非接触供电系统课程设计报告93634560

非接触供电系统课程设计报告93634560
《非接触供电系统》任务书
题目: 非接触供电系统
初始条件：
（1）《通信原理》、《微机原理》、《模拟电子技术基础》、《数字电子技术基础》、《电磁场与电磁波》等学科基础课的课堂理论知识；
（2）PROTEL等硬件设计软件，EWB、MULTISIM、MATLAB等仿真设计软件的应用。

要求完成的主要任务:
一、设计任务
在不采用专用器件（芯片）的前提下，设计一个非接触供电系统的电路如下图所示，使其实现对小型电器供电或充电等功能。

二、设计要求
（1）供电部分输入36V以下的直流电压，具有向多台电器设备非接触供电的功能。

（2）在输出功率≥1W的条件下，转换效率≥15%
（3）最大输出功率≥5W。

时间安排：
时间安排：
1、 2015年 1 月 6 日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。

2、2015年 1 月 6 日至 2015年 1 月 10日，方案选择和电路设计。

3、2015年 1 月11日至 2015年 1 月19日，电路调试和设计说明书撰写。

4、2015年1 月20日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

指导教师签名： 2015年 1月 4日系主任（或责任教师）签名： 2015年 1月 4日
目录
摘要 (1)
Abstracts (2)
1相关理论知识 (3)
1.1无线能量传输技术介绍 (3)
1.1.1微波无线能量传输 (4)
1.1.2电磁感应式无线能量传输 (4)
1.1.3电磁共振式无线能量传输 (4)
1.2磁耦合谐振式无线能量传输系统 (5)
1.2.1能量传输系统的构成 (5)
1.2.2能量传输系统的工作原理 (5)
1.2.3能量传输过程及其遵循的准则与方程 (5)
2方案设计与论证 (7)
2.1总体方案设计与说明 (7)
2.2高频振荡电路方案的设计与论证 (8)
2.3功率放大电路方案的设计与论证 (9)
3设计原理及主要电路参数的计算 (10)
3.1电源设计 (10)
3.1.1整流电路 (10)
3.1.2滤波电路 (11)
3.1.3可调输出电压三端集成稳压电路及分析 (12)
3.2高频振荡器设计 (12)
3.2.1原理说明 (12)
3.2.2电路设计 (13)
3.3高频功率放大器设计 (14)
3.3.1原理说明 (14)
3.3.2电路设计计算 (15)
3.4耦合线圈设计 (18)
3.4.1线圈电感 (18)
3.4.2线圈互感 (19)
3.4.3传输系统的最佳频率范围 (19)
3.5 AC/DC电路设计 (20)
3.5.1 原理说明 (20)
3.5.2 电路设计 (20)
3.6 充电电路设计 (21)
3.6.1原理说明 (21)
3.6.2电路设计 (22)
3.7整体电路图 (22)
4 仿真分析 (23)
4.1 仿真环境介绍 (23)
4.2 电源仿真 (24)
4.3 高频振荡电路仿真 (26)
4.4 高频功率放大器仿真 (27)
4.4 AC/DC电路仿真 (27)
4.5 充电电路仿真 (28)
4.6 功能验证 (28)
5 心得体会及总结 (31)
6 参考文献 (32)
附录 (33)
附录一系统电路图 (33)
附录二元器件清单 (34)
摘要
电能的当今最主要的能源之一，近年来兴起的非接触电能传输供电技术解决了传统接触式供电的一些弊端。

