2014年浙江省電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告.docx

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2014年“TI”杯浙江省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 無(wú)線電能傳輸裝置（E題） 【本科組】 2014年8月15日 摘 要 無(wú)線電能傳輸(wireless power transfer，WPT)，又稱為無(wú)接觸式電能傳輸(contactless power transfer，CPT)，指的是電能從電源到負(fù)載的一種沒(méi)有經(jīng)過(guò)電氣直接接觸的能量傳輸方式。無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)主要利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)初、次級(jí)線圈的感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。基于這種方式的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)主要有四部分設(shè)計(jì)而成，即輔助電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、耦合線圈、整流濾波電路。通過(guò)改變單片機(jī)輸出波形的頻率和占空比以及對(duì)傳送線圈的優(yōu)化，使整個(gè)裝置的效率不斷提高完善，并且傳輸距離盡可能遠(yuǎn)。 關(guān)鍵字：無(wú)線電能傳輸 電磁感應(yīng) 磁耦合諧振  一、 題目要求 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。 （1）保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓U1=15V 時(shí)，接收端輸出直流電流I2=0.5A，輸出直流電壓U2≥8 V，盡可能提高該無(wú)線電能傳輸裝置的效率η。 （2）輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流不大于1A，接收端負(fù)載為2只串聯(lián)LED 燈（白色、1W）。在保持LED 燈不滅的條件下，盡可能延長(zhǎng)發(fā)射線圈與接收線圈間距離x。 （3）其他自主發(fā)揮。 （4）設(shè)計(jì)報(bào)告。 二、 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)整體方案如圖2所示。 圖2 系統(tǒng)整體方案 直流電源通過(guò)題目要求15V供電，通過(guò)輔助電源模塊實(shí)現(xiàn)各種穩(wěn)定電壓要求。由H橋驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生高頻交流電，系統(tǒng)發(fā)射電路的頻率選擇要綜合各個(gè)因素來(lái)考慮，根據(jù)電磁感應(yīng)定律： 可知發(fā)射線圈上的電壓頻率越高，電流變化的速率越快，接收線圈感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓也越高，所得到的功率也就越大。但隨著頻率的增高，諸如開(kāi)關(guān)損耗、功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵極驅(qū)動(dòng)損耗、輸出整流管的損耗會(huì)越來(lái)越突出，而且隨著頻率的增加，對(duì)磁性材料的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)也會(huì)越來(lái)越苛刻。通過(guò)改變線圈電感和串聯(lián)電容，使頻率范圍在100KHz~200KHz。然后通過(guò)改變單片機(jī)輸出波形的頻率來(lái)找到諧振點(diǎn)。 接受部分通過(guò)整流濾波后得到穩(wěn)定的直流電壓給負(fù)載供電，然后逐步實(shí)現(xiàn)題目要求。 三、 輔助電源設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)只能由15V直流電源供電。而單片機(jī)、H橋驅(qū)動(dòng)電路以及運(yùn)放芯片需要3.3V、5V等直流穩(wěn)壓電源供電，因此要選擇特定芯片實(shí)現(xiàn)。（1）開(kāi)關(guān)電源：把直流電轉(zhuǎn)變成高頻脈沖電流，將電能儲(chǔ)存電感、電容元件中，利用電感、電容特性將電能按預(yù)定要求釋放出來(lái)改變輸出電壓或電流，效率高，但是紋波大；（2）線性電源：有高頻脈沖和儲(chǔ)存元件，利用元器件線性特性在負(fù)載變化瞬間反饋控制輸入達(dá)到穩(wěn)定電壓和電流，效率低，但是紋波小。由于H橋驅(qū)動(dòng)電路需要穩(wěn)定的方波，并且考慮到紋波會(huì)對(duì)裝置的效率產(chǎn)生一定影響，所以選用線性電源來(lái)制作輔助電源。