电磁感应技术之无线电传输

1、电磁感应技术之无线电能传输学院：自动化工程学院 专业：电气工程及其自动化 姓名：张建文第1章无线充电技术基本概念1.1 无线充电技术的基本原理无线充电技术（Wireless charging technology；Wireless charge technology ）， 无线充电技术来源于无线电力输送技术，是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。 初级线圈即发射线圈与交流电源相连，当通一交流电后，基于电磁感应原理，发射线圈与接收线圈之间便会产生会产生变化的磁场，然后变化的磁场在接收线圈内产生电动势，当接收线圈连有负载时，负载便开始工作，此时，便实现了电能的无线传递。1.2电磁感应式充电

2、的基本原理及应用基本原理：在初级线圈通入一定频率的交流电源，通过电磁感应原理将会在次级线圈产生一定的电流，从而实现了将能量从发射端传递到接收端。电磁感应式充电的原理图如下图：图1.1 电磁感应式无线充电原理图第2章 硬件系统设计 2.1 系统的整体框图及总体描述整个系统的具体框图如图2.1所示，整个系统的硬件电路主要包括电源管理模块、高频振荡电路模块、高频发射电路模块、高频接收电路模块、整流转换电路模块和充电电路即负载模块等。直流电源输入端高频振荡电路高频功率放大与发射线圈电路高频接收线圈电路整流输出电路充电电路模块图2.1 结构框图 要实现无线电能的传输，只有通过线圈才能将交流信号从发射单元

3、传递到接收单元，而且理论证明，频率越高，传递的能量和效率越高。因此，此处通过使用高频振荡电路来产生所需要的高频信号。但高频振荡电路产生的只是起信号作用，无线充电需要传递的是能量，所以还需要将信号放大即功率放大。高频功率放大电路目的就是放大传递的功率，此处用的是功率管IRF540。通过IRF540的通断来切换直流电源的通断，由此加在发射线圈的便是有电源模块产生的高频信号，即能量来自电源，从而实现了高频功率的放大。当初级线圈获得高频交流信号后，发射线圈与接收线圈之间便会建立起一个变化的磁场，由电磁感应原理则次级高频接收线圈将产生同样的高频信号。次级线圈获得的能量及电压幅值由电源电压，高频振荡频率，

4、发射线圈与接收线圈匝数，以及发射线圈和接收线圈之间的距离相对位置共同来决定的。次级获得的交流信号是不能直接加到负载上的，要经过整流稳压后才能接到负载上，整流桥必须有快恢复二极管组成，因为传递过来的是高频信号，普通二极管由于其反向恢复时间过大而不能满足要求，然后经过稳压芯片的稳压获得稳定的电压输出，后面接入负载，电路方可正常的工作。2.2 高频振荡电路模块2.2.1 振荡器原理在正弦波振荡电路中，要想能够产生振荡，通常需要两个条件：一是要有正反馈，通过正反馈信号来取代输入信号；二是要有外加的滤波器即选频网络，通过选频网络滤出自己所需要的振荡频率来。通常可以将正弦振荡电路分解为图3.2所示的方框图

5、。上面一个方框图为放大电路，下面一个方框为正反馈网络，并且由图可知反馈极性为正。当输入量为零时，净输入量就等于反馈量。工作时，由于电磁干扰（如合闸通电），电路将产生一个幅值很小的输入量，这个输入量一般会含有丰富的正弦信号。而输入量会在选频网络的作用下只留下频率为f0的正弦信号通过，其他信号则无法通过，那么输出信号= 0+ +图2.2 正弦波振荡电路的方框图虽然是正反馈，但输出不会无限制增大的。当输出达到一定幅值时，由于晶体管本身的非线性特性，正弦波幅值将会变化的越来越小，直到达到某一特定幅值。因此，不会一直增大的，当增大到某一数值时，电路便达到了动态平衡。这时输出量通过正反馈网络产生反馈量作为

6、放大电路的输入信号，而输入量又通过放大电路维持着输出量，写成表达式为由上式可知正弦波振荡的平衡条件为将其写成模与相角的形式为 且 上面两式分别为幅值平衡条件和相位平衡条件。为了保证使输出量在合闸后产生一个幅值逐渐变大直至达到稳定的正弦信号，电路的起振条件为 振荡系统会把除频率以外的其它输出量都逐渐衰减为零，因此输出量为的正弦波。 采用有源晶振构成高频振荡器，电路原理图如下图所示。在此处先介绍一下有源晶振与无源晶振区别。在电子学上，通常将有晶体管构成的电路称为有源电路。而仅有阻容性原件电阻电容等器件组成的电路称为无源电路。识别有源晶振与无源晶振时，名称上有源晶振称作oscillator而无源晶振

7、通常称为crytal，拿到起器件后，可以很方便的区别出来，无源晶振通常只有两个管脚，需要通过外接的振荡电路才能够产生振荡信号，自己是无法起振的。有源晶振一般有四个管脚，是一个完整的振荡器。 拿到有源晶振时，将器件的四个管脚朝下，上面有个黑点标记的为1脚，按逆时针方向看去，分别为2、3、4管脚。有源晶振使用方法为：一脚悬空，二脚接地，三脚输出，四脚接电源电压。图2.3 有源晶振构成的高频振荡器2.3 高频功率放大电路模块高频振荡器仅仅是一个信号作用，能量极小。由于无线充电器重要的是要传递能量，所以需要将高频功率进行放大，高频功率放大电路模块是将其转换为具有大量能量的高频信号。由于通过高频功率放大