本文介绍了非接触电能传输的基本原理。

无线供电系统主要利用电磁感应原理。

电磁感应方案就是利用变压器原理，通过初、次级线圈的感应来实现电能的传输。

基于这种方式的无线电能传输系统主要有三大部分组成，即能量发送端、无接触变压器、能量接收端。

当发送线圈中通以交变电流，该电流在将在周围介质中形成一个交变磁场，接收线圈中产生的感应电动势可供电给移动设备或者给电池充电。

无线供电系统的特点是能量接收端和次级线圈相连，可灵活移动，电路简单，易于实现，可用于距离要求不高但又不需要机械和电气连接的场合。

非接触供电系统主要应用于起重、传送和物流等领域。

关键词：非接触供电功率放大器频率振荡器
Abstracts
Electricity source is one of the most important power. Non-contact electrical power supply is a non-contact method can, will provide power from the power transmission unit to the power supply system receiver, which is connected to the power transmission power conveyor components and power components connected to the power receiver receives . Power transmission components for the transmission power of a transmission side of the coil as well as for multiple on / off operation of the transmission side of the coil multiple transmission-side switch. Power component has received more than one receiver for receiving the power side of the coil, used for on / off operation of the receiver side of multiple receiver coil side switch, the other has used to perform control operations in order to achieve maximum power transfer efficiency combination of any of the delivery side of the coil and the receiving side of a coil to determine any circuit.
Non-contact power supply system is a non-mechanical contact by way of power and signal transmission technology, mainly used agv, cranes and monorail transportation system ems. Non-contact power supply system works similar to the transformer primary / secondary coil of the transformer principle. In the transformer, primary and secondary windings wound on the magnet in a closed, cps primary coil system "extension" for a very long loop, and the secondary coil is wound in an open magnet and around the primary coil, it can allow moving between the two coils to each other, and high-frequency transmission frequency by 20khz, so that transmission to optimize performance.
Keywords: non-contact power supply frequency oscillator power amplifier
1相关理论知识
1.1无线能量传输技术介绍
根据电能传输原理，可将 WPT 技术分为三种：射频或微波 WPT、电磁感应式 WPT、电磁共振式 WPT，下面分别予以介绍。

1.1.1微波无线能量传输
所谓微波 WPT，就是以微波(频率在 300MHz-300GHz 之间的电磁波)为载体在自由空间无线传输电磁能量的技术。

利用微波源将电能转变为微波，由天线发射，经长距离的传播后再由天线接收，最后经微波整流器等重新转换为电能使用。

微波频率传输所具备的“定向、可穿透电离层”等特性，使得该能量传送方式早在20世纪60年代初期就受到人们的关注，并在远程甚至超距能量传输场合有着重要的应用价值。

微波WPT主要用于如微波飞机、卫星太阳能电站等远距输电场合，其中卫星太阳能电站作为人类应对能源危机的有效策略已成为美国、日本等国大力发展的重要航天项目。

目前，限制微波 WPT 技术进一步发展的主要技术瓶颈在于高效微波整流器件、大功率微波天线以及大功率微波电磁场的生物安全性和生态环境的影响问题。

然而，由于工作频率高、系统效率较低，微波 WPT 并不适合于能量传输距离较短的应用场合。

1.1.2电磁感应式无线能量传输
电磁感应式 WPT 是基于电磁感应原理，利用原、副边分离的变压器，在较近距离条件下进行无线电能传输的技术。

目前较成熟的无线供电方式均采用该技术，典型的应用包括新西兰国家地热公园的 30kW 旅客电动运输车、Splash power 公司的无线充电器等。

可以看出，无论是小功率的消费类电子产品还是大功率 EV 无线供电系统，电磁感应式 WPT 技术都可有效实现无线供电。

然而，电磁感应式 WPT 仍存在一系列问题：传输距离较短，距离增大时效率急剧下降；传输效率对非接触变压器的原、副边的错位非常敏感等等。

1.1.3电磁共振式无线能量传输
电磁共振式 WPT，是美国 MIT Solja i 领导的研究小组在 2007 年提出的突破性技术。

他们使用两个固有谐振频率相等的铜线圈(为方便表述，称其为“变压器”)，在共振激励条件下(即激励频率等于线圈的固有谐振频率)，距离2m 处，成功点亮了一个 60W的灯泡，其中变压器的效率达到了 40%。

压器绕组间错位的敏感度减小，长野日本无线公司给出了原、副边绕组相互垂直的实验图片；此外，利用共振模式对激励频率要求的严格性，可通过合理设置激励频率，向指定电器供电，提高安全性。

然而，目前该方向的研究要
么过于理论化，要么为实验研究，缺乏对应用、工程设计有定量指导意义的研究成果，但毋庸置疑，电磁共振式 WPT因为能量的高效耦合将成为 WPT 技术的一个重要研究方向。

综上所述，与非接触感应式充电技术相比，磁耦合谐振式无线能量传输的传输距离更有优势；与电磁波形式的无线能量传输技术相比，磁耦合谐振式无线能量传输具有无敏感的方向性、无辐射等优点。

1.2磁耦合谐振式无线能量传输系统
1.2.1能量传输系统的构成
能量传输系统包括电源端与负载端两部分。

电源端包含导线绕制并与电容并联的线圈(源线圈)，以及为线圈提供电能的高频电源；相隔一段距离的接收端包含另一个导线绕制并与电容并联的线圈(接收线圈)，以及消耗线圈电磁能的负载。

1.2.2能量传输系统的工作原理
导线绕制的线圈可视为电感与电容相连构成谐振体，谐振体包含的能量在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，产生以线圈为中心以空气为传输媒质的时变磁场；与该谐振体相隔一定距离的具有相同谐振频率的谐振体感应磁场，所感应的磁场能同样在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，同时两个谐振体之间不断地有磁场能交换，因此产生以两个线圈为中心以空气为媒质的时变磁场。

两谐振体内电场能与磁场能振荡交换的同时谐振体之间也存在着以相同频率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。

