2014年“TI”杯浙江省大学生电子设计竞赛
无线电能传输装置（E题）
【本科组】
2014年8月15日
摘要
无线电能传输(wireless power transfer，WPT)，又称为无接触式电能传输(contactless power transfer，CPT)，指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。无线电能传输系统主要利用电磁感应原理，通过初、次级线圈的感应来实现电能的传输。基于这种方式的无线电能传输系统主要有四部分设计而成，即辅助电源电路、驱动电路、耦合线圈、整流滤波电路。通过改变单片机输出波形的频率和占空比以及对传送线圈的优化，使整个装置的效率不断提高完善，并且传输距离尽可能远。
关键字：无线电能传输
磁耦合谐振 电磁感应
一、题目要求
设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1 所示。
（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V 时，接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8 V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。
（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED 灯（白色、1W）。在保持LED 灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。
（3）其他自主发挥。
（4）设计报告。
二、系统整体方案设计
系统整体方案如图2所示。
图2 系统整体方案
直流电源通过题目要求15V供电，通过辅助电源模块实现各种稳定电压要求。由H桥驱动电路产生高频交流电，系统发射电路的频率选择要综合各个因素来考虑，根据电磁感应定律：
可知发射线圈上的电压频率越高，电流变化的速率越快，接收线圈感应所产生的电压也越高，所得到的功率也就越大。但随着频率的增高，诸如开关损耗、功率场效应管的栅极驱动损耗、输出整流管的损耗会越来越突出，而且随着频率的增加，对磁性材料的选择和参数设计也会越来越苛刻。通过改变线圈电感和串联电容，使频率范围在100KHz~200KHz。然后通过改变单片机输出波形的频率来找到谐振点。
接受部分通过整流滤波后得到稳定的直流电压给负载供电，然后逐步实现题目要求。
三、辅助电源设计
整个系统只能由15V直流电源供电。而单片机、H桥驱动电路以及运放芯片需要3.3V、5V等直流稳压电源供电，因此要选择特定芯片实现。（1）开关电源：把直流电转变成高频脉冲电流，将电能储存电感、电容元件中，利用电感、电容特性将电能按预定要求释放出来改变输出电压或电流，效率高，但是纹波大；（2）线性电源：有高频脉冲和储存元件，利用元器件线性特性在负载变化瞬间反馈控制输入达到稳定电压和电流，效率低，但是纹波小。由于H桥驱动电路需要稳定的方波，并且考虑到纹波会对装置的效率产生一定影响，所以选用线性电源来制作辅助电源。最终我们选用线性度较高，且电路简单的LM7805芯片产生稳定的5V电压，后面再通过一个ASM1117产生稳定的3.3V电压。电路最前端接一个共模滤波电路滤除共模成分影响。辅助电源整体电路图如图4所示。
图4 辅助电源整体电路
四、能量发射部分
全桥、半桥发射拓扑、D类功率放大器和E类功率放大器是四种常用且高效的发射拓扑。四种初级发射电路各有利弊，全桥发射电路开关损耗较大，体积大，
所需器件较多，适合大功率能量的传输；半桥发射电路输入功率为全桥的一半，
能量密度及效率较低；E类推挽功率放大电路所需器件简单，效率高，但是设计非常复杂，并且对电路参数非常敏感；D类功率放大电路输出效率高，与E类推挽功率放大电路相差不多。为了提高装置的效率，并且使电路不是非常复杂难调，最终选用H桥驱动发射电路。电路图如图5所示。
图5 全桥发射电路
功率器件的选择应考虑到如下四个方面：（1）电压要求：功率开关上的峰值电压不仅不能超过数据手册上的额定电压，且要保有足够的裕量；（2）电流要求：功率管流过的导通电流的峰值必须小于两倍的额定电流，以便保证功率开关管出于其安全工作区以内；（3）散热条件：在散热条件良好的情况下，应当选用功率器件的电压和电流额定值较小的；（4）损耗：应当选取开关延迟时间较小，反应速度较快的，导通电阻小的器件以便减少器件的开关损耗和传导损耗。
75n75场效应管VDss=75V，大于驱动芯片产生波形的电压值。此场效应管能承受56A的最大电流，也符合电路的电流要求。静态导通电阻12.5mΩ，损耗很小。综合考虑选用该型号作为功率器件。并且通过散热片来加快散热。
