張新亮，武凱偉

（江蘇工程職業(yè)技術學院，江蘇 南通 226007）

0 引言

當前，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，各種各樣的智能終端電子產(chǎn)品被研發(fā)出來，并且全面地滲透至人們的工作與生活之中。不過需要客觀認識到，電子產(chǎn)品在使用過程中往往會產(chǎn)生較大功耗。所以，有必要探尋一套能夠?qū)χ悄芙K端電子產(chǎn)品給予有效能量補給的策略和方法。

無線電能傳輸技術是一種可以令電能以空氣為介質(zhì)的形式高速、精準、安全傳播的技術，在此過程中，無須使用電纜。本文在借鑒前人研究成果的基礎上，立足于實際情況，對電磁感應無線充電系統(tǒng)展開了全面細致地設計分析，希望能夠為同類設計提供有益借鑒。

1 方波信號發(fā)生電路設計

在此設計中，本文決定將單片機及其外圍電路定義為信號發(fā)生電路，它們在實際使用中會釋放波信號，再將其安全高效地發(fā)送至后級驅(qū)動電路。在綜合考慮各方面因素之后，本文決定選用了51系列的STC89C52型單片機，它是對初代51單片機的一種優(yōu)化和擴展。

STC89C52單片機中不含有PWM模塊。為保證信號傳輸?shù)木珳市砸约跋到y(tǒng)的可擴展性，本設計決定，通過當前應用相對比較廣泛且成熟先進的定時器法釋放PWM方波信號，單片機外接12 MHz晶振并能夠自動復位。關于信號發(fā)生電路的設計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 信號發(fā)生電路

2 功率放大電路設計

在整個功率放大電路系統(tǒng)中，最基本、最重要的當屬功率放大器，在此次設計中，其主要功能是在接收到方波信號之后將其科學合理地放大，由此實現(xiàn)對諧振線圈的高效化驅(qū)動。本文基于具體需求采用了A類放大器，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，Q表示開關管，R表示電阻，input表示輸入信號，output表示輸出信號，規(guī)范合理地連接LC諧振電路。

圖2 功率放大電路

對于功率放大電路中開關管Q，本設計在綜合考慮各方面因素之后，決定選取性能可靠且當前應用比較普遍的MOS管IRF540，其主要特性是電流大、導通電阻小，并且能夠承受較高的電壓。詳細來講，電流為30 A，電壓為100 V，導通電阻只有0.077 Ω，它被用作開關管時，啟動非常快，一般只需要4 ns，關閉也非?？?，僅為3 ns，從理論角度來講，其開關頻率高達數(shù)十兆赫茲，與本設計需求十分吻合。

關于電阻R，人們通常傾向于更小的電阻，在本設計中，可選擇0.01 Ω。電源為12 V直流電源。

3 耦合線圈設計

本設計在綜合考慮各方面因素之后，決定按照圓形螺旋管的形式規(guī)范合理地繞制線圈?？紤]到耦合線圈一直運行于高頻信號環(huán)境之中[1]，所以，在該線圈的等效模型中，將電阻和電感以串聯(lián)的形式進行連接，而后和電容以并聯(lián)的形式進行連接，詳情如圖3所示。

圖3 線圈的等效模型

4 整流電路設計

本設計在綜合考慮各方面因素之后，決定采用安全合理的橋式整流電路，同時，選取了性能可靠的1N4148型高速開關二極管，其反向恢復時間特別短，一般只需要4 ns，反向耐壓為75 V，正向電流為150 mA，與本設計需求完全吻合，可通過此電路調(diào)制高頻交流信號，促其高效安全地調(diào)制為直流信號[2]。

5 濾波電路設計

在對各種不同電路的優(yōu)勢和不足進行全面細致地對比分析后，鑒于本設計對濾波電路的要求相對較為寬松，所以最終采用了一個比較簡單且滿足實際應用需求的電容濾波電路如圖4所示。

圖4 電容濾波電路

6 電源產(chǎn)生電路設計

在此設計中，電源產(chǎn)生電路占據(jù)著尤為重要的地位，其主要功能是為電子電路保持穩(wěn)定安全的運行提供合適的直流電源。在實際應用中，通常需要低壓直流電，而這即意味著首先需要將220 V交流市電高效安全地調(diào)制為滿足需求的低壓直流電。其具體操作過程是：首先需要將220 V交流電安全規(guī)范、快速準確地調(diào)制為低壓交流電，而后需要通過整流電路將其安全規(guī)范、快速準確地調(diào)制為脈動型直流電，完成以上步驟后，還需要通過濾波電路精準高效地剔除電流中的交流部分，由此就能夠獲得所需的直流電[3]。本設計中需使用5 V、15 V直流電，所以，還要根據(jù)實際情況通過變壓電路安全規(guī)范地調(diào)制直流電的電壓。

基于以上分析可知，電源產(chǎn)生電路主要由4個電路構(gòu)成，詳情如圖5所示。

在此設計中，需要連接電源的電路主要有兩個：一是信號發(fā)生電路，在實際運行中，應為單片機提供規(guī)格為5 V的直流電源；二是功率放大電路，其直流電源規(guī)格為12 V。其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 電源產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)

圖6 電源產(chǎn)生電路

此電路的輸入電壓是220 V交流市電，在進行一系列處理后獲得12 V、5 V的電壓。

關于交流變壓電路，本設計最終選取了鐵芯變壓器，其一、二次側(cè)電壓比是220∶24，輸入220 V交流電，輸出24 V交流電。

關于整流電路，本設計在進行全面深入地考慮之后決定采用全橋整流電路，二極管的型號為IN418，反向耐壓為75 V，滿足24 V交流電整流使用。

關于整流電路后連接的濾波電路，本設計在進行全面深入地考慮之后終選取了電容濾波電路，大小不一的2個電容以并聯(lián)的形式進行連接，其中，大的濾波電容為47 uF，小的只有0.1 uF，電容皆選取了電解電容。

關于直流變壓電路，本設計在進行全面深入地考慮之后決定采用穩(wěn)壓芯片LM7812、LM7805芯片。在本電路中，它們主要發(fā)揮著直流電壓變壓的功能。其中，LM7812的輸入、輸出電壓分別為24 V、12 V，連接于24 V輸出的整流電路，由此即可輸出24 V電壓為功率放大電路供電。LM7805的輸入、輸出電壓分別為12 V、5 V，連接于LM7812后輸出5 V電壓為單片機供電。

7 結(jié)語

本文對電磁感應的無線充電系統(tǒng)的所有主要電路進行了規(guī)范合理的設計分析。整體來講，該系統(tǒng)選取了性能可靠、功能完善的STC89C52單片機，將其用作信號發(fā)生器，在外圍電路的支持下，釋放出高頻方波信號，再通過一系列處理后即可得到高頻AC信號。由發(fā)射端及接收端的LC并聯(lián)諧振電路中的電感線圈形成電磁感應，能量能夠直接通過無線的形式傳播，再通過電容濾波電路等完成對信號的一系列規(guī)范合理地處理，而后將其傳輸至負載發(fā)光二極管之中。