【《某电压力锅的无线供电模块设计案例》2100字】

某电压力锅的无线供电模块设计案例根据无线通信的传输原理，可以将无线电能传输方式分为三类拓扑：第一类：电磁感应，如图3-1所示，电磁感应因为线圈之间有一定的间隙，所以在传输过程中会出现一定的漏感，造成了能量损失，因此传输效率不高。而且此种方式对线圈重合度以及间隙距离有很高的要求，若重合度不够或者间隙距离过大，那么就会因能量损失导致传输效率迅速下降。一般来说，这种无线传输方式最佳的传输距离是0-2cm，如图3-2所示，无线充电器就是这种方式，但是传输条件苛刻，传输功率低，且发热高，所以没有应用到其他领域[28]。图3-1电磁感应方式能量传输图3-2电子产品无线充电第二类：电磁波辐射，如图3-3所示，电磁波辐射工作时，将市电输入微波转换装置，然后转换为微波光束，以微波光束的形式进行传输，接着将微波光束输入到天线端并经过天线发射模块进行发射，在另一端，使用天线接收模块进行微波光束的接收，接收以后将此微波输入到微波转换装置模块进行整流，供负载使用[29]。基于微波光束的传输原理，其必须是直线输入与输出，因此需要将无线发射模块和无线接收模块进行对准[30]，且中间不能有遮挡，这样才能有效的进行能量传输；传输使用的信号为高频信号，此会对普通生物造成危害[31]，因此该方案广泛的应用在工业领域，比如卫星太阳能，太空卫星等。图3-3电磁辐射方式传输原理第三类：磁耦合共振，其采用磁场谐振的方式进行传输，可以理解为电磁感应方式的加强版，其比电磁感应有更长的传输距离，可以达到数米，并且不受到方向限制[32]。因其采用谐振传输，所以只对谐振频率一致的物体产生影响，所以安全性极高。同时此为发射状传输，对送电线圈和受电线圈的位置要求不高[33]，大大简化了实现装置的可制造性，具有良好的居家应用前景。在分体电压力锅中，无线供电主要应用在锅盖上，其特点是传输间距小，一般不超过2cm，传输功率小，通常为1-5W，因此本产品采用电磁感应原理进行能量传输，传输的有效距离为0.5-1.5cm。在电磁感应原理中，有不同的拓扑结构，如图3-4所示。图3-4电磁各种拓扑结构SS型和SP型：这两种设计主要用于电压型耦合，因为输入源的电压是不变的，而通过这个电路输出的电流会不断的变化，在大功率系统或负载不断变换的系统中应用。PS型和PP型：这两种设计主要用于电流型耦合，因为输出源的电流是不变的，而输入的电压会不断的变化，因此主要应用于小功率系统，以及负载稳定，不会变化的场合[34]。对于分体式的压力锅，其输入电压保持不变，而其负载会受到不同模块的工作时间差异而不同，可使用SS型和SP型。SS型和SP型结构负载平均功率与负载的关系，SS型结构成反比，而SP结构关系比较特别，先增大再缓慢减小[35]。所以，本文研究的分体式压力锅采用了两种设计方案，低成本的1W设计和高成本的5W设计；低功率1W的方案设计使用SP拓扑，而高功率5W的方案设计采用SS拓扑，这样就可以最大程度的兼顾成本设计与效率输出；从目前的压力锅实际调试数据来看，SP拓扑的电压增益要比SS拓扑高，优化参数如表3-1所示。表3-14种模式下的优化参数拓扑CMSS1RPSL4SP1LPPωωL按照5V-1W设计，SS拓扑和SP拓扑对比方案如图3-5所示，根据优化参数调整后，如图3-6所示。实际使用R=100，得到SS最优耦合系数0.25；实际耦合系数0.5，得到SP最优耦合系数0.13;实际耦合系数0.064。1W方案软件控制频率在137-166kHz之间，默认频率是143kHz。原端保证谐振频率在137kHz的左边，保证右边控制区间可以单调增/减。因此实际方案采用100nF贴片电容，频率大概为135kHz（考虑线圈误差，会去到138kHz，影响较小）另外考虑电容值的偏差，原边谐振频率会变化，以90nF为参数，其谐振频率大概142k。副边保证在区间内的耦合效率，通过测试发现，选择电容为88nF比100nF效率更优，其谐振频率143k。图3-5Ls=14uHLp=14uH的SS与SP对比图3-6优化参数测试电压为1V，测试频率为100kHz，对5W方案进行测试（Lp=21.18uH，Ls=51.4uH，Rp=0.16，Rs=1.13），测试结果如表3-2所示。表3-25W方案测试结果间距接法1接法2MK感量阻值感量阻值1.236.51.17146.81.6927.580.784.841.91.18131.91.5722.500.646.449.01.19116.31.4916.830.488.051.61.20107.51.4411.480.389.657.41.21100.21.4010.700.3011.260.71.2295.21.389.630.2512.861.51.2291.81.367.080.2014.465.01.2289.61.336.150.1716.066.71.2387.61.325.230.15按照12V-5W设计，R=28.8；实际使用2.5WR=57.6，得到SS最优耦合系数0.065；实际耦合系数0.09，得到SP最优耦合系数0.11，实际耦合系数0.08，图3-7Ls=24uHLp=54uH的SS与SP对比如图3-7所示，SP拓扑在高负载情况下对耦合系数要求比较高，所以此时效率可能较差。按照目前系统2.5W功率的要求，也可以评估使用SP拓扑，这样在低负载的情况下，效率可以得到提升。实际上，5W方案软件控制频率在103-144kHz之间，默认频率是123kHz。原端保证谐振频率在103的左边，保证右边控制区间可以单调增/减。因此实际方案采用100nF贴片电容，频率大概为103kHz（考虑线圈误差，会去到105kHz，影响较小）。另外考虑到实际使用时不同电容之间的电容值偏差，此会导致原边谐振的频率发生变化，假设参数为90nF，则