单片机产生的PWM波幅值只有3.2V，不足以驱动75n75场效应管。因此需要使用驱动芯片实现。IR2110输出范围10-20V，达到驱动75n75场效应管要求。IR2103的电路图如图6所示。
图6 IR2103驱动电路图
五、耦合方式
在初级和次级回路中，最基本、最常用的补偿方式有两种：串联补偿和并联补偿。初次级的补偿电路如果在相同的频率下谐振，系统可以获得最大的功率传输比。常用的电路拓扑分为以下四种：初级串联--次级串联补偿（SS）、初级串联—次级并联补偿(SP)、初级并联—次级串联补偿(PS)和初级并联—次级并联补偿(PP)。参考网上文献得知，初级串联—次级并联补偿可以使得次级在谐振频率下接收的有功功率和传输效率最高。初级串联—次级并联补偿电路如图7所示。
图7 初级串联—次级并联补偿电路
实验测得产生谐振后，初级线圈两端电压达到160V，线圈上电流很大而发热严重，进而导致线圈电阻增加对测量结果产生很大影响。采用三匝线圈并绕的方式可以有效降低线圈电阻，从而可以减小这方面的影响。考虑到频率最好选在100KHz~200KHz之间，将线圈电感绕成20uH左右比较合适。
六、次级整流滤波电路
常用的整流电路有单向半波整流、单向全波整流和桥式整流。桥式整流电路利用率高，而且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，虽然多用了两只二极管，但二极管成本不大。因此最终选用桥式整流电路。
交流成分在输出的电压中都占据很大的成分，因此必须通过滤波，尽可能地保留直流成分，减小输出电压中的交流和脉动成分，从而获得直流电压变得平滑。电容和电感这些电抗元件对交流成分的直流成分阻抗是不同的，滤波电路依据交直流成分阻抗不同来实现滤波的。常用的滤波电路有电容滤波、IC滤波和RC滤波。（1）电容滤波：电路简单，负载上的直流电压较高，电压纹波小。但是在负载变化大的时候，冲击电流较大。（2）LC滤波电路：电感L中的电流不能发生突变，所以整流二极管后的电流会更加平滑，而且电感对输出电流的交流成分具有阻抗，滤波效果会更好。（3）RC滤波电路：由于增加了电阻，因此会对次级接收的能量有损耗，所以并不合适。因此选用LC滤波电路来滤波储能，如图8所示。
图8 LC桥式全波整流电路
为了输出电压U2≥8V，选用正向导通压降为0.67V的IN4148二极管。负载端并联一个47uF的电容进一步提高输出电压。
七、系统调试数据
根据实际绕制电感L=23.1uH和选用0.1uF的CPP电容，由LC振荡电路公式：
2014年“TI”杯浙江省大学生电子设计竞赛
无线电能传输装置（E题）
【本科组】
2014年8月15日
摘要
无线电能传输(wireless power transfer，WPT)，又称为无接触式电能传输(contactless power transfer，CPT)，指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。无线电能传输系统主要利用电磁感应原理，通过初、次级线圈的感应来实现电能的传输。基于这种方式的无线电能传输系统主要有四部分设计而成，即辅助电源电路、驱动电路、耦合线圈、整流滤波电路。通过改变单片机输出波形的频率和占空比以及对传送线圈的优化，使整个装置的效率不断提高完善，并且传输距离尽可能远。
关键字：无线电能传输
磁耦合谐振 电磁感应
一、题目要求
设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1 所示。
（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V 时，接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8 V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。
（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED 灯（白色、1W）。在保持LED 灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。
（3）其他自主发挥。
（4）设计报告。
二、系统整体方案设计
系统整体方案如图2所示。
图2 系统整体方案
直流电源通过题目要求15V供电，通过辅助电源模块实现各种稳定电压要求。由H桥驱动电路产生高频交流电，系统发射电路的频率选择要综合各个因素来考虑，根据电磁感应定律：
可知发射线圈上的电压频率越高，电流变化的速率越快，接收线圈感应所产生的电压也越高，所得到的功率也就越大。但随着频率的增高，诸如开关损耗、功率场效应管的栅极驱动损耗、输出整流管的损耗会越来越突出，而且随着频率的增加，对磁性材料的选择和参数设计也会越来越苛刻。通过改变线圈电感和串联电容，使频率范围在100KHz~200KHz。然后通过改变单片机输出波形的频率来找到谐振点。
