程瑜華， 萬 鵬， 錢高榮， 陳國雄

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院， 杭州 310018)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，人們對供電方式的便捷性與智能性有了更高的要求，傳統(tǒng)的有線傳輸電能的方式已經(jīng)無法滿足人們的需求，無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1-5]。當(dāng)前，主流的無線電能傳輸方式是通過磁場耦合來完成，電源與負(fù)載之間不再需要導(dǎo)線的物理連接，可以通過網(wǎng)絡(luò)指令進(jìn)行智能連接，使供電方式更加智能。然而,在某些無線供電應(yīng)用中，存在接收端在某些區(qū)域接收不到能量的“死區(qū)”現(xiàn)象。比如植入式腦神經(jīng)信號采集系統(tǒng)的無線供電應(yīng)用中，植入器件分布在大腦皮層的不同位置，由于大腦皮層中“溝”和“回”的起伏形狀，導(dǎo)致植入器件和線圈的朝向是不確定的，如果一個(gè)接收線圈的方向垂直于磁場的方向，由發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場就不會通過接收線圈，接收線圈因此不會接收到任何能量，因此會產(chǎn)生充電“死區(qū)”。此外，為了覆蓋所有的接收線圈，發(fā)射線圈應(yīng)該盡可能大，單個(gè)發(fā)射線圈會導(dǎo)致耦合效率呈梯度下降[4]。

目前，已有很多研究專注于解決“死區(qū)”問題。文獻(xiàn)[7-8]中提出了一種由多個(gè)線圈組成的發(fā)射線圈陣列，這種發(fā)射線圈陣列可以擴(kuò)大輻射區(qū)域，但是不能在各個(gè)角度實(shí)現(xiàn)均勻磁場分布，而十字交叉型線圈[9]結(jié)合不同相位的激勵(lì)電流結(jié)構(gòu)[10-15]可以實(shí)現(xiàn)全向磁場覆蓋，但是覆蓋面積很小。本文提出了一種能夠產(chǎn)生全向并且磁場強(qiáng)度均勻的新型無線供電平臺。相比于傳統(tǒng)的無線電能傳輸?shù)陌l(fā)射部分，本系統(tǒng)能夠提供多角度、均勻性更好的磁場；相比于傳統(tǒng)無線電能傳輸?shù)慕邮詹糠郑鞠到y(tǒng)具有更高的接收效率。本文對實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行了分析，給出了相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的全向無線供電平臺的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖中，能量發(fā)送端使用1個(gè)FPGA板和1個(gè)多級緩沖器實(shí)現(xiàn)，緩沖器的后端接了3塊帶有多個(gè)正六邊形相鄰線圈的單層板，作為無線能量發(fā)送平臺。能量接收端使用一個(gè)螺旋線圈，并在線圈內(nèi)插入磁芯提高接收效率。

圖1 全向無線供電平臺的系統(tǒng)原理圖

圖2給出了FPGA程序設(shè)計(jì)的流程圖，將50 MHz晶振利用鎖相環(huán)倍頻至150 MHz，12分頻后輸出3個(gè)頻率為12.5 MHz的方波信號，3個(gè)方波信號之間各相差120°，相鄰信號之間的延時(shí)設(shè)置為26.67 ns(1/3周期時(shí)間)。這3個(gè)方波信號用來驅(qū)動每層電路板上發(fā)送線圈陣列中不同的線圈。發(fā)送線圈共有3層電路板組成，每層選擇信號的頻率為3.3 kHz(占空比為1/3)，3層板每一層的選通與關(guān)閉由數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)。層與層之間有1/3個(gè)周期的延時(shí)，以確保同一個(gè)1/3周期內(nèi)只有單獨(dú)一層處于工作狀態(tài)。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

