基于MSP430單片機的小型無線電能傳輸系統設計

唐曼玲　劉越　張歡

摘 要 本設計 以TI公司的超低功耗MCU MSP430處理器為核心，設計并制作一個磁耦合諧振式小型無線電能傳輸裝置。把輸入的15V直流經過DC—AC轉換，為發射線圈提供交流電，接收線圈通過磁耦合的方式將交變磁場變換為交變電流，經整流、濾波后為接收端負載提供電能。

【關鍵詞】無線電能傳輸；MSP430；射頻功率放大MSP430 磁耦合 無線電能傳輸

隨著科技迅猛發展，人們越來越關注無線電能傳輸技術。傳統供電方式存在輸電線容易老化、漏電及在高溫高壓環境下出現過熱燒壞或爆炸等，這給人們未來的生活帶來了隱藏的安全問題。而在一些特殊場合，無線電能傳輸技術具有安全、可靠和便捷的優點，有傳統電纜不及的優勢。無線電能傳輸技術也逐漸在交通運輸、便攜式電子產品、醫療器械、航空航天、水下探測等領域嶄露頭角。因此，無線電能傳輸技術是未來研究熱點之一。

本文介紹的小型無線電能傳輸系統是基于MSP430單片機作為主控器，通過高頻逆變電路，磁耦合諧振線圈和交直流轉換電路，最終為末端負載提供電能。

1 總體設計

本設計是以家用小型電子設備為應用對象，以居家使用為背景，故本裝置的發射線圈與接收線圈間距離x =10cm。小型無線電能傳輸系統框圖如圖1所示，由發射端驅動電路、耦合線圈、接收端電能轉換電路組成。驅動電路的前端的輸入電壓U1=15V，輸入直流電流I1不大于1A；接收電路負載電壓U2為穩定DC5V，負載電流I2最大為1A，最后點亮接收端負載為2只1W的串聯LED燈。

發射端中由控制電路、發射電路、信息顯示模塊組成。接收端由接收電路、電能轉換電路、穩壓電路、信息顯示模塊組成。本系統采用射頻電路，發射端的無線電波的幅度為9-12V，頻率為1MHz以上。作為小型電子設備充電使用，發射的無線電波要達到的頻率至少要上1MHz。考慮到9V-12V是一個安全電壓，既能保證工作，又能不產生危害，所以幅度要在9V到12V之間。接收端最后整流出來的直流電要達到5V（穩定）、1A（最大）。

2 系統硬件設計

2.1 發射端驅動電路設計

小型無線電能傳輸系統發射端驅動電路如圖2所示，主要有信號源電路，將直流信號逆變為正弦波的電路。驅動電路，使線圈發射時，發射的無線電波保持在設計的頻率和幅度。

發射端電路需要產生高頻交流電，交流電再經由發射線圈發送給接收線圈，為接收端提供能量。本設計采用MOSFET半橋式驅動電路，需要實現對上橋的驅動，其電路簡單，所用元器件少，交流幅值是輸入的1/2，直流側需兩電容串聯，輸入相同大小的電壓、電流，輸出的功率相對更小，適用于小功率逆變電路。

2.2 接收端電能變換電路設計

小型無線電能傳輸系統接收端電路如圖3所示，接收端電路主要由整流電路、濾波電路、穩壓電路等構成。

此電路需要用直流電點亮小燈，接收線圈中的交流電經過整流、濾波和穩壓，最后得到直流電。采用全橋整流電路，其特性是由4只整流二極管按全波整流的方式連接起來，在一個周期內對信號的處理AC-DC輸出經過兩個二極管得到正弦波的正極部分，再經過另外兩個二極管反接得到正弦波的正極部分，輸出直流電壓。本設計采用TI公司的DB107集成整流芯片構成整流電路。DB107集成整流芯片是一種高速整流芯片，其響應速度快且功耗較低。

2.3 耦合線圈設計

耦合線圈的磁場強度是由電流通過線圈引起的。因此，磁場強度H可由安匝數來定義：

H= （1）

式中，N是線圈的匝數；I是電流，其單位是A；mL是磁路的平均長度，以cm為單位。

線圈的磁場結構類似于單層環形線圈，要保證磁路是均勻和閉合的，減少空氣中的漏磁通量。要達到較高的傳輸效率，最基本的就是使發送線圈和接收線圈大小形狀相同。本設計采用型號0.45mm漆包銅線纏繞線圈，使其直徑約20cm同心圓、匝數在23圈左右，但線圈中心空露，線圈每一匝要更緊密，需要接受線圈與發射線圈匝數相同。耦合線圈如圖4，線圈為空心線圈，線圈外徑為20±2cm。

2.4 顯示模塊設計

通過顯示模塊可以直觀地查看電路的電流、電壓和功率變化。本設計采用INA194專用電流監測器和字符式LCD顯示。INA194在5V供電時共模輸入電壓范圍高達80V，可以避免在調試過程中因輸出電壓生高而燒壞芯片。此芯片的瞬態響應快，特別適合快速檢測。LCD顯示模塊可以用英文顯示較為清晰的提示和數字，基本可以滿足顯示要求。顯示模塊測試電路的電流、電壓和功率，方便觀察電路變化。

3 軟件設計

通過單片機程序給驅動電路高頻PWM波，驅動發射電路發射高頻信號給接收端。MSP430使用8MHZ外接晶振與XT2輸入口相連構成高頻振蕩器，可使用MSP430單片機可以給驅動電路輸入任意頻率的PWM波，方便測試和提高效率。

4 總結

本設計是基于MSP430單片機控制的小型無線電能傳輸裝置，其涵蓋了主流單片機控制，磁耦合，高頻逆變，交直流轉換等技術，最終可以點亮接收端小燈，具有功耗低，效率高等特點。無線電能傳輸技術在理論和應用中有很多的創新點，在近幾年漸漸受到人們的關注，吸引了越來越多的研究者。它具有安全、方便、無摩擦的優點，會慢慢成為未來的關注熱點。

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作者單位

西南科技大學信息工程學院 四川省綿陽市 621010