接受部分通过整流滤波后得到稳定的直流电压给负载供电，然后逐步实现题目要求。
三、辅助电源设计
整个系统只能由15V直流电源供电。而单片机、H桥驱动电路以及运放芯片需要3.3V、5V等直流稳压电源供电，因此要选择特定芯片实现。（1）开关电源：把直流电转变成高频脉冲电流，将电能储存电感、电容元件中，利用电感、电容特性将电能按预定要求释放出来改变输出电压或电流，效率高，但是纹波大；（2）线性电源：有高频脉冲和储存元件，利用元器件线性特性在负载变化瞬间反馈控制输入达到稳定电压和电流，效率低，但是纹波小。由于H桥驱动电路需要稳定的方波，并且考虑到纹波会对装置的效率产生一定影响，所以选用线性电源来制作辅助电源。最终我们选用线性度较高，且电路简单的LM7805芯片产生稳定的5V电压，后面再通过一个ASM1117产生稳定的3.3V电压。电路最前端接一个共模滤波电路滤除共模成分影响。辅助电源整体电路图如图4所示。
图4 辅助电源整体电路
四、能量发射部分
全桥、半桥发射拓扑、D类功率放大器和E类功率放大器是四种常用且高效的发射拓扑。四种初级发射电路各有利弊，全桥发射电路开关损耗较大，体积大，
所需器件较多，适合大功率能量的传输；半桥发射电路输入功率为全桥的一半，
能量密度及效率较低；E类推挽功率放大电路所需器件简单，效率高，但是设计非常复杂，并且对电路参数非常敏感；D类功率放大电路输出效率高，与E类推挽功率放大电路相差不多。为了提高装置的效率，并且使电路不是非常复杂难调，最终选用H桥驱动发射电路。电路图如图5所示。
图5 全桥发射电路
功率器件的选择应考虑到如下四个方面：（1）电压要求：功率开关上的峰值电压不仅不能超过数据手册上的额定电压，且要保有足够的裕量；（2）电流要求：功率管流过的导通电流的峰值必须小于两倍的额定电流，以便保证功率开关管出于其安全工作区以内；（3）散热条件：在散热条件良好的情况下，应当选用功率器件的电压和电流额定值较小的；（4）损耗：应当选取开关延迟时间较小，反应速度较快的，导通电阻小的器件以便减少器件的开关损耗和传导损耗。
75n75场效应管VDss=75V，大于驱动芯片产生波形的电压值。此场效应管能承受56A的最大电流，也符合电路的电流要求。静态导通电阻12.5mΩ，损耗很小。综合考虑选用该型号作为功率器件。并且通过散热片来加快散热。
单片机产生的PWM波幅值只有3.2V，不足以驱动75n75场效应管。因此需要使用驱动芯片实现。IR2110输出范围10-20V，达到驱动75n75场效应管要求。IR2103的电路图如图6所示。
图6 IR2103驱动电路图
五、耦合方式
在初级和次级回路中，最基本、最常用的补偿方式有两种：串联补偿和并联补偿。初次级的补偿电路如果在相同的频率下谐振，系统可以获得最大的功率传输比。常用的电路拓扑分为以下四种：初级串联--次级串联补偿（SS）、初级串联—次级并联补偿(SP)、初级并联—次级串联补偿(PS)和初级并联—次级并联补偿(PP)。参考网上文献得知，初级串联—次级并联补偿可以使得次级在谐振频率下接收的有功功率和传输效率最高。初级串联—次级并联补偿电路如图7所示。
图7 初级串联—次级并联补偿电路
实验测得产生谐振后，初级线圈两端电压达到160V，线圈上电流很大而发热严重，进而导致线圈电阻增加对测量结果产生很大影响。采用三匝线圈并绕的方式可以有效降低线圈电阻，从而可以减小这方面的影响。考虑到频率最好选在100KHz~200KHz之间，将线圈电感绕成20uH左右比较合适。
六、次级整流滤波电路
常用的整流电路有单向半波整流、单向全波整流和桥式整流。桥式整流电路利用率高，而且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，虽然多用了两只二极管，但二极管成本不大。因此最终选用桥式整流电路。
交流成分在输出的电压中都占据很大的成分，因此必须通过滤波，尽可能地保留直流成分，减小输出电压中的交流和脉动成分，从而获得直流电压变得平滑。电容和电感这些电抗元件对交流成分的直流成分阻抗是不同的，滤波电路依据交直流成分阻抗不同来实现滤波的。常用的滤波电路有电容滤波、IC滤波和RC滤波。（1）电容滤波：电路简单，负载上的直流电压较高，电压纹波小。但是在负载变化大的时候，冲击电流较大。（2）LC滤波电路：电感L中的电流不能发生突变，所以整流二极管后的电流会更加平滑，而且电感对输出电流的交流成分具有阻抗，滤波效果会更好。（3）RC滤波电路：由于增加了电阻，因此会对次级接收的能量有损耗，所以并不合适。因此选用LC滤波电路来滤波储能，如图8所示。
图8 LC桥式全波整流电路
为了输出电压U2≥8V，选用正向导通压降为0.67V的IN4148二极管。负载端并联一个47uF的电容进一步提高输出电压。
七、系统调试数据
根据实际绕制电感L=23.1uH和选用0.1uF的CPP电容，由LC振荡电路公式：