1.2.3能量传输过程及其遵循的准则与方程
源线圈通正弦电流，线圈电感周围产生时变磁场，同时向电容充电；接收线圈感应磁场，线圈电感产生电动势，同时向其电容充电。

当正弦电流的频率与线圈的谐振频率相等时，源线圈电流方向改变的同时，交变磁场方向改变，接收线圈感生电动势，接收线圈的电容放电。

正弦电流的方向周期性变化，接收线圈的电流被逐渐放大，直到接收线圈的电磁能达到最大。

若系统没有负载(包括线圈的寄生电阻)消耗能量，源线圈与接收线圈两侧所包含的能量交替达
到最大值(各时刻两线圈包含的能量之和)；若
根据全电流定律，源线圈周围产生磁场应遵循方程：
式中--源线圈的传导电流密度；--源线圈的位移电流密度；-- 源
线圈周围产生磁场。

根据电磁感应定律，接收线圈感生电动势应遵循方程:
式中--接收线圈感应电场强度；--源线圈与接收线圈铰链的磁场同时，接收线圈需满足各向同性介质的本征方程：
公式表示接收线圈中，电场E与电流密度J2的关系。

若系统没有负载消耗能量，应用矢量磁位计算源线圈与负载线圈铰链的电磁能为：
式中W2--源线圈与接收线圈振荡交替的磁场能/电场能；A12--源线圈在接收线圈位置产生的矢量磁位。

由上式得到源线圈与接收线圈之间交替的无功功率为：
式中Q2--接收线圈包含的无功功率；--源线圈与接收线圈的耦合磁链。

磁场为单一频率激励源时，功率表达式(2-5)简化为集中参数形式：
Q=j蠅
Mi1i2 (2-6)
1
式中--源线圈激励的磁场变化角频率；i 1 i2--分别为源、接收线圈的电流；
2方案设计与论证
2.1总体方案设计与说明
在不采用专用器件（芯片）的前提下，设计一个非接触供电系统的电路如
下图所示，使其实现对小型电器供电或充电等功能。

图2.1 非接触供电系统框图
非接触供电系统由电源、振荡器、功率放大、耦合线圈、AC/DC 转换电路、
充电电路这几个部分组成。

电源是为了能给敷在提供稳定直流电源的电子装置。

直流稳压电源的供电
电源大都是交流电源，当交流电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。

振荡器是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转化成具有一定波
形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路。

振荡器是将直流电变换成交流电的器件。

利用选频网络作为负载回路的功率放大器，这是无线电发射机中的重要组成部分。

磁耦合谐振式无线能量是以时变电磁场为媒介，当外加激励源的频率与系
统的谐振频率相同，是实现系统耦合谐振的前提。

通过AC/DC 转换电路后，电流由原来的交流变为直流。

成为直流后，要想实
现充电，则可以通过有存储电量的元器件作为电路的输出方法。

利用充电电路可以实现充电的功能。

下面选择整体电路中的高频振荡电路与功率放大电路的实施方案进行设计 D
功放 AC/DC 耦合线圈
耦合线圈 振荡器 充电电路
电源
和论证。

2.2高频振荡电路方案的设计与论证
方案一：采用西勒振荡电路
振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。

虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。

当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。

于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件。

采用 LC 谐振回路产生所需的频率。

优点是可以产生任意所需载波，缺点是频率稳定度比较低。

图2.2 西勒振荡电路
方案二：采用晶体振荡电路
采用有源晶振。

有源晶振只要加上电源配合合适的外部电路就可以产生频
率稳定的载波。

优点是电路比较简单，频率稳定度高。

缺点就是不能产生任意频率的载波。

图2.3 晶体振荡器
方案论证：本设计对频率没有具体要求，而且无需产生多个频率，所以采用方案二。

而且具有电路简单，频率稳定的优点。

2.3功率放大电路方案的设计与论证
方案一，采用集成芯片。

现有许多高频大功率的集成放大器(如AD815)可以用来设计高频功放。

集成功放具有稳定度高，需要调整的参数少的特点，缺点是效率较低（集成功放一般采用线性放大），不满足系统对功耗及传输距离的要求。

方案二，采用分立元件的功率放大器。

为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择在丙类工作状态下工作采用分立元件的高频电路受分布参数影响大，而且不易调整，但其电路结构比较灵活，对应于不同要求的信号，可以设计不同结构的放大器以获得最大的效率，而且输出功率可以设计的较大，价格也相对低廉。

