无线电能传输系统原理分析与设计

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《 微 型 机 与 应 用 》 2009 年 第 23 期
技术与方法
Technique and Method
的设计是发射模块设计的难点和关键所在。
2.1.1 放 大 器 信 号 驱 动 电 路 的 设 计
振荡电路作为振荡信号源，产生正弦信号作为本振 信号。 采用一般反馈电路，振荡回路内的各种频率信号 经选频网络选频后 ，将其中某一 特定 频率 的信号 反馈 到 输入端，再经放大、反馈、放大、反馈的循环 ，使该信号 的幅度不断增大，振荡幅度由小 到大 。 随着 信号振 幅的 增大，放大器将进入非线性状态，增益下降 ，当反 馈电压
1 无线电能传输系统原理及其结构
非接触式电能传输系统的基本结构如图 1 所示，其 主要由发射模块、 传输模块和接收模块 3 部分所组 成 ，发射模块与接收模块通 过磁 场耦合 相联 系 。 发 射电 路把电能转换为磁场能量发射 ，通过前后级绕组的电磁 感应将磁场能量传输到接收电路 ，经过相应的能量调节 装置，将能量变换为应用场合 负载 可以直 接使 用的电 能
2 无线电能传输系统电路设计
2.1 发 射 模 块
发射模块的作用是将直流能量高效率地转换为射 频功率信号 ，以便接收电路能 够充分 利用 能量 。 发 射模 块主要由 3 部分组成：振荡电路、占空 比调节 电路 和 E 类功率放大电路。由于 E 类功率放大器影响了发射电路 与接收电路之间的能量传输效率，因此 E 类功率放大器
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技术与方法
Technique and Method
所 示 ， 该 电 路 采 用 同 相 端 输 入 。 当 Vin >0 ， D1 截 止 ， 此 时
20 V 10 V
U2 的 同 相 输 入 端 和 反 相 输 入 端 的 输 入 信 号 相 同 ， 因 此 Vout =Vin ； 当 Vi n <0 时 ， D1 导 通 ， D2 截 止 ， VA =(1 + R2 / R1 ) Vin = 2Vin ， 而 Vout=(1+ R4/ R3) Vin-( R4/ R3)VA=- Vin 。 所 以 Vout=| Vin| ， 该
电路实现全波检波。
0 V - 10 V
2.2.2 降 压 及 稳 压 电 路 的 设 计
由于经 过整 流后的 直流 信号 电压都 比较 高 ，不利 于 负 载的 直接利 用，需 对信号 进 行 降 压 处 理 。 降 压 电 路 如 图 5 所示。 该电路利用了稳 压管的 稳压 特性 ，为三极 管 的基极-射极提供稳定的导通电压， 以 此达到 稳定 降压 的 效果 。 另外 ，还可以 更换 不 同 型 号 的 稳 压 管 以 此 调 控 降压后 电压 范围 ，方便 后 续 电 路 的 使 用 。 连 接 1 个 稳 压 电 容 C，使 负载 端能够 有良 好、稳定 的输 入电 压。
技术与方法
Technique and Method
无线电能传输系统原理分析与设计
何 茜 ，朱 栋 山 ，潘 银 松 ( 重 庆 大 学 光 电 工 程 学 院 ， 重 庆 400044)
摘 要： 为 改善传 统导线 电路电 能传 输的弊 端，给出 了一种 基于 近距离 无线电 能传输 原理 的传
输 系统。 通 过电磁 感应耦 合与 电子电 力技术 ，将 E 类功 率放 大器应 用于电 能传输 的途 径，在实 际应 用中有效提高了无线电能传输效率。 关 键 词 ： 无 线 电 能 传 输 ；E 类 放 大 器 ； 系 统 设 计
R4 2 kΩ
C(C 为 场 效 应 管 的 结 电 容 与 外 接 电 容 之 和 ) 在 开 关 断 开 时 ， 开 始 充 电 。 当 L5- C4 分 支 上 的 电 流 反 向 时 ， C3 上 的
电流补偿，因此场效应管 两端的 电压 将降低 ，当场 效应 管两端的电压降为零时，开关再次合上，并且重复以上 过程
R5 D1 R1 1 kΩ R2 1 kΩ D2 R3 1 kΩ R6 1 kΩ 1kΩ
1 kΩ
2.1.2 E 类 功 率 放 大 器 的 设 计 E 类放大器中，晶体管利用电路谐振特性，使其工