8、电路模块放大后的振荡输出是用于能量功率，而不是传递信号，因此对波形的要求并不是很高。所以，波形的失真并不重要，需要的是输出信号要有足够的振幅。采用功率场效应管(MOSFET)进行放大。场效应管(MOSFET)”的英文缩写是MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。它一般有由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成。所谓功率场效应管(MOSFET)是指它能够在较大的工作电流下（一般是指几安培到几十安培）正常工作，专门用于功率输出的器件。功率场效应管优点(1)功率场效应管是压控型电力电子器件，

9、输入阻抗高，因此所需要的驱动功率很小，很容易被驱动，而且驱动电路比较简单。(2)场效应管具有较宽的安全工作区因而不会产生热点和二次击穿现象。它另一个特点是它同时具有正的温度系数，因而可以并联使用而不会出现电流分配不均的问题，解决了实际应用中的大电流问题。(3)场效应管是多数载流子导电，没有少数载流子具有的存储效应，因而与晶体管相比具有较高的开关速率。(4)场效应管具有相对较高的开启电压，即所谓的阈值电压，因此具有较高的噪声容限和抗干扰能力，这给电路的设计与调试带来了很大的方便。图2.4 由IRF540构成的高频功率放大电路经测试能够达到所需要的效果，因此最终采用该方案作为高频功率放大电路模块。

10、其中IRF540参数如下：漏极通态电阻：RDS<0.077 漏极击穿电压：UDSS 100V栅源电压：UGSS +20V 漏源最大电流：IDSS 22A门极开启电压：UGS 4V dv/dt： 9V/ns高频振荡的输入幅值为5V，频率为2MHz，电源电压为15V，因此IRF540能够满足电路的设计要求。2.4 发射、接收能量电路模块电能的无线传输是根据电磁感应原理来实现的，无线充电器的工作原理就是利用的法拉第电磁感应原理实现的。当有变化的电流通过初级线圈之后，便会产生变化的磁场。而产生的变化的磁场会在次级线圈形成电压，有了电压之后便会产生电流，有了电流便可以充电，通过初级和次级线圈感应产

11、生电流，从而将能量从传输段转移到接收端。简单地说，无线充电器内的发射线圈和接收线圈（相当于实际应用设备中的接收线圈）构成了一个没有铁芯的变压器，通过电磁感应将供电段电源输出的能量以无需电线的方式传递给负载设备。图2.5 发射线圈和接受线圈2.5 电源供电模块为了给整个系统供电，就设计了电源供电电路。在整个系统中，电源供电电路有两方面的作用，第一个作用是发射线圈耦合到次级线圈的能量来自于电源管理模块，第二个作用是为2M的有源晶振提供电源。因为，经过实践发现，电源为发射线圈提供的电压越高，则初级线圈耦合到次级线圈的能量越大，效率也相对提高了一部分。因此电源的第一个作用要求电源电压越大越好。但是由于

12、2M晶振的电源电压为5V，因此，电源的第二个作用决定了电源供电模块还要有一路5V的电压输出。鉴于这两方面的作用，同时考虑到成本和手头现有的材料，决定设计的电源供电模块如下图所示，一路输出电压15V，另一路输出为5V。线圈的供电电压需要+15V的电源，可以用一片LM7815对变压器的次级输出进行稳压得到。晶振部分需要的供电电压为+5V的电源，可以用一片LM7805芯片稳压得到。为了减少集成块的功耗，LM7805输入直接来自于LM7815的输出而不是变压器的输出。同时为了减少线圈的干扰，LM 7805的输出要加滤波电容。图2.6 电源供电原理图2.6 整流输出电路模块无线充电器的接收模块所接受的信

13、号为高频交流信号，因此需要通过一定的整流电路将其转化为直流信号，然后供给负载使用。在普通的电源电路中，一般可以使用普通二极管来构成整流桥，但在该电路中，整流二极管必须选用快恢复二极管，普通的二极管不能用。鉴于手头的资料，此处选用1N4148来构成整流桥。电路图如下：图2.7 整流输出电路原理图第3章 测试3.1 电源模块电源供电模块首先通过一变压器变压将220V交流电降压为18V的交流电，在通过二极管全桥整流电路整流并在整流桥的输出端加上以电解电容滤波。整流出来的直流电再作为7815的输入电压。（经查阅lm7815的资料可知其Vin范围是17.5V<Vin<30V）经过7815后出

14、来的15V电压再作为lm7805的输入电压（参阅lm7805的pdf资料可知Vin的输入范围是7.5V<Vin<20V）。图3.1 电源供电模块3.2 高频振荡器及功率放大模块采用的有源晶振频率为2mhz，输出波形如下图：输出信号加到irf540功率管上后功率管Vgs 与Vds波形：分析波形可知当高频信号为2m时，输出的脉冲T为500ns，从波形来看，irf540的开通时间Ton为100ns的样子，关断时间Toff时间为175ns样子。（而经查资料可知Td（on）为1620ns，Tr为65100ns，Td（off）为4770ns，Tf为2870ns）经过将参数对比，可知此频率时功率管irf540不能正常工作。为了使irf540能正常开通关断，要想办法降低频率因此在原来电路的基础上加上了cd4520，CD4520为二进制加法计数器，将其作为一分频器来使用。可以