1、精選優質文檔-傾情為你奉上2014年江蘇省大學生電子設計競賽實驗報告無線電能傳輸裝置（F題）2014年8月15日摘要：本設計基于磁耦合式諧振蕩電路來進行無線電能傳輸，點亮LED燈。由于輸入和輸出都是直流電的形式，因此本系統將分為以下四個部分：第一部分為驅動電路（DC-AC），為使直流分量轉化成交流電并通過耦合線圈將電能傳輸給負載，采用LC諧振的方式讓回路中電容和電感構成一個二階LC諧振電路，驅動MOS管形成交流電。第二部分為發射電路（AC-AC），應用電磁感應原理，在二次線圈中產生感應電流并輸給接受電路。第三部分為電能轉換電路（AC-DC），輸出的感應交流電經整流橋橋式整流后流入升壓電路。第四

2、部分為升壓電路（DC-DC），對整流之后的直流進行升壓，防止整流后的電壓無法驅動LED。本設計分模塊搭建并對各個部分電路進行原理分析。在調試時，采用分模塊調試，根據調試結果修改參數，最終形成一個完整的穩定系統。關鍵詞：磁耦合式諧振蕩電路 LC振蕩電路 橋式整流 DC-DC升壓AbstractThe design is based on magnetic resonance oscillation circuit coupled to the wireless power transmission, lit LED lights. Since the input and output are i

3、n the form of direct current, so the system will be divided into the following four parts: The first part of the drive circuit (DC-AC), is converted into alternating current so that the DC component and the power transmission through the coupling coil to the load, using LC resonant circuit in a mann

4、er so that the capacitance and inductance form a second order LC resonant circuit, the AC drive MOS tube formation. The second part is the transmitter circuit (AC-AC), application of the principle of electromagnetic induction, induced current in the secondary coil and lost to accept circuit. The thi

5、rd part is the power converter circuit (AC-DC), alternating current output induced by the flow into the booster circuit bridge rectifier bridge rectifier. The fourth part is the boost circuit (DC-DC), DC rectified after boosting prevent rectified voltage can not drive LED. The design of the various

6、parts of sub-module structures and principles of circuit analysis. When debugging, using sub-modules debug, modify parameters based debugging results, eventually forming a complete stabilization system.Key wordsMagnetically coupled harmonic oscillator circuit LC oscillator circuit bridge rectifier D

7、C-DC boost目錄 1系統方案 題目分析：圖1 電能無線傳輸裝置結構框圖題目給出的電路功能結構框圖如圖1所示，輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流I11A，驅動電路將流入的直流逆變成交流。交流通過發射線圈，經無線傳輸后在接收線圈中產生感應電流。經過電能變換后，整流后的直流給1W的LED供電，其中輸出直流電壓U28V，輸出直流電流I2=0.5A。系統的輸入輸出皆為直流，但因為內部有無線傳輸模塊，而無線電能傳輸是基于電磁感應原理，即為廣義的AC-AC轉換器。所以驅動電路中必有DC-AC轉換器，電能變換電路中必有AC-DC轉換器。三個轉換器是本設計的核心。但是考慮到線圈的耦合系數和電路內部的

8、損耗，初始直流輸入15V產生的功率可能不夠，所以得進行升壓變換，加入第四個轉換器DC-DC。除此之外，題目還給了兩個最優目標：在達成要求的基礎上，盡可能提高該無線電能傳輸裝置的效率；在保持LED燈不滅的條件下，盡可能延長發射線圈與接收線圈間距離x。因此，綜合考慮，我們的方案如下。1.1發射驅動電路方案的論證及分析驅動電路的目的是將直流逆變成交流從而驅動發射電路，以下就逆變方式對方案進行分析。方案一：選用RC振蕩，采用TI公司生產的NE555芯片構成振蕩頻率約為510KHz的信號發生器，為功放電路提供激勵信號，諧振蕩放大器由LC并聯諧振回路和開關管IRF840構成，將一可調電容器與固定電容相并聯

9、來調節諧振頻率。我們對此方案進行了嘗試制作，發現該電路回路復雜，功率較大，效應管很容易發熱且易燒壞，且對振蕩線圈要求較高。方案二：我們設置了兩個MOS場效應管來進行電路驅動。選用繼電器來進行啟動，能起到很好的保護作用。我們在面包板上預留一些可以直接插獨石電容的卡槽，一方面與發射線圈（電感）形成LC振蕩電路，另一方面方便我們調頻，分析在何種情況下傳輸效率最高。綜上：對比兩者，方案二功耗小而且電路簡單，利于我們進行制作。1.2接收電路方案的論證及分析：接收電流需要經過整流、濾波，現對這部分進行分析論證。方案一：由于整流電路結構比較簡單，所以我們可以采用二極管和電容建出模擬的全波整流橋。方案二：采用