驅(qū)動模塊的電路原理如圖3所示，74AC00芯片產(chǎn)生2個(gè)以輸入相位信號為基礎(chǔ)的反相信號VG1_0和VG2_0；通過D觸發(fā)器之后，相位信號與層選擇信號的同步，此時(shí)，VG1_0和VG2_0作為D類功放兩個(gè)功率MOS管的柵極信號Gate1_0和Gate2_0；后級電流型Class-D的功放模塊由層選通信號控制(當(dāng)layer on時(shí)，電流型Class-D的功放模塊開啟；當(dāng)layer off時(shí)，電流型Class-D的功放模塊關(guān)閉)。驅(qū)動模塊最終將FPGA輸出的信號由3.3 V提升到5 V，電流型Class-D功放可為線圈陣列提供足夠大的輸出功率。

(a)

(b)

(c)

圖3 驅(qū)動模塊原理圖

圖4是能量發(fā)送線圈陣列的俯視圖，由3層線圈陣列組成(圖中用紅色、藍(lán)色和綠色表示)，相互之間交錯(cuò)排列，3層線圈陣列采用分時(shí)復(fù)用的方式工作。

圖4 能量發(fā)送線圈陣列俯視圖

每層陣列由圖5所示的六邊形線圈組成，任意相鄰線圈之間的激勵(lì)電流相位相差120°，單層線圈陣列所產(chǎn)生的磁場分布是每個(gè)六邊形線圈所產(chǎn)生的磁場的總和。

圖5 單層線圈結(jié)構(gòu)示意圖

為了優(yōu)化能量接收的均勻性，計(jì)算了目標(biāo)空間中各點(diǎn)的磁場分布情況。將各個(gè)線圈在某個(gè)位置、某個(gè)角度的磁場進(jìn)行矢量相加(見圖6)，可以得到孔某個(gè)位置、某個(gè)角度的磁場。如圖7所示為計(jì)算結(jié)果與電磁場仿真軟件HFSS得到的仿真結(jié)果的對比圖。從圖中可見，計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。因此，可以利用計(jì)算結(jié)果來分析空間中磁場分布的最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。其中，最小值在優(yōu)化時(shí)的優(yōu)先級最高，因?yàn)樽钚≈堤幨钦麄€(gè)系統(tǒng)性能最差的情況。為了優(yōu)化最小值(即，提升最小值的大小)，對發(fā)送陣列的六邊形線圈的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。

圖6 磁場分布圖

圖7 仿真和理論的磁場分布比較圖

發(fā)送端的設(shè)計(jì)和優(yōu)化目標(biāo)是產(chǎn)生足夠均勻的各向磁場，而在接收端，其優(yōu)化目標(biāo)是在此磁場分布下盡可能地獲取足夠多的能量。因此，在螺旋線圈中插入磁芯來提高接收的能量，提高無線電能傳輸效率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)的整體裝置如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中，使用Altera公司的EP4CE6F17C8型號的FPGA，時(shí)鐘芯片的頻率為50 MHz，F(xiàn)PGA開發(fā)板輸出的層信號頻率為3.3 kHz，如圖9所示，同時(shí)輸出的3個(gè)相位分別為0°、120°、240°，頻率為12.5 MHz的相位信號，如圖10所示。由于本設(shè)計(jì)中使用了分時(shí)復(fù)用技術(shù)，即在當(dāng)前時(shí)刻3層非重疊發(fā)送線圈陣列只會有1層發(fā)送線圈正常工作，故在實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，任一時(shí)刻只需要測試單層的感應(yīng)電壓即可。

圖8 實(shí)驗(yàn)整體裝置圖

圖9 3層FPGA信號

圖10 三相FPGA信號

驅(qū)動模塊如圖11所示，將FPGA的輸出信號從3.3 V提升到5 V，然后接入發(fā)射線圈陣列單層板，如圖12所示，發(fā)射線圈陣列單層板中共有19個(gè)正六邊形線圈，測量了距離發(fā)送線圈板中心的正方形區(qū)域2 cm處的磁場，正方形區(qū)域的尺寸為6 cm × 6 cm，共劃分為36個(gè)1 cm × 1 cm的小正方形，測試時(shí)將接收線圈分別置于正方形區(qū)域的49個(gè)頂點(diǎn)處，通過示波器測量接收線圈接收到的感應(yīng)電壓。