采用功放管，前级的缓冲级，一是控制能量发射模块的增益，二是给提供足够的驱动功率。

方案论证：本题目要求不能采用专用芯片和模块。

能量发射模块功率上限为5W，需要较大功率的功放管，故选用方案二。

3设计原理及主要电路参数的计算
3.1电源设计
3.1.1整流电路
当负载仅需要几十瓦或几百瓦的功率时，常常采用单相整流电路。

整流电路是利用二极管的单向导电性，把交流电变为脉动直流电的电路。

由图可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。

利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。

因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。

桥式整流的名称只是说明电路连接方法是桥式的接法，桥式整流二极管：大家常用的一般是由4只单个二极管封装在一起的元件，取名桥式整流二极管,整流桥或全桥二极管。

图3.1 桥式整流电路及工作波形
由此可见，在交流电压V2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻
RL ，故RL 上得到单方向全波脉动的直流电压。

在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半。

在V2的正半周期，D1和D3导通时，可将它们看成短路，这样D2和D4就并联
在V2上，其承受的反相峰值电压为：22V V RM
=
二极管所能承受的最高反向电压就是电源电压的最大值，即 2
2V V RM =。

流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，即:
3.1.2滤波电路
滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同来实现滤波。

电容C
对直流开路，对交流阻抗小，所以C 应该并联在载波两端。

在整流器的输出端
并联一个容量很大的滤波电容C 。

图3.2 电容滤波电路
其工作原理为：当接入交流电源后，当电压为正半周期时，电压通过1-3，
2-4向电容C 充电；当电压为负半周期时，电压通过2-3，1-4向电容C 充电。

L
L O O D R V R V I I 245.0221≈==
充电常数为：
3.1.3可调输出电压三端集成稳压电路及分析
由可调输出电压三端集成稳压器CW317组成的稳压电路如图所示。

图3.3 可调输出电压三端集成稳压电路
直流稳压源的输出可以通过调节R2的大小来实现，通过仿真可以实现输出电压在0～36V 的范围内调节，所以，满足设计要求中供电部分输入36V 以下的直流电压的要求。

3.2高频振荡器设计
3.2.1原理说明
晶振是晶体振荡器的简称。

它用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共
振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

在通常工作条件下，普通的晶
振频率绝对精度可达百万分之五十。

高级的精度更高。

有些晶振还可以由外加电
C
R c int =τ
压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振在数字电路的基本作用是根据电路设计，在某个时刻专门完成特定的任务，如果没有一个时序控制的标准时刻，整个数字电路就会成为“聋子”，不知道什么时刻该做什么事情了。

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分成有源晶振和无源晶振两个大类。

3.2.2电路设计
利用非门与晶振设计如下电路图。

前一个逻辑门用来产生震荡，后一个用来产生方波，电阻的作用是：使得反相器工作于线性放大区，负载电容的作用是使得晶振的震荡更加稳定。

电路的输出频率只与晶振频率有关，与R、C的数值无关。

图3.4 晶体震荡电路
3.3高频功率放大器设计
3.3.1原理说明
高频功率放大器用于发射级的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收级可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。

高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。

这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。

例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。

功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。

放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。

为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙
类，即晶体管工作延伸到非线性区域。

功率放大器可分为A类放大器、B类放大器、AB类放大器、D类放大器及T类放大器等五大类。

A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。

放大器可单管工作，也可以推挽工作。

由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。

电路简单，调试方便。

但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。

由于效率比较低现在设计基本上不在再使用。

B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在VCC、0处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。

在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示)，所以必须用两管推挽工作。

其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。

即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时，Q1 Q2
都无法导通而引起的。

所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。

可以避免交越失真。

交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。

有效率较高，晶体管功耗较小的特点。

D类放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。

具有效率高的突出优点。

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。

它和普通D类功率放大器不同的是，它不是使用脉冲调宽的方法，功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上，因此T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。

3.3.2电路设计计算
高频功率放大器因工作大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工
程上普遍采用解析近似分析方法---折线法来分析其工作原理和工作状态。

这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便。

所谓折线法是把电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。

为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。

在一元件的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。

基极直流偏压V BB 使基极处于反向偏压的状态，对于NPN 型管来说，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率很小。

对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角c θ在600—900范围。

现设c θ=700。

查表可得：集电极电流余弦脉冲直流I CO 分解系数0
0(70)0.25α=，集电极电流余弦脉冲基波I CM1分解系数，01(70)0.44α=。

设CC U 为12V,功放的输出功率为5W 。

功率放大器集电极的等效电阻为：
R p =(U cc −U CES )22P 0
=11.025惟 集电极基波电流振幅为：
I CM1=V CM R P =10.511.025
=0.952A =952mA 集电极电流脉冲的最大振幅为：
I CMAX =I CM1伪1(70)=9520.436=2.18A
集电极电流脉冲的直流分量为：
电源提供的直流功率为:
集电极的耗散功率为
集电极的效率为：。