10、集成整流橋，配合鋁電解電容進行濾波。該方案有比較成熟的芯片技術作為基礎。因此，我們最終選擇了方案二。1.3輸出電路方案的論證和選擇：輸出電路部分比較簡單，我們只需用開關控制點亮兩只1W的LED燈泡即可。另外，經過變換得到的電壓可能無法滿足題干要求，因此我們設計了備用的升壓電路。方案一：選用XL6009芯片進行升壓。圖2 XL6009芯片升壓模塊方案一中升壓后輸出電壓范圍為5V30V，工作電壓為5V32V，且外圍簡單,系統設計方便靈活。方案二：選用LM2577-ADJ芯片進行升壓。方案二的輸入電壓范圍為3.5V-40V，能按照進行電壓放大，將R1換成滑動變阻器，通過調節滑動變阻器的大小我們能調節

11、放大倍數，從而控制輸出電壓大小。考慮到傳輸過程中的損耗和影響耦合系數的因子過多且無法避免，應留有25%的控制余量，所以選用方案二。2系統理論分析與計算2.1電路設計分析及原理基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸，實際上是將磁場作為傳輸的介質，通過共振建立發射與接收裝置之間的傳遞通道，從而有效地傳輸能量。共振系統又多個具有相同本征頻率的物體構成，能量只在系統中的物體間傳遞，與系統之外的物體基本沒有能量交換，在達到共振時，物體振動的幅度達到最大。基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸理論的基礎是耦合模型理論（CMT）。在耦合模型理論中，對于由兩個物體1和2構成的共振系統，設兩個物體的場幅值分別為、，在無激勵源的

12、情況時，對一個存在損耗的系統，系統滿足方程（1）、（2）式中1、2是各自固有頻率，、是固有損耗率，取決于物體的固有（吸收、輻射等）的損失，k是耦合系數。用矩陣形式表示即為：對于共振系統，具有相同的共振頻率，可以認為1=2=0, =,于是可求解得到B的特征值，即系統的固有頻率可見，由于耦合的關系使系統的固有頻率分開，之間的差別為2k。假設t=0時，已知值，且=0，代入，為簡化計算，當k時。可以忽略損耗，求得在物體1、物體2中所含能量表達式為可見，兩物體能量的交換最小損失發生在t=/2k這一時刻。耦合系數k體現了系統的兩物體之間傳遞能量的速率，當k時，在t=/2k這一時刻，除了比較小的損耗外，能量

13、比較理想地由物體1完全傳遞到物體2.2.1.1發射驅動電路的設計分析發射驅動電路如圖所示：在電路中我們連入了一個發光二極管，用來檢測電路是否通路，同時也是一個啟動標志。我們采用雙MOS管的組合進行驅動，形成自激振蕩。產生自激振蕩必須同時滿足兩個條件：1、幅度平衡條件|AF|=12、相位平衡條件A+F=2n（n=0,1,2,3）其中，A指基本放大電路的增益（開環增益），F指反饋網絡的反饋系數同時起振必須滿足|AF|略大于1。如果振蕩電路滿足起振條件，在接通直流電源后，它的輸出信號將隨時間的推移逐漸增大。當輸出信號幅值達到一定程度后，放大環節的非線性器件接近甚至進入飽和或截止區，這時放大電路的增益

14、A將會逐漸下降，直到滿足幅度平衡條件AF=1，輸出信號將不會再增大，從而形成等幅振蕩。這就是利用放大電路中的非線性器件穩幅的原理。由于放大電路進入非線性區后，信號幅度才能穩定，所以輸出信號必然會產生非線性失真(削波)。為了改善輸出信號的非線性失真，我們在放大電路中設置非線性負反饋網絡，實際電路中我們加入了兩只二極管，使放大電路未進入非線性區時，電路滿足幅度平衡條件(AF=1)，維持等幅振蕩輸出。 另外，我們并入了6只獨石電容，與線圈形成LC振蕩回路。至此，發射驅動部分告一段落。2.1.2接收電路的分析接收電路如圖所示：接收電路包含兩部分，第一部分為為LC振蕩電路部分，用于接收電流。第二部分為橋