作在共振开关的状态。 因此相比传统的将晶体管用做电 流 源 的 放 大 器 电 路 ， 该 电 路 具 有 更 高 的 附 加 传 输 效 率 [ 4] ， 其电路如图 3 所示。 当 输 入 电 压 Vcc 大 于 阈 值 电 压 时 ， 场 效 应 管 M30 工 作在可变电阻区，因为漏源之 间电阻 r 很小 ，这相 当于 开 关 闭 合 。 当 输 入 电 压 Vcc 小 于 阈 值 电 压 时 ， 场 效 应 管 截止 ，流过漏极的电流为零，此时相当于开关断开。电容
中 图 分 类 号 ： TN912.11 文献标识码： A
Analysis and design of wireless power transfer system
HE Qian ， ZHU Dong Shan ， PAN Yin Song
(College of Optoelectronic Engineering ， Chongqing University ， Chongqing 400044 ， China Abstract ： In order to improve the traditional power transmission wire circuit defects ， a radio transmission system based on the principle of closing to the radio was designed ， and electromagnetic induction technology coupled with electronic power was used in the system. The radio transmission efficiency in electrical energy transmission applications was improved by using a class E power amplifier. Key words ： wireless power transfer system ； class E amplifier ； system design
Pout =
Leabharlann Baidu
π2+4 2 Idc Rload 8
(3)
式 中 ， Idc 为 直 流 电 源 VCC 提 供 的 电 流 ； Rload 为 实 部 输 出阻抗。
2.2 接 收 模 块
接收模块是在接收到前级的能量后对其进行处理 的模块。 为了满足实际应用的需求，需要将接收到的射 频信号进行整流、滤波、降压以及稳压处理 ，处理之后的 直流电压方可供其他负载使用。 该模块主要包括整流电 路 以 及 降 压 电 路 [ 6] 。
将 电 能 传 输 到 所 用 产 品 的 新 型 技 术 [ 2] ， 可 以 为 手 提 电 脑 等移动设备、电热水器、电动工具、照明、医疗 等设备 随 时无线充电， 特别是在医疗领域可以为人体植入式芯 片 、 内 窥 镜 成 像 系 统 提 供 电 能 [ 3] 。 本文研究了一种近距离无线电能传输系统 ，采用感 应式电能传输技术对无线电能传输系统的发射 、传输和 接收 3 大模块进行分析与设计。 形式，从而达到了非接触式电能传输的目的。
OUT 9 9 9 9 9 9 9 9 9
9 9 0
1 .9 0 9 9 9 9
图 6
2 .9 0 3 .9 0 9 9 9 9 9 9 9 9 时 间 / μ s 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9
降压电路仿真结果
49 . 0 9 9 9 9
5 .9 0 9 9 9 9
