趙佳勇等

摘 要：無線電能傳輸供電是不用電線連接而實現(xiàn)輸電的技術(shù)。本文所述的無線電能傳輸裝置依據(jù)磁耦合諧振原理，由發(fā)射模塊和接收模塊組成。發(fā)射電路通過晶體振蕩產(chǎn)生精準(zhǔn)的控制頻率，并通過高壓半橋驅(qū)動芯片驅(qū)動半橋功率電路實現(xiàn)無線電能發(fā)射。接收電路由諧振回路和橋式整流電路組成，將交流電壓處理成直流電壓，濾波后供于負(fù)載運作。當(dāng)負(fù)載采用兩個1瓦的LED燈珠串聯(lián)時，裝置可在80cm左右遠(yuǎn)處將其點亮，實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的無線電能傳輸。同時，在短距離內(nèi)可以達(dá)到較高的傳輸效率，能夠為手電筒、mp3等小功率電子產(chǎn)品充電。

關(guān)鍵詞：無線電能 脈沖驅(qū)動 磁耦合諧振

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類不斷探索發(fā)明新的事物去改善方便生活。電腦、手機(jī)這些電子產(chǎn)品已走進(jìn)尋常百姓家，因其功能多樣，深受大家的喜愛。然而其充電方式依舊采用充電頭連接線，使用起來較為不便，并且接線端還不是統(tǒng)一規(guī)格的。如果采用無線電能傳輸技術(shù)，可以避免雜亂的連接線路，實現(xiàn)近距離無接觸地將電能傳輸給負(fù)載，使用起來既方便又安全。同時，在礦井、油田、水下等一些特殊的作業(yè)環(huán)境中，該技術(shù)可避免傳統(tǒng)電能傳輸方式帶來的潛在危險?，F(xiàn)介紹一款小功率無線電能傳輸裝置的設(shè)計方法。

磁耦合諧振的基本原理

兩個及兩個以上通電線圈通過彼此產(chǎn)生的磁場相互聯(lián)系的物理現(xiàn)象稱為磁耦合。磁耦合的程度由通電線圈的電流大小、頻率等多方面因素決定，該程度直接決定了能量傳輸?shù)木嚯x和效率。磁耦合線圈中的磁通鏈有兩部分組成，一部分是自感磁通鏈，另一部分則是通電線圈之間的互感磁通鏈，并且總磁通鏈與施感電流呈線性關(guān)系，等于各施感電流獨立產(chǎn)生的磁通鏈疊加。因此如果兩個耦合的電感中有電流發(fā)生變動，則各電感產(chǎn)生的磁通鏈將隨電流變動而變動。設(shè)電感L1和L2的電壓、電流值分別為u1、i1和u2、i2，且兩者都取關(guān)聯(lián)參考方向，互感值為M，則兩耦合電感的電壓電流關(guān)系式為：

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磁耦合諧振式無線電能傳輸原理如下圖所示，

上圖中，發(fā)射線圈S與電源振蕩電路的電感A相互耦合，而接收線圈D與電阻負(fù)載電感B相互耦合，同時自諧振線圈S和D依賴其內(nèi)部電感及電容的分布而達(dá)到諧振。能量通過電源振蕩電路的電感A耦合到發(fā)射線圈S，發(fā)射線圈S與接收線圈D由于具有相同的諧振頻率，在磁場的作用下產(chǎn)生諧振，最終接收線圈D與負(fù)載線圈B通過耦合實現(xiàn)能量傳遞。在此無線電能傳輸系統(tǒng)中，KS和KD稱為近距離耦合，而K則稱為遠(yuǎn)距離的磁耦合諧振。

兩個及兩個以上具有相同諧振頻率的線圈（如圖1中的S與D），在間隔一定的距離時，由于線圈磁場相互耦合產(chǎn)生諧振，從而進(jìn)行能量傳遞的過程稱為磁耦合諧振式無線電能傳輸。一般來說，兩個間隔一定距離的LC諧振線圈，相互之間產(chǎn)生的為弱耦合，但如果兩者具有相同的諧振頻率，則會產(chǎn)生電磁諧振，構(gòu)成一個電磁諧振系統(tǒng)，同時若有多個諧振線圈也在有效范圍內(nèi)，則同樣可以加入該諧振系統(tǒng)，如果連接電源的線圈不斷為該諧振系統(tǒng)提供能量（如圖1中的A），而其他線圈消耗能量（如負(fù)載B），則實現(xiàn)了電能的無線傳輸。之所以稱其為“磁耦合諧振”，是因為空間中進(jìn)行能量交換的媒介是交變磁場，并且每個線圈的電磁諧振是由線圈中的磁場與分布電容的電場實現(xiàn)的。該方法的特點在于發(fā)射和接收電路中加入了高品質(zhì)因素的自諧振線圈構(gòu)成發(fā)射和接收裝置。

無線電能傳輸裝置結(jié)構(gòu)

1、脈沖頻率的確定

頻率越高能量輻射越容易，作為無線電能傳輸，應(yīng)該采用盡量高的輻射頻率。本設(shè)計中為使無線信號能夠較為高效的傳輸，考慮到場效應(yīng)管的開關(guān)速度，若場效應(yīng)管開關(guān)速度過高，效率將下降，同時滿足各芯片要求，最終采用256kHz頻率傳輸。由于利用的晶振電路產(chǎn)生8.192MHz頻率方波信號，則需利用CD4060芯片進(jìn)行5分頻運作。

