电磁感应技术之无线电传输.docx

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电磁感应技术之无线电传输

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章无线充电技术大体概念

1.1无线充电技术的大体原理

无线充电技术（Wirelesschargingtechnology；Wirelesschargetechnology），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。

低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转变的磁场，然后转变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，现在，便实现了电能的无线传递。

1.2电磁感应式充电的大体原理及应用

大体原理：

在低级线圈通入必然频率的交流电源，通过电磁感应原理将会在次级线圈产生必然的电流，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以下图：

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系统的整体框图及整体描述

整个系统的具体框图如图2.1所示，整个系统的硬件电路要紧包括电源治理模块、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。

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，此处通过利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，因此还需要将信号放大即功率放大。

高频功率放大电路目的确实是放大传递的功率，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即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。

当低级线圈取得高频交流信号后，发射线圈与接收线圈之间便会成立起一个转变的磁场，由电磁感应原理那么次级高频接收线圈将产生一样的高频信号。

次级线圈取得的能量及电压幅值由电源电压，高频振荡频率，发射线圈与接收线圈匝数，和发射线圈和接收线圈之间的距离相对位置一起来决定的。

次级取得的交流信号是不能直接加到负载上的，要通过整流稳压后才能接到负载上，整流桥必需有快恢复二极管组成，因为传递过来的是高频信号，一般二极管由于其反向恢复时刻过大而不能知足要求，然后通过稳压芯片的稳压取得稳固的电压输出，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。

通常能够将正弦振荡电路分解为图3.2所示的方框图。

上面一个方框图为放大电路，下面一个方框为正反馈网络，而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，那个输入量一样会含有丰硕的正弦信号。

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，其他信号那么无法通过，那么输出信号

图2.2正弦波振荡电路的方框图

尽管是正反馈，但输出可不能无穷制增大的。

当输出达到必然幅值时，由于晶体管本身的非线性特性，正弦波幅值将会转变的愈来愈小，直抵达到某一特定幅值。

因此，可不能一直增大的，当增大到某一数值时，电路便达到了动态平稳。

这时输出量通过正反馈网络产生反馈量作为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稳条件为

将其写成模与相角的形式为

且

上面两式别离为幅值平稳条件和相位平稳条件。

为了保证使输出量在合闸后产生一个幅值慢慢变大直至达到稳固的正弦信号，电路的起振条件为

振荡系统会把除频率之外的其它输出量都慢慢衰减为零，因此输出量为的正弦波。

采纳有源晶振组成高频振荡器，电路原理图如以下图所示。

在此处先介绍一下有源晶振与无源晶振区别。

在电子学上，通常将有晶体管组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而无源晶振通常称为crytal，拿到起器件后，能够很方便的区别出来，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。

有源晶振一样有四个管脚，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，别离为二、3、4管脚。

有源晶振利用方式为：

一脚悬空，二脚接地，三脚输出，四脚接电源电压。

图2.3有源晶振组成的高频振荡器

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。

由于无线充电重视要的是要传递能量，因此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。

由于通太高频功率放大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非是很高。

因此，波形的失真并非重要，需要的是输出信号要有足够的振幅。

采纳功率场效应管（MOSFET）进行放大。

场效应管（MOSFET）”的英文缩写是MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。

它一样有由金属、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（一样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。

功率场效应管优势

（1）功率场效应管是压控型电力电子器件，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平安工作区因此可不能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，因此能够并联利用而可不能显现电流分派不均的问题，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，因此与晶体管相较具有较高的开关速度。

（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专门大的方便。

图2.4由IRF540组成的高频功率放大电路

经测试能够达到所需要的成效，因此最终采纳该方案作为高频功率放大电路模块。

其中IRF540参数如下：

漏极通态电阻：

RDS<0.077Ω漏极击穿电压：

UDSS100V

栅源电压：

UGSS+20V漏源最大电流：

IDSS22A

门极开启电压：

UGS4Vdv/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能够知足电路的设计要求。

2.4发射、接收能量电路模块

电能的无线传输是依照电磁感应原理来实现的，无线充电器的工作原理确实是利用的法拉第电磁感应原理实现的。

当有转变的电流通过低级线圈以后，便会产生转变的磁场。

而产生的转变的磁场会在次级线圈形成电压，有了电压以后便会产生电流，有了电流即能够充电，通过低级和次级线圈感应产生电流，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）组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发射线圈和同意线圈

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治理模块，第二个作用是为2M的有源晶振提供电源。

因为，通过实践发觉，电源为发射线圈提供的电压越高，那么低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份。

因此电源的第一个作用要求电源电压越大越好。

可是由于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，同时考虑到本钱和手头现有的材料，决定设计的电源供电模块如以下图所示，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，能够用一片LM7815对变压器的次级输出进行稳压取得。

晶振部份需要的供电电压为+5V的电源，能够用一片LM7805芯片稳压取得。

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，LM7805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同意的信号为高频交流信号，因此需要通过必然的整流电路将其转化为直流信号，然后供给负载利用。

在一般的电源电路中，一样能够利用一般二极管来组成整流桥，但在该电路中，整流二极管必需选用快恢复二极管，一般的二极管不能用。

鉴于手头的资料，此处选用1N4148来组成整流桥。

电路图如下：

图2.7整流输出电路原理图

第三章测试

3.1电源模块

电源供电模块第一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

图3.1电源供电模块

3.2高频振荡器及功率放大模块

采纳的有源晶振频率为2mhz，输出波形如以下图：

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的开通时刻Ton为100ns的样子，关断时刻Toff时刻为175ns样子。

（而经查资料可知Td（on）为16～20ns，Tr为65～100ns，Td（off）为47～70ns，Tf为28～70ns）通过将参数对照，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，要想方法降低频率因此在原先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利用。

能够对高频信号实现二、4、八、16倍分频，而且还能实现级联来达到更高倍数的分频。

3.3整体调试

当高频信号为250khz时，通过无线电传输时仅仅能供一个发光二极管点亮，传输效率超级低。

因此必需提高高频信号的效率，这就与irf540的开通关断时刻矛盾。

当高频信号为2m时加在低级线圈上的电压衰减很小，可是当高频信号为66khz时信号衰减相当厉害从实际检测得知输入15V的高频信号输出幅值有1V。

附录：

4520二分频波形

4520四分频波形

4520八分频波形