无线电能传输装置

目录

1系统方案 (2)

1.1系统总体思路 (2)

1.2系统方案论证与选择 (2)

1.2.1 电源模块论证与选择 (2)

1.2.2驱动模块论证与选择 (2)

1.2.3线圈的论证与选择 (2)

1.2.4整流电路的论证与选择 (2)

1.3系统总体方案设计 (3)

2理论分析与计算 (3)

2.1 TL494应用原理 (3)

2.2 IR2110原理 (3)

2.3 无线传输原理 (4)

2.4 计算公式 (4)

3电路设计 (4)

3.1电源模块（图3） (4)

图3 电源模块 (5)

3.2驱动模块（图4） (5)

3.3传输模块（图5） (5)

4测试方案与测试结果 (6)

4.1测试方法与仪器 (6)

4.2测试数据与结果 (6)

4.3数据分析与结论 (7)

参考文献 (8)

无线电能传输装置（F题）

1系统方案

1.1系统总体思路

由题我们设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，且用空心线圈制作了直径为20cm的发射和接收线圈；利用信号发生电路将输入的直流15V电转化为PWM脉冲信号，通过驱动电路产生交变电流，对发射线圈进行供电，线圈利用磁耦合谐振式原理，将电能无线传输到接收线圈端，最终在接收线圈端产生电流，达到无线电能的传输的要求。

经过几天的测试，制作出了传输效率达38.3%，x的值最大为26 cm的磁耦合谐振式无线电能传输装置。

1.2系统方案论证与选择

1.2.1 电源模块论证与选择

方案一：利用双电源，直接对电路进行供电。

方案二：利用单电源，再接入PWM控制器芯片TL494固定频率的脉冲宽度调制电路，能够有效地将直流电转换为高频脉冲。

TL494芯片的功耗低，构成的电路结构简单，调整方便，输出电压脉动小；且IR2110 的电路无需扩展，使电路更加紧凑，工作可靠性高，附加硬件成本也不高，为获取死区时间，可由基本振荡电路、与门电路构成，为方便我们选用TL494，选择方案二。

1.2.2驱动模块论证与选择

方案一：利用三极管对无线电能传输装置进行驱动，可以比较经济地进行驱动。

方案二：使用两个IR2110对无线电能传输装置进行驱动，因其15V 下静态功耗仅116mW输出的电源端电压范围10～20V,工作频率高，可达500kHz，能够很好地满足线圈进行电能传输的需要。

考虑到线圈所需谐振频率较高，而三极管的通断不是那么灵敏，所以选择较为灵敏的场效应管，又考虑到电路的简便，则选择方案二。

1.2.3线圈的论证与选择

方案一：利用单层同心圆平面绕组，但其输出的频率很高对电容要求过高。

方案二：利用多层绕组。

考虑到多层绕组的频率相对稳定，它对谐振电容的要求较低，还有它对线圈的磁场干扰较小，并且它的电能传输效率能够达到标准，因此选择方案二。

1.2.4整流电路的论证与选择

方案一：二极管半波整流。利用二极管的单向导电性，二极管承受反压大，很有可能会烧毁二极管，直流电源输入时，不能构成放电回路，不适用于本电路。

方案二：桥式整流。四只整流三极管D1~4 和负载电阻RL组成。四只整流三极管接成电桥形式。桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点，且成本低，效率高，适用于各种电路。

考虑到半波整流对电能的损失，我们选择的损失较小的全波整流，因此选择方案二。

1.3系统总体方案设计

本系统主要由电源模块，驱动模块、无线传输模块组成。系统总体框图如图1所示。

电源模块运用单电源供电，利用TL494对电流进行改变，形成脉冲，在这里我们使用了电容对电流进行了限制。驱动模块运用两个IR2110，可以大大减少驱动电源的数目，仅用一组电源即可，满足题目要求。无线传输装置我们用了两扎线圈，在进行电能传输时能够高效率的传输电流，符合题目要求。

2理论分析与计算

2.1 TL494应用原理

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。它集成了全部的脉宽调制电路，并且可调整死区时间，功率输出管Q1和Q2受控于或非门，当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。

2.2 IR2110原理

IR2110 采用HVIC 和闩锁抗干扰CMOS 制造工艺，DIP14 脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，15V 下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V 的偏移量；工作频率高，可达500kHz。IR2110 内部由低压通道和高压通道两个相互独立的通道组成。逻辑输入端采用滞后为0. 1VDD 的施密特触发器,以提高抗干扰能力和接受缓慢上升的输入信号。而且其输入和栅驱动之间的开通与关断的传播延迟分别为120ns

和95ns 。

2.3 无线传输原理

利用共振的原理，合理设置发射装置与接收装置的参数，使得发射线圈与接收线圈以及整个系统都具有相同的谐振频率，并在该谐振频率的电源驱动下系统可达到一种“电谐振”状态，从而实现能量在发射端和接收端高效的传递。如图2，磁耦合谐振式无线电能传输系统主要由电源、能量转换与传输装置（线圈谐振器），能量接收装置三部分组成。

图2 无线传输示意图 2.4 计算公式

计算效率公式：%1001

122⨯=I U I U η （U 1为输入电压，U 2为输出电压，I 1为输入电流，I 2为输出电流）

计算频率公式：LC f π21

0= （L 为电感感值，C 为电容容值）

TL494振荡频率计算：T T osc C R f 1.1=

(R T 为6脚输出，C T 为5脚输出) 3电路设计

3.1电源模块（图3）

电源的转化我们利用TL494，它广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源，在这里我们应用于全桥式开关电源，为了保护芯片我们在4脚接了一个电解电容，在5与6脚我们分别接了变阻器与0.47uf 的电容以便调节输出电源的频率。