2.、無線電能發(fā)射模塊

依據(jù)2014年浙江省第五屆大學(xué)生電子設(shè)計競賽要求，本方案采用15V直流電源，通過兩個0.1μF、100μF電容濾波后輸入。振蕩信號從CD4060芯片7腳（Q4）上輸出256kHz的頻率脈沖。但此時脈沖的驅(qū)動能力很弱，需要經(jīng)過一定的電流驅(qū)動，這里采用L6384D高壓半橋驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動。

L6384D能夠承受600V的高電壓，具有滯后和下拉的CMOS/TTL施密特觸發(fā)輸入，欠壓鎖定，掉電輸入等特點。芯片可驅(qū)動拉電流400mA，灌電流550mA，并且利用其設(shè)計的外圍電路簡單、占用空間小。L6384D的引腳數(shù)量較少，各引腳功能不同。

L6384D芯片配合半橋功率電路工作，可以起到脈沖分離的作用，將輸入的一個脈沖分成兩個脈沖輸出，并且保持兩個脈沖電位相互獨立。因L6384D芯片2腳（VCC）和8腳（VBOOT）在其內(nèi)部之間設(shè)置了一個二極管，所以獨立的自舉電壓可以由該二極管提供。5端與4端為一對脈沖輸出，7端與6端為另一對脈沖輸出，7端輸出電平與1端相同，5端輸出電平與1端相反。頻率脈沖由L6384D芯片的1腳（IN）送入，通過芯片內(nèi)部運作后，最終在7腳（HVG）和5腳（LVG）輸出互補的具有一定驅(qū)動能力的穩(wěn)定256kHz正弦信號。同時，L6384D芯片3腳（DT╱SD）經(jīng)一個56kΩ電阻接地，合理地控制兩路輸出的死區(qū)時間，當(dāng)該引腳的電平低于0.5V的時候，芯片停止工作。

在15V供電電壓的情況下，功率場地效應(yīng)管的開啟電壓已經(jīng)足夠大，不需要另外處理，但通常在柵極串入一個10Ω電阻以限流。為了安裝調(diào)試時場效應(yīng)管的工作安全，在其柵源間靠近柵極處并聯(lián)10kΩ電阻，防止柵極開路。

在這里能量提供線圈和振蕩線圈合二為一，為獲得更高的傳輸效率，LC振蕩電路采用與驅(qū)動脈沖相同的頻率信號，發(fā)射線圈為外徑20cm的空心線圈，繞3匝，測得電感值為3.4μH，根據(jù)公式：

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計算可得振蕩電路中C=120 nF。

3、無線電能接收模塊

無線電能接收與輸出電路如圖2所示，圖中L2與C9組成接收端串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，與發(fā)射線圈形成磁匝耦合關(guān)系，將接收到的正弦信號經(jīng)橋式整流實現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過兩個0.01μF、220μF電容濾波輸出比較平穩(wěn)的直流電壓，供于負(fù)載（如1瓦LED燈）運作。

接收模塊采用與發(fā)射模塊相同的諧振頻率，線圈為外徑20cm的空心線圈，繞4匝，測得電感值為4.94μH，再根據(jù)公式：

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計算得諧振電容C=82nF，實際通過多個電容并聯(lián)獲得82nF的容量。

測試與結(jié)果

當(dāng)接收模塊的輸出端接上10Ω電阻負(fù)載，觀察并計算無線電能傳輸效率隨發(fā)射線圈與接收線圈距離變化的關(guān)系，如表1。

當(dāng)接收模塊的輸出端接上20Ω電阻負(fù)載，觀察并計算無線電能傳輸效率隨發(fā)射線圈與接收線圈距離變化的關(guān)系，距離較近時隨兩線圈間距的增加而急劇下降，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時下降速度變慢，如表2。

為了便于分析，將表1、表2數(shù)據(jù)繪制成散點圖。當(dāng)接收模塊所接負(fù)載改變時，相同間隔距離下的傳輸效率也將發(fā)生改變?？傮w上，無線電能傳輸效率隨線圈間隔距離的增大而非線性地減小，當(dāng)距離增加到20cm以上時，傳輸效率已經(jīng)很低。

當(dāng)負(fù)載改為兩個1瓦的LED燈珠串聯(lián)，裝置可在80cm左右將其點亮。

結(jié)論

基于磁耦合諧振原理，闡述了無線電能傳輸裝置的設(shè)計原理，分析了無線電能傳輸效率隨線圈間隔距離變化的關(guān)系，并且傳輸效率與接收模塊所接負(fù)載也存在一定關(guān)系。經(jīng)過試驗測試，該裝置能實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的無線電能傳輸，雖然效率降低，但依然能將80cm左右遠(yuǎn)的燈珠點亮。在近距離時，電能傳輸效率較高，可為手電筒、mp3等低功耗電子產(chǎn)品供電。但針對于如何將無線電能傳輸技術(shù)更為高效地應(yīng)用于高功耗的現(xiàn)實生活生產(chǎn)中，我們還有很多工作要做。

（作者單位：浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院）endprint