無線感應耦合充電系統仿真與設計

謝智娟，金學軍

(1.常州衛生高等職業技術學校，江蘇 常州 213000;2.井岡山大學教育學院，江西 吉安 343009)

責任編輯:薛 京

近年來，布線成本成了有線通信網絡的一個沉重負擔。而無線傳感器網絡具有安裝成本低、傳感器端子重構小的優點，此外它還能安裝在很難提供電力的地方［1］。因為基于無線系統每一個終端設備都需要交換電池，導致了無線傳感器網絡投入成本增加。于是需要實現一個傳感器網絡設備，能實現短距離提供電力。無線充電是隨著微電子及云計算技術應運而生的無線充電傳輸技術。無線充電傳輸技術體系結構突出了開放性以及可編程性，運用數字化虛擬傳輸處理，通過A/D和D/A變換，減少硬件電路單一缺陷，實現了只需要天線信號就能濾波放大后由A/D產生采樣增壓指令，并被核心計算機模塊接收，提供穩定轉換速率、工作帶寬、動態范圍，滿足無線充電設備增壓、傳輸的要求，這種感應耦合預處理技術就是無線充電電能傳輸技術。無線感應耦合電能傳輸充電技術具有一些很實用的優點與應用領域，比如可以解決電子設備充電接口不兼容的狀況，很多傳感器也需要無線充電，還有就是應用于植入性醫療器件、市政交通管理設備。在沙漠、深山、探井等人力不能到達的地域以及高危險領域，同樣需要無線充電技術。

1 設計需求分析

1.1 設計理念

基于無線充電特點和技術需求的認識，在系統的實現技術上，必須盡量采用先進實用的主流技術并結合現有的設備及線路條件。為此，確定采用以下設計路線:依據無線網絡通道，采用感應耦合交換技術，實現電能無線網絡傳輸;本文設計中采用電路仿真模型，進行面向無線充電對象的設計。

1.1.1 硬件環境

硬件環境指的是承載整個系統的基礎設施物理環境，包括各類主機服務器、接收設備、感應設備、充電模塊、交換設備以及線路、UPS等。

1.1.2 系統平臺

無線充電系統平臺是一個復合體，既有基礎服務構成層體系(包括操作系統、各類中間件)，又有軟件應用平臺體系(包含各類應用共用無線服務軟件)，還包括感應充電接收體系以及耦合電能傳輸運行體系。

1.1.3 系統支撐層

系統支撐層是多層架構的，它將組件技術和電能傳輸技術整合一體。本系統支撐層包括無線傳輸系統、感應系統、感應充電耦合系統、電能傳輸接收系統和調試監控系統等。

1.2 主要技術路線以及技術因素考慮

1.2.1 感應傳輸技術

通過無線網絡計算機中的若干關鍵點發送信息并對電器進行充電，并依靠無線感應電能耦合傳輸技術的軟件和硬件整合來實現遠程無線充電的過程。無線感應電能耦合傳輸技術一般依靠無線網絡技術，通常將主機、無線網絡、代理服務器、服務電路進行構建。傳輸中原始網絡包是數據源的關鍵，利用主控電路和程序在混雜模式下實時監測網絡適配器，并對網絡的關鍵數據流進行處理、打包、分析。一旦需要充電行為，響應模塊就提供多種選項通知、報警，并對指令采取必要的響應措施。

1.2.2 充電的工作原理

無線電力傳輸射頻技術(RFID)有多種無線傳輸技術，例如共振耦合和電感耦合，圖1所示為與微波MPT、RFID模塊構建無線充電系統UPS。

圖1 互感原理圖

圖中L1為無線充電系統UPS線圈電感，L2為無線充電系統UPS對應邊線圈電感，R1為電阻，R2為對應邊電阻，M為電流互感。假設線圈間的耦合系數為k，R1與L1的合阻抗為Z1，R2與L2的合阻抗為Z2，Lm的阻抗為Zm，則有

無線傳能的傳輸效率可表示為

式中:ULIL是電路電壓、電流;UPIP是電源電壓、電流。由于無線充電UPS線圈間隙耦合的k值偏小，因此通過式(4)可知無線充電系統UPS傳輸效率不高。

1.2.3 無線感應耦合電能傳輸技術優點

1)成本較低:無線充電系統NIDS設置在遠程網絡中，可以是一個節點，也可以是多個關鍵節點。由于無須在每臺電器上都安裝NIDS，實現和管理成本較低。

2)實時充電及響應［2］:NIDS充電可以隨時發現應對訪問或者反饋，并能迅速做出響應措施，具有較強的實時性。這種實時性使得可以根據預先定義的參數迅速采取相應的行動，從而將電能傳輸造成的損失減至最低。