15、式整流電路與電容濾波電路。首先我要將交流電化成直流電，這里我們采用橋式整流。橋式整流與半波整流的相比，輸出電壓的脈動小很多。因為我們對直流的要求不是很高，所以在整流后我們只需加上一個電容進行濾波，以減少整流后直流電中的脈動成分。2.1.3 輸出電路的分析圖為升壓電路部分LM2577-ADJ 開關電源芯片被整體整合在集成電路中，為反激變換開關調節器和前鋒轉換開關調節器提供電源并且控制這兩個調節器。LM2577-ADJ需要最少的外部器件，那些調節器有非常高的效率而且 易于使用，被列在數據表上的是基礎電感和反激變換開關調節器一起的被設計用來和那些轉換調節器相互工作。在芯片中有一個 3.0ANPN開關

16、及其有關保護電路，組成的電流和熱限制，鎖定和饋線線路(設備)。其他特點包括52千赫的振動，不需要外部的頻振元件,一個in-rush電流減少時的軟啟動方式，啟動電流模式控制,有效阻止輸入電壓和輸出負載電涌。特性：1.需要很少的外部組件。2.NPN輸出轉換3.0A，能避開65V電壓。3.輸入電壓范圍寬度：3.5V-40V搜索。4.為改善瞬態電流型操作而響應、線、電流限制條例5. 52千赫內部振蕩器.6. Soft-start功能,減少in-rush起動電流.7. 輸出電流限制開關保護、低、停工、熱關機.2.2 發射驅動回路器件的選擇及參數計算驅動電路部分核心為MOS場效應管，按照題目要求，輸入電壓

17、為15V 電流為1A，因此我們選用型號為IRFZ44N的MOS管，該MOS管55V 49A 94W 0.0175歐姆，完全符合電路的參數要求。為了配置自激振蕩電路，我們最后選擇了47mH的磁環電感。實際電路中R1、R2為10W 100歐的繞線電阻，因為繞線電阻可以過大電流該部分我們一共插了8個電容，選擇了47nF,100nF的電容來使調諧電容可調，配合發射線圈調整發射頻率。2.3接收電路回路器件的選擇及參數計算接收電路部分核心為橋式整流電路，因為要求的輸出電壓必須大于等于8V、直流0.5A，因此選擇合適反向耐壓的整流二極管是關鍵，經過資料查閱，我們最終選擇了1N5819肖特基整流二極管，其主要

18、參數為反向耐壓40V，額定正向電流1A，完全符合整流要求。對于濾波部分，我們選用耐壓值500V 100pF的獨石電容。2.4 發射與接收線圈的選擇及參數計算按照報告2.1 為使系統工作效率最大化，發射與接收部分工作頻率必須盡可能的吻合，。首先必須保證發射、接收線圈電感大小一致，于是我們選用1.2mm的漆包線，按照題目要求繞成外徑為20cm的圓環，匝數保證嚴格的各15匝，最后用數字電表測得該線圈電感大小L為110uH.3電路與程序設計3.1電路的設計3.1.1系統總體框圖3.1.2發射驅動電路字系統框圖與電路原理圖如流程圖所示，發射部分分為四個模塊。原本在設計過程中，我們加入了繼電器，如下圖所示

19、：繼電器在該電路的作用是仿真啟動低電壓。在實際制作過程中，考慮到繼電器功率較大、連接上有難度，所以該部分在實際電路中未得到體現3.1.3接收電路系統框圖與電路原理圖e2為正半周時，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構成e2、Dl、Rfz 、D3通電回路，在Rfz ，上形成上正下負的半波整流電壓，e2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構成e2、D2Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負的另外半波的整流電壓。如此重復下去，結果在Rfz ，上便得到全波整流電壓。其波形圖和

20、全波整流波形圖是一樣的。從圖5-6中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整流電路小一半。3.1.4發射電路原理發射部分由兩個放大電路組成的二級放大組成，芯片為LM2577-ADJ,芯片4腳和地之間集成一個開關管，芯片內部有產生方波的模塊，來控制這個開關管導通和關斷。1當開關導通的時候，輸入的電流就通過電感，開關管，給電感充電。2.然后開關關斷，電感就會通過續流二極管5821給負載供電，通輸入也通過電感和二極管供電。電感和輸入通過疊加的作用就實現了升壓。3.然后輸出電壓通R1 R2的比例電阻的分壓反饋給芯片，芯片通過計算來調節輸出方波的占空比，從而是輸出電壓穩定在合適的范圍內。經過升壓電路后，我們直接連入LED，點亮小燈泡。4測試方案與測試結果4.1測試方案我們在面包板上預留了一些電容的插槽，通過這種方式來改變電容大小從而調整頻率，來使傳輸效率達到最大化。同時利用多用數字表來測量線圈電感大小。4.2測試條件與儀器測試儀器：示波器、