圖11 驅(qū)動模塊電路實(shí)物圖

接收線圈采用直徑為4 mm的磁芯來改善接收線圈的截面面積和感應(yīng)電壓，在磁芯周圍，用直徑為0.152 4 mm的AWG36型號的銅線繞制20圈，連接導(dǎo)線從接收線圈兩端扭轉(zhuǎn)，以減少連接導(dǎo)線感應(yīng)電壓的不穩(wěn)定性，如圖13所示。

圖12 發(fā)射線圈圖

圖13 接收線圈圖

測試過程中，保持發(fā)射線圈陣列板與接收線圈中心距離恒定2 cm，分別測試z軸角度為0°、45°、90°時(shí)，接收線圈在各個(gè)點(diǎn)上方的感應(yīng)電壓，如圖14所示。對于不同角度的每種情況，在不同的時(shí)間分別測量感應(yīng)電壓5次，然后取其平均值，以減少由操作引起的誤差。

為顯示本設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，將同相發(fā)送陣列線圈(即每層所有的發(fā)送線圈的電流相位相同)的測試結(jié)果進(jìn)行了對比。單層同相分別在方位角為0°、45°、90°條件下的測試結(jié)果如圖15(a)、(c)、(e)所示，單層三相的測試結(jié)果如圖15(b)、(d)、(f)所示。從圖中可以看出，三相單層發(fā)送線圈陣列在接收端產(chǎn)生的電壓相比同相單層發(fā)送線圈陣列的情況，雖然均勻性較差，但是幅值要高很多。同相單層發(fā)送線圈陣列中，因?yàn)橄噜弮蓚€(gè)線圈之間靠近的導(dǎo)線中流過的電流方向剛好相反，從而相互抵消，因此其在測試區(qū)域產(chǎn)生的磁場很低，從而均勻性好。三相單層均勻性較差的缺點(diǎn)，通過3層線圈分時(shí)工作的特點(diǎn)進(jìn)行了彌補(bǔ)。

(a) 單層同相0°

(b) 單層三相0°

(c) 單層同相45°

(d) 單層三相45°

(e) 單層同相90°

(f) 單層三相90°

本設(shè)計(jì)中3層線圈采用時(shí)分工作的方式，即同一時(shí)刻只有一層發(fā)射線圈板處于工作狀態(tài)，故實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，采用了對3層發(fā)射線圈板分別進(jìn)行測試的方法。作為對比，也將3層同相的情況進(jìn)行了測試。3層同相分別在方位角為0°、45°、90°條件下的測試結(jié)果如圖16(a)、(c)、(e)所示。3層三相的測試結(jié)果如圖16(b)、(d)、(f)所示。從圖中可以看出，3層三相發(fā)送線圈陣列在接收端產(chǎn)生的電壓的相比于3層同相情況下，幅值要高很多。同時(shí)，3層三相的情況相比圖15中單層三相的情況，均勻性提高了很多。

(a) 3層同相0°

(b) 3層三相0°

(c) 3層同相45°

(d) 3層三相45°

(e) 3層同相90°

(f) 3層三相90°

4種實(shí)驗(yàn)條件下，接收端測得的平均電壓對比如表1所示，進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)3層三相的情況在平均電壓上有較大提高。

表1 4種發(fā)送線圈陣列實(shí)驗(yàn)的平均電壓 V

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的全向無線供電平臺，將3層能量發(fā)送線圈陣列組合，使發(fā)射端的磁場強(qiáng)度更大、分布更加均勻；接收端采用螺旋線圈插入磁性材料，增大了發(fā)送線圈和接收線圈間的耦合系數(shù)。相比于現(xiàn)有的供電平臺，該系統(tǒng)可以解決無線供電系統(tǒng)中存在的“死區(qū)”問題，還可以提高接收功率和能量傳輸效率。

通過原理分析和參數(shù)設(shè)計(jì)，為供電平臺的實(shí)驗(yàn)設(shè)置提供了指導(dǎo)。該實(shí)驗(yàn)裝置不僅可以在教學(xué)中進(jìn)行FPGA的使用、電路設(shè)計(jì)及分析、電磁場等知識教學(xué)，而且可以開拓學(xué)生的視野，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行更多的科技作品創(chuàng)新。