最終我們選用線性度較高，且電路簡(jiǎn)單的LM7805芯片產(chǎn)生穩(wěn)定的5V電壓，后面再通過(guò)一個(gè)ASM1117產(chǎn)生穩(wěn)定的3.3V電壓。電路最前端接一個(gè)共模濾波電路濾除共模成分影響。輔助電源整體電路圖如圖4所示。 圖4 輔助電源整體電路 四、 能量發(fā)射部分 全橋、半橋發(fā)射拓?fù)洹類功率放大器和E類功率放大器是四種常用且高效的發(fā)射拓?fù)?。四種初級(jí)發(fā)射電路各有利弊，全橋發(fā)射電路開(kāi)關(guān)損耗較大，體積大，所需器件較多，適合大功率能量的傳輸；半橋發(fā)射電路輸入功率為全橋的一半，能量密度及效率較低；E類推挽功率放大電路所需器件簡(jiǎn)單，效率高，但是設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，并且對(duì)電路參數(shù)非常敏感；D類功率放大電路輸出效率高，與E類推挽功率放大電路相差不多。為了提高裝置的效率，并且使電路不是非常復(fù)雜難調(diào)，最終選用H橋驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路。電路圖如圖5所示。 圖5 全橋發(fā)射電路 功率器件的選擇應(yīng)考慮到如下四個(gè)方面：（1）電壓要求：功率開(kāi)關(guān)上的峰值電壓不僅不能超過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)上的額定電壓，且要保有足夠的裕量；（2）電流要求：功率管流過(guò)的導(dǎo)通電流的峰值必須小于兩倍的額定電流，以便保證功率開(kāi)關(guān)管出于其安全工作區(qū)以內(nèi)；（3）散熱條件：在散熱條件良好的情況下，應(yīng)當(dāng)選用功率器件的電壓和電流額定值較小的；（4）損耗：應(yīng)當(dāng)選取開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間較小，反應(yīng)速度較快的，導(dǎo)通電阻小的器件以便減少器件的開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。 75n75場(chǎng)效應(yīng)管VDss=75V，大于驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生波形的電壓值。此場(chǎng)效應(yīng)管能承受56A的最大電流，也符合電路的電流要求。靜態(tài)導(dǎo)通電阻12.5mΩ，損耗很小。綜合考慮選用該型號(hào)作為功率器件。并且通過(guò)散熱片來(lái)加快散熱。 單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波幅值只有3.2V，不足以驅(qū)動(dòng)75n75場(chǎng)效應(yīng)管。因此需要使用驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)。IR2110輸出范圍10-20V，達(dá)到驅(qū)動(dòng)75n75場(chǎng)效應(yīng)管要求。IR2103的電路圖如圖6所示。 圖6 IR2103驅(qū)動(dòng)電路圖 五、 耦合方式 在初級(jí)和次級(jí)回路中，最基本、最常用的補(bǔ)償方式有兩種：串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償。初次級(jí)的補(bǔ)償電路如果在相同的頻率下諧振，系統(tǒng)可以獲得最大的功率傳輸比。常用的電路拓?fù)浞譃橐韵滤姆N：初級(jí)串聯(lián)--次級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償（SS）、初級(jí)串聯(lián)—次級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償(SP)、初級(jí)并聯(lián)—次級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償(PS)和初級(jí)并聯(lián)—次級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償(PP)。參考網(wǎng)上文獻(xiàn)得知，初級(jí)串聯(lián)—次級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償可以使得次級(jí)在諧振頻率下接收的有功功率和傳輸效率最高。初級(jí)串聯(lián)—次級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償電路如圖7所示。 圖7 初級(jí)串聯(lián)—次級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償電路 實(shí)驗(yàn)測(cè)得產(chǎn)生諧振后，初級(jí)線圈兩端電壓達(dá)到160V，線圈上電流很大而發(fā)熱嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致線圈電阻增加對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響。