3)電壓倍增:無線能量的一個主要障礙是把收獲到的相對低功率無線射頻(RF)能量增強到足夠高的直流電壓為實際使用。于是使用幾個電壓倍增器串聯，以提高無線能量收集電路的直流輸出電壓的拓撲［3］。為了保證電路有足夠的電壓和功率，在實際應用中，通過串接EHU大電容來實現。

2 無線充電系統功能仿真設計

2.1 系統的功能設計

2.1.1 無線網絡模塊

無線網絡模塊主要是微波功率接收與指令系統使用(圖2所示)。

圖2 微波功率接收系統圖

這個微波接收系統包括整流電路、DC－DC轉換器、恒定直流電源3部分。電源存儲器由一個電容建立，如果微波功率不足以推動ZigBee設備，電容可以取代二次電池。二次電池，可以提供穩定的電力，但它比電容壽命短。在這項研究中使用的ZigBee設備套件是由NEC生產的ZB24FM－Z套件(其中含有溫度傳感器)。ZigBee網絡由控制節點(ZED)、通信基站(ZC)和控制終端(ZR)三部分組成。

2.1.2 電源模塊

目前，運用無線網絡遠程控制的感應耦合電路一直是電源設計的關注熱點［4］。作為電源設計中常用的單片機，常常利用可控硅器件控制電壓電流大小，有時電源還能感應耦合電路自動開閉。感應耦合電路方案利用單穩態晶閘管可控硅器件控制電路，以達到感應耦合電路傳輸的目的(圖3所示)。

圖3 電流測量方案(CX為可控硅器件，TX為定時裝置)

2.2 電路的設計

2.2.1 感應控制電路

根據RC感應耦合規律，利用可控硅器件構成如圖4所示的電源制電路。

圖4 電路示意圖

圖4中，因為反相器輸出的電平幅度是獨立的，為保證傳輸系統導通，電路設計了VD1;為了保證感應電路傳輸的平穩性，令UI為高電平，且電路增加了VD2。這樣，無論電平高低，晶體管V都會由導通變成截止，這樣保證CX可控硅器件充電，導致Uc上升。如果Uc＞UR，那么電器呈現為低電平。同樣，如果CX放電，導致Uc逐漸下降，只要Uc＞UR，電器必然呈現為高電平。根據推導可得出

若取UR=(VCC+VCES)/2，則得TX=RCXln2。

另外，根據電路傳輸控制，還可以對電路傳輸控制進行優化。如果CX改變脈沖寬度，讓TX與CX成正比，那么，TX因無線電路系統的飽和壓而降低VCES，很自然進行數據鎖存。

3 無線感應耦合電能傳輸系統的仿真

3.1 函數量變模型

假設將Vcc=5 V，R=100 Ω 代入式(5)，則 －icx＞βIB－50，β是感應耦合傳輸系統的電流放大系數，IB是感應耦合傳輸系統的2位顯示電流，它與Rb的函數關系為

式中:1.4 V為正向壓降和系數。

這里，由于無線充電變化，Uc的最大值是5 V，放電結束時Uc的最小值是0，方波振蕩周期為0.5 s。當無線充電系統反相器電壓UI變化成高電平時，晶體管由于截止導致CX充電，整個電路Uc上升。只要Uc＞VREF，那么電路電壓是低電平［5］。同樣，如果CX放電，只要Uc＜VREF，電壓必然是高電平。

3.2 無線充電系統的仿真測試

假設無線充電電路UI為低電平，那么CX放電，晶體管導通。一旦CX左右兩邊電壓Uc＞VCES，CX中的電流為

如果R=100 Ω，Vcc=5 V，那么 －icx＞βIB－50(mA)(β是電流系數，IB是基極電流)。這樣可以得到與Rb函數關系與式(6)相同。

如果繼續將Vcc=5 V進行無線充電優化，和式(7)結合成方程組，得到

可以得到無線充電電路仿真波形如圖5所示。

圖5 充放電電路及其模擬結果

從圖5b可看到模擬結果十分符合充放電的相關規律，電平的變化和為無線傳輸的質量是相吻合的。

4 總結

無線充電是隨著微電子及云計算技術應運而生的無線充電傳輸技術，開發具有現實挑戰性。在科技和技術日益發展的今天，開放性和可編程性無線充電技術會發展的更好，相信有一天感應耦合電能傳輸會成為人們生活的好幫手。

［1］黃潔琳，章磊.無線充電的設計［J］.山西電子技術，2009(3):30.

［2］肖志堅，韓震宇，李紹卓.關于便攜式電子設備新型無線充電系統的研究［J］.自動化技術與應用，2007(12):114－116.

［3］池雪蓮.交直流自動切換無線傳能充電器的設計［J］.山東師范大學學報:自然科學版，2010，25(S2):35－37.

［4］倪蘭.無線充電技術國際標準發布 市場風險致主流廠商態度未明［J］.通信世界，2010(33):4.

［5］楊小牛，樓才義，徐建良.無線充電原理與應用［M］.北京:電子工業出版社，2011.