一種能量傳輸電路的設計

石文堂 山西省經濟和信息化委員會信息中心 030002

一種能量傳輸電路的設計

石文堂 山西省經濟和信息化委員會信息中心 030002

本文介紹一種短距離非接觸的能量傳輸電路設計。從實際應用總結了電路設計的理論依據、芯片選型等，并給出了電路調試的一些技巧，以達到實際應用的目的。

能量傳輸;非接觸;耦合;諧振

引言

隨著社會的進步，我們對新事物的探索更深入、更透徹，各個方面都有了很大的進步。在惡劣環境下對某些生物的研究往往需要把電路板植入其身體，這就要求電路板體積要小，但帶電源的電路板一般境況下很難做到小體積，因此能量的來源就成為一個大的問題。利用能量耦合（即線圈間的能量耦合）方式具有三個方面的特點：一、可大大的減小電路板的體積，這對電路板植入體內是非常有好處的；二、具有定位作用，如植入電路板的生物只有靠近能量發射源的時候體內的電路板才能耦合到能量進行工作，可把測量得到的數據通過無線網發射出去；三、一般情況下不能給大功率的電路提供能量，這種電路只是電感耦合而不同于變壓器耦合，因此提供的能量還是有限的。這里有一個對小白鼠血糖濃度測量的案例，把血糖傳感器、能量接收線圈、無線發射電路等可做在一個非常小的電路板（接收能量）上植入到小白鼠的體表，還需要有一個發射能量的電路板。可把植入了電路板的小白鼠和發射能量的電路板放在同一個房間內，每當小白鼠靠近發射電路板的時候，小白鼠體內的電路板就可以獲得能量進行血糖的測量，并把測量得到的數據通過無線網絡發射出去。

1、發射電路設計

作為能量發射源，在設計的時候需要注意幾個方面，發射的頻率越高耦合到次級（接收線圈）的能量越大，發射的頻率不能與一些常用頻率相同（如手機頻率，電臺頻率等）。考慮到發射頻率太高實現有一定的困難，權衡之下選擇100KHz的發射頻率。

1)發射頻率的產生

有多種方法可以產生100KHz的頻率，如專用芯片（max038等）、單片機I/O口模擬、555芯片等等。專用芯片價格昂貴；單片機I/O口模擬需要對相應單片機有一定的了解，開發周期較長；而555芯片可產生高于100KHz（一般資料上標稱可達到400KHz，而實際上極間電容的影響最大也只能達到150KHz）的方波（傅里葉式展開可知由奇次諧波組成），電路簡單且價格低廉。因此產生100KHz的頻率555芯片是個很好的選擇，其電路如圖1所示。其中1KΩ電位器的作用主要是為了調節頻率。

圖1 100KHz方波產生電路

2)功率放大

555芯片產生的100KHz的方波需要功率放大。功率放大有多種類型，甲類、乙類、丙類等，其中甲類功放的特點是非線性失真小，效率低（理論值最大為50%）；乙類功放在低頻或高頻都廣泛應用，效率較高（理論值可到78.5%），典型電路是推挽式電路，如圖2所示。丙類功放一般用在高頻窄帶場合。在此選用乙類功放相對要好些。這里還有就是三極管選型的問題了，在線圈、鐵芯的選擇里介紹。

圖2 推挽式功率放大

3)線圈、鐵心的選擇

發射電路的設計理論上相對簡單，但是在器件的選型及調試上存在一定的難度，要借助于測量電感儀表、示波器等工具。

圖3 功率放大、諧振電路

2、接收電路設計

接收電路主要是通過耦合的方式接收發射電路的電磁能給其他元件供電，主要分為耦合電路、整流電路、穩壓電路、電壓轉換電路。

1)耦合電路

就是一個線圈電感耦合發射線圈的電磁能，這個線圈的體積一般較小，通常情況下使用較細的漆包線進行纏繞，如需提供的功率較大，可把線圈電感纏繞在一個小的磁鐵芯上。如果在諧振的情況下耦合到的能量最大，因此可在線圈電感上并聯一個電容使其工作在諧振狀態下，如圖4所示。

2)整流電路

一般的整流橋是對50Hz的工頻信號進行整流，但這里的工作頻率較高并不適合使用一般的整流橋，可以選擇快恢復肖特基二極管（如IN5818）搭整流橋進行整流。

3)穩壓電路

整流后的電壓峰峰值可能會達到三、四十伏，為了減小體積使用一個幾十μF的膽電容就可以得到直流電壓了，不需要其他的穩壓電路。

4)電壓轉換電路

通常電路使用的是5V或3.3V的電源，因此需要把三、四十伏的電壓穩壓到5V或3.3V。如果使用一般的LDO穩壓芯片會存在一下三個問題，第一、一般的LDO穩壓芯片的輸入和輸出的壓差較小，很可能損壞LDO穩壓芯片；第二、即使不損壞穩壓芯片，會把穩壓后的電壓拉低很多，這樣能量利用率較低，第三、LDO穩壓芯片本身的轉化效率較低，造成能量的浪費。因此不選用LDO穩壓芯片（如LM1117等）作為電壓轉換電路。DC-DC降壓型穩壓芯片是個不錯的選擇，主要特點是轉換效率高、輸入電壓范圍寬等等，可選擇如SP6659等。

整個接收電路的原理圖如圖4所示，其中不包括電壓轉換電路。

圖4 接收電路

4、總結

這種能量傳輸方式適用而簡單，尤其適用在一些科研場所。它的主要傳輸方式是能量耦合，理論并不難，但在實用過程中器件的選型及調試過程需要一定的技巧。

[1] 稻葉保著, 何希才譯.振蕩電路的設計與應用. 科學出版社.2004

[2] 稻葉保著. 模擬技術應用技巧101例.科學出版社.2006