参考文献 [1] 李 宏 ． 感 应 电 能 传 输 - 电 力 电 子 及 电 力 自 动 化 的 新 领 域 [J]. 电 气 传 动 ， 2001 ， 31(2) ： 62-64. [2] BOYS J T. Inductive power distribution system[P]. U. S. Patent ： 5 293 308 ， 1994 ：3-8. [3] 高 葆 新 ， 梁 春 广 . 高 效 率 E 类 放 大 29. 半 导 体 技 术 [J]. 2001 ， 26(8) ： 44-48. [4] 梁 俊 睿 . E 类 放 大 器 原 理 及 其 在 经 皮 能 量 传 输 应 用 中 的 研 究 [D ]. 上 海 ： 上 海 交 通 大 学 ， 2007. [5] BOYS J T ， GREEN A W. Inductively Coupled Transmission concept. Design and Application[J].IPENZ Trans， 1995， 22(1) ： 1-9. [6] 朱 云 国 . 无 接 触 无 线 能 量 传 输 的 探 索 [J]. 皖 西 学 院 学 报 ， 2004 ， 20(2) ： 28-29. ( 收 稿 日 期 ： 2009-08-11)
振荡器的相位平衡条件。
E 类放大器的驱动信号来源于驱动电路的振荡电
路。 为了提高能量转换效率以及在实际中的灵活应用， 设计采用了反相晶体振荡器 ，其电路如图 2 所示 。 电路中，晶振 与 R1 并 联 ， 此 时 晶 振 显 感 性 ， R1 为 反馈电阻与晶振 并 联 谐 振 。 CMOS 管在该振荡电路 中相当于一个增 益元件。 在本电路 中使用了频率为 大器还能够在保证输出效率不受影响的前提下 ，较大范 围的调节输出功率。 经过分析推导可以得到放大器的输 出 功 率 值 ， 如 式 (3) 所 示 ：
1 MHz 的 晶 体 与 74HCT04 “ 非 门 ” 以 及 其 他 电 路 元 件 组 成 了 振 荡 电 路 ， 其 中 R1 ＝ 30 MΩ ， C1 ＝ 20 pF ， C2 ＝ 20 pF 。 该 信 号 输 出 为 一 个 占 空 比 为 50% 的 方
波信号。
2.2.1 整 流 电 路 的 设 计
自电磁感应现象及导线可以传输电能被人类发现 至今， 电能的传输主要是由导线直接接触进行输送的， 但是这种方式在使用上存在接触火花和不安全裸露导 体 引 起 触 电 等 安 全 隐 患 [ 1] ， 感 应 电 力 传 输 技 术 (Inductive
Power Transfer) 可 以 弥 补 这 些 不 足 。 利 用 电 磁 感 应 方 式
[ 5]
。 工作在此模式下的电路 ，电流与电压相位差为
180 ° ， 从 而 使 得 场 效 应 管 不 同 时 出 现 电 压 和 电 流 ， 功 率 损 耗 接 近 零 。 除 了 传 输 效 率 高 的 优 点 之 外 ，E 类 功 率 放
《 微 型 机 与 应 用 》 2009 年 第 23 期
Vi 正 好 等 于 输 入 电 压 Vo 时 ， 振 荡 幅 度 不 再 增 大 ， 振 荡 器 进 入 平 衡 状 态 。 此 时 反 馈 电 压 Vf 恰 好 等 于 放 大 器 所 需 的 输 入 电 压 Vi ， 振 荡 器 达 到 平 衡 。 此 时 有 ： AF =1 (1) φ A + φ F ＝ 2nπ ( n ＝ 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， … ) (2) 式 (1) 为 反 馈 振 荡 器 的 振 幅 平 衡 条 件 ， 式 (2) 为 反 馈
接收到的射频信号首先要对其进行整流处理 ，使射 频信号转换为高频信号。 经滤波电容 C 后，得到直流电 压，完成了交流信号向直流信号的转变。 常用的整流电路有全波整流 、半波整流和桥式整流 等 。 由 于 半 波 整 流 的 电 压 利 用 率 只 有 50% ， 有 一 半 用 不 上，因此本系统采用了高 效率 的全波 整流 电路 。 如图 4
VCC R1 1 kΩ D1 1N4099 BC548C / SIE Q1 C1 1 nF R2 1 kΩ D2 1N4099 Q2
- 20 V 1.0
BC548C / SIE out C2 1 nF
- 2 . 0 V
系统的稳定性和灵活性进行进一步考察。
图 5 降压电路图
仿真结 果如 图 6、图 7、图 8 所 示 。 本 项 目 给 出 了 一 种利用 E 类放 大器 进行无 线电 能传输 的系 统，从 系统中 得到可供后续电路直接使用的电压。 E 类放大器的应用 大大改善了系统的传输效率 ，其参数 的设 置很大 程度 依 赖于设计者对各个参量关系的 理解，实 际应 用中应 当对