采用三匝線圈并繞的方式可以有效降低線圈電阻，從而可以減小這方面的影響?？紤]到頻率最好選在100KHz~200KHz之間，將線圈電感繞成20uH左右比較合適。 六、 次級(jí)整流濾波電路 常用的整流電路有單向半波整流、單向全波整流和橋式整流。橋式整流電路利用率高，而且克服了全波整流電路要求變壓器次級(jí)有中心抽頭和二極管承受反壓大的缺點(diǎn)，雖然多用了兩只二極管，但二極管成本不大。因此最終選用橋式整流電路。 交流成分在輸出的電壓中都占據(jù)很大的成分，因此必須通過(guò)濾波，盡可能地保留直流成分，減小輸出電壓中的交流和脈動(dòng)成分，從而獲得直流電壓變得平滑。電容和電感這些電抗元件對(duì)交流成分的直流成分阻抗是不同的，濾波電路依據(jù)交直流成分阻抗不同來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波的。常用的濾波電路有電容濾波、IC濾波和RC濾波。（1）電容濾波：電路簡(jiǎn)單，負(fù)載上的直流電壓較高，電壓紋波小。但是在負(fù)載變化大的時(shí)候，沖擊電流較大。（2）LC濾波電路：電感L中的電流不能發(fā)生突變，所以整流二極管后的電流會(huì)更加平滑，而且電感對(duì)輸出電流的交流成分具有阻抗，濾波效果會(huì)更好。（3）RC濾波電路：由于增加了電阻，因此會(huì)對(duì)次級(jí)接收的能量有損耗，所以并不合適。因此選用LC濾波電路來(lái)濾波儲(chǔ)能，如圖8所示。 圖8 LC橋式全波整流電路 為了輸出電壓U2≥8V，選用正向?qū)▔航禐?.67V的IN4148二極管。負(fù)載端并聯(lián)一個(gè)47uF的電容進(jìn)一步提高輸出電壓。 七、 系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù) 根據(jù)實(shí)際繞制電感L=23.1uH和選用0.1uF的CPP電容，由LC振蕩電路公式： f=12πLC 得到理論頻率為104.7KHz。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)單片機(jī)改變PWM波輸出頻率，觀察輸入電流變化來(lái)確定實(shí)際諧振點(diǎn)，當(dāng)輸入電流顯示最大時(shí)，就近似達(dá)到了諧振點(diǎn)。最終測(cè)得當(dāng)頻率是105.4 KHz時(shí)，輸入電流最大為5.89A。 保持輸入電壓15V不變，用單片機(jī)改變輸入波的頻率，改變輸出端負(fù)載，使得輸出電流始終保持0.5A，分別測(cè)得輸入電流Ii、輸入電壓Vi、輸出電壓Vo，由此計(jì)算出效率記入表1: 表1 不同頻率對(duì)效率的影響 頻率/KHz Ii/A Vi/V Io/A Vo/V 效率/% 109.3 4.78 15.0 0.50 34.6 24.1 107.4 5.13 15.0 0.50 44.1 28.6 105.4 5.25 15.0 0.50 46.1 29.3 103.4 5.46 15.0 0.50 47.1 28.8 保持輸入電壓15V和PWM波頻率105.4KHz不變,用單片機(jī)改變輸入波的占空比，改變輸出端負(fù)載，使得輸出電流始終保持0.5A，分別測(cè)得輸入電流Ii、輸入電壓Vi、輸出電壓Vo，由此計(jì)算出效率記入表2： 表2不同占空比對(duì)效率的影響 占空比/% Ii/A Vi/V Io/A Vo/V 效率/% 42.4 4.68 15.0 0.50 28.8 20.6 44.6 4.92 15.0 0.50 35.6 24.2 46.8 5.04 15.0 0.50 45.8 25.1 48.7 6.08 15.0 0.50 45.4 24.9 由表1和表2分析得，當(dāng)PWM波頻率105.4KHz，占空比46.8%時(shí)，效率會(huì)最高。最終測(cè)得Ii=5.26A，Vi=15V,Io=0.5A，Vo=47.9V，得到最大效率30.4%. 然后不斷提高初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的距離，觀察兩個(gè)LED小燈泡變化，并且通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比和頻率控制輸入電流為0.99A。最終測(cè)得最遠(yuǎn)距離是78cm。 八、 缺點(diǎn)與不足 （1）由于單片機(jī)M430F5438晶振頻率的限制在25KHz以內(nèi)，導(dǎo)致諧振點(diǎn)測(cè)得不是非常精確，對(duì)效率產(chǎn)生一定影響。 （2）對(duì)于線圈的設(shè)計(jì)直接決定了傳輸效率，要綜合考慮材質(zhì)，形狀，粗細(xì)，多股合繞等因素的影響，由于時(shí)間限制不能一種種深入研究討論。 （3）由于題目要求必須次級(jí)線圈可移動(dòng)，導(dǎo)致次級(jí)線圈輸出端的電流反饋很難實(shí)現(xiàn)，必須接很長(zhǎng)的導(dǎo)線到單片機(jī)。