基于电能谐振磁耦合无线供电的无线鼠标的设计与实施.doc

基于电能谐振磁耦合无线供电的无线鼠标的设计与实施 葛彦军GEYan-jun；许坤XUKun；周盼盼ZHOUPan-pan；刘青松LIUQing-song （嘉兴学院，嘉兴314001） 摘要：本文利用电能的谐振磁耦合传输原理，设计了一种电能无线传输的电路，给无线鼠标提供工作电源。装置包括发射部分和接收部分，从计算机USB取电，通过高频逆变电路，将直流电转换为高频交流电，通过发射线圈发射出去。接收线圈接收电能，整流滤波后为鼠标供电。 关键词：谐振式磁耦合；无线鼠标；无线传输 ：TH215：A：1006-4311（xx）26-0103-02 基金项目：本文得到嘉兴学院大学生重点创新计划（编号：851714044）的资助。 作者简介：葛彦军（1993-），男，浙江杭州人，嘉兴学院南湖学院电气专业学生，研究方向为电能的无线传输与电气控制。 0引言 目前，大部分的无线鼠标的电源由电池提供，但电池的使用寿命短，更换频率快，这样会给使用者带来很大的麻烦，且造成环境污染，为了解决这一问题，本文使用谐振式电磁耦合方式，把电能无线传输运用到无线鼠标上，可为鼠标的正常工作提供持续能量。 1谐振耦合电能无线传输原理 谐振耦合电能传输的原理是利用电磁感应原理实现电能传递，通过谐振耦合能量的方法是使两个线圈发生谐振，使能量从一个线圈传输到另一个线圈，即利用两个LC电路，一个作为电能的发送端，另一个作为电能的接收端，当高频激励信号的频率同发射回路与接收回路的频率相同时，两个LC回路处于谐振工作状态，发射回路的电流值达到最大值，线圈发射的功率最大，接收回路也获得最大功率。 2系统总体方案 系统总体设计方案如图1中所示，发射部分和接收部分组成了无线电能传输系统。电能无线输电系统包括发射源、发射系统、接收系统、负载等部分，高频逆变电路、线圈组成了发射部分；另一线圈和整流滤波电路组成了接收部分。 电能从计算机中的USB接口获得+5V的电源（DC），通过自激振荡电路产生约100kHz的高频振荡电流，发射线圈将能量以电磁波的形式发射出去，接收线圈将电磁波接收，接收到的电流需要经过整流滤波电路，再有集成稳压芯片构成稳压电路，变换成鼠标工作所需的直流电（3.3V），给鼠标提供电源。由于鼠标工作时要实现自由动作，因此就会改变线圈之间距离，使磁路中存在很大的漏感，很低的耦合系数，这样系统的传输功率会受到限制，从而影响系统的正常工作和工作效率。谐振补偿电路用来消除传输系统中松耦合产生的影响。 3电路设计与实施 发射端电路由高频调制、L1C1谐振、功率放大器构成。NE555构成振荡频率为100kHz的信号发生器，为发射电路提供激励信号，信号经光电耦合芯片隔离后驱动MOSFET的关断。光电耦合芯片采用HR201，其线性度可达0.05%信号带宽可大于1MHz。电路采用IRF540-N场效应管构成桥型逆变电路，同时可将谐振信号进行有效的放大，将信号提供给L1C1并联谐振电路。 接收端电路由L2C2谐振、整流电路、稳压电路构成。整个电路安装在鼠标中，整流电路即将交流电（AC）转化为直流电（DC）的装置，在本设计中采用了体积较小的集成桥式整流芯片MP6S（0.8A）进行整流，整流后经MC34063双极性集成芯片构成BUCK稳压电路，电路输出电压为3.3V。 4线圈设计与实施 在能量的发射与接收中线圈起重要的作用，试验表明，线圈半径越大，传输距离越大，因此，线圈安要求尽量做的大一些，对于发射线圈，由于和发射电路一起安装在计算机的USB接口，线圈可以大一些，发射线圈用1mm的漆包铜线，绕制半径200mm，匝数10匝。对于接受线圈，由于鼠标内部空间的限制，所绕制的接受线圈应尽可能的小，并要求一定的体积内能输出最大的功率。漆包线直径越大，在相同的体积下匝数就会较少，直径越小，在相同的体积下匝数就会较多。通过实验，在匝数较多的情况下，线圈输出的电压越大，因此，设计中采用了直径为0.15mm的漆包铜线，匝数为6000匝，绕制半径10mm。 由于鼠标在工作中的自由运动，改变了两线圈的距离，影响了电能传输的效率，本设计中采用了并联电容的作为补偿电路以提高传输效率。 5实验与结论 本设计方案确定后，首先利用PROTUS软件对方案进行了仿真，仿真结果表明了方案的可行性，然后，搭建了实际电路进行了实验测试，实验表明，该电路发射端与接收端相距50CM时，输出端输出电压最大可达8.8V，传输功率可达350MW。传输距离达到1.5米时，输出电压可达到3.5V。本设计完全可以满足无线鼠标的电源供电。 参考文献： 1李阳，杨庆新，闫卓.磁耦合谐振式无线电能传输方向性分析与验证J.电工技术学报，xx，29（2）：197-203. 2王玉龙，冷宇.电能无线传输装置的补偿电路研究J.信息技术，xx（7）：111-116. 3傅文珍，张波，丘东元.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计J.中国电机工程学报，xx，29（18）：21-26. 4侯洁.中小功率等级感应耦合电能传输系统的设计与实现M.重庆大学硕士学位论文，xx（4）：1-78. 5蒋维，傅文珍，王蕊玲.一种小功率的谐振耦合电能无线