用頻率相同（如手機頻率，電臺頻率等）?？紤]到發(fā)射頻率太高實現有一定的困難，權衡之下選擇100KHz的發(fā)射頻率。

1)發(fā)射頻率的產生

有多種方法可以產生100KHz的頻率，如專用芯片（max038等）、單片機I/O口模擬、555芯片等等。專用芯片價格昂貴；單片機I/O口模擬需要對相應單片機有一定的了解，開發(fā)周期較長；而555芯片可產生高于100KHz（一般資料上標稱可達到400KHz，而實際上極間電容的影響最大也只能達到150KHz）的方波（傅里葉式展開可知由奇次諧波組成），電路簡單且價格低廉。因此產生100KHz的頻率555芯片是個很好的選擇，其電路如圖1所示。其中1KΩ電位器的作用主要是為了調節(jié)頻率。

圖1 100KHz方波產生電路

2)功率放大

555芯片產生的100KHz的方波需要功率放大。功率放大有多種類型，甲類、乙類、丙類等，其中甲類功放的特點是非線性失真小，效率低（理論值最大為50%）；乙類功放在低頻或高頻都廣泛應用，效率較高（理論值可到78.5%），典型電路是推挽式電路，如圖2所示。丙類功放一般用在高頻窄帶場合。在此選用乙類功放相對要好些。這里還有就是三極管選型的問題了，在線圈、鐵芯的選擇里介紹。

圖2 推挽式功率放大

3)線圈、鐵心的選擇

發(fā)射電路的設計理論上相對簡單，但是在器件的選型及調試上存在一定的難度，要借助于測量電感儀表、示波器等工具。

圖3 功率放大、諧振電路

2、接收電路設計

接收電路主要是通過耦合的方式接收發(fā)射電路的電磁能給其他元件供電，主要分為耦合電路、整流電路、穩(wěn)壓電路、電壓轉換電路。

1)耦合電路

就是一個線圈電感耦合發(fā)射線圈的電磁能，這個線圈的體積一般較小，通常情況下使用較細的漆包線進行纏繞，如需提供的功率較大，可把線圈電感纏繞在一個小的磁鐵芯上。如果在諧振的情況下耦合到的能量最大，因此可在線圈電感上并聯一個電容使其工作在諧振狀態(tài)下，如圖4所示。

2)整流電路

一般的整流橋是對50Hz的工頻信號進行整流，但這里的工作頻率較高并不適合使用一般的整流橋，可以選擇快恢復肖特基二極管（如IN5818）搭整流橋進行整流。

3)穩(wěn)壓電路

整流后的電壓峰峰值可能會達到三、四十伏，為了減小體積使用一個幾十μF的膽電容就可以得到直流電壓了，不需要其他的穩(wěn)壓電路。

4)電壓轉換電路

通常電路使用的是5V或3.3V的電源，因此需要把三、四十伏的電壓穩(wěn)壓到5V或3.3V。如果使用一般的LDO穩(wěn)壓芯片會存在一下三個問題，第一、一般的LDO穩(wěn)壓芯片的輸入和輸出的壓差較小，很可能損壞LDO穩(wěn)壓芯片；第二、即使不損壞穩(wěn)壓芯片，會把穩(wěn)壓后的電壓拉低很多，這樣能量利用率較低，第三、LDO穩(wěn)壓芯片本身的轉化效率較低，造成能量的浪費。因此不選用LDO穩(wěn)壓芯片（如LM1117等）作為電壓轉換電路。DC-DC降壓型穩(wěn)壓芯片是個不錯的選擇，主要特點是轉換效率高、輸入電壓范圍寬等等，可選擇如SP6659等。

整個接收電路的原理圖如圖4所示，其中不包括電壓轉換電路。

圖4 接收電路

4、總結

這種能量傳輸方式適用而簡單，尤其適用在一些科研場所。它的主要傳輸方式是能量耦合，理論并不難，但在實用過程中器件的選型及調試過程需要一定的技巧。

[1] 稻葉保著, 何希才譯.振蕩電路的設計與應用. 科學出版社.2004

[2] 稻葉保著. 模擬技術應用技巧101例.科學出版社.2006