磁耦合諧振式無線電能傳輸的智能穩壓電源設計與實踐

劉曉文， 郭 雨， 薛 雪

(中國礦業大學 電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

目前的電子電路和儀器設備主要依靠直流穩壓電源提供電能，電源質量的好壞直接影響到電路和設備的運行情況，從而影響到人們的生產生活。隨著科學技術的飛速發展，電子設備的性能逐漸提高，人們對電源的安全性、穩定性等要求也越來越高[1]。傳統的直流穩壓電源存在穩定性差、性能低和準確度不準等問題[2]，這些問題致使它們已經不能滿足現代供電設備的需求。此外，傳統的電能傳輸在安全性和可靠性上存在較大的不確定性，極易引發安全事故。

以單片機為核心設計出的智能穩壓電源系統能夠彌補傳統穩壓電源的不足，其結構緊湊、性能卓越，極大地提高了輸出電壓的安全性和穩定性[3-4]。同時，無線電能傳輸技術的誕生，較好地解決了傳統輸電中存在的問題，它具有安全、高效率和穩定可靠等特點[5]。本文將磁耦合諧振式無線電能傳輸系統和穩壓電源系統進行融合，設計了一款以高性能單片機為控制核心，連續可調且能夠兩路輸出電壓的電源系統。

1 系統總體設計

該系統主要分為兩大部分，第1部分是磁耦合諧振式無線電能傳輸系統，該系統由發射和接收兩部分組成。發射部分包含LC并聯諧振回路和驅動回路，電能匯聚在發射線圈上，接收部分把磁耦合傳遞的電能經整流、濾波、穩壓后轉化為直流電。第2部分是智能穩壓電源系統，其核心技術是通過單片機控制數模轉換等電路從而調控整個系統的輸出電壓，主要由升壓控制電路，降壓控制電路，A/DC、D/AC轉換，單片機模塊和顯示部分組成。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統所產生的直流電壓，在智能穩壓電源系統中被用作單片機以及各種電路的驅動電壓，從而恰當地將兩部分銜接在一起，構成了整個系統。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統設計

2.1 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術依靠電磁場近場范圍內的磁場共振實現能量的無線傳輸。當發射端激勵源的頻率與磁耦合諧振部分中LC諧振回路的共振頻率相同時，傳輸到激勵源的能量會以電能的形式儲存在發射端諧振回路的補償電容中，補償電容諧振狀態下與線圈電感進行電能和磁場能的轉換，此時的發射線圈一方面產生磁場向外輻射，另一方面激勵接收線圈。當感應到共振頻率下的磁場變化時，接收線圈會將發射線圈產生的磁場能全部吸收并在線圈電感中儲存，然后在接收端諧振回路中與諧振補償電容進行磁場能和電能的轉換[6-7]。針對磁耦合諧振式無線電能傳輸的工作機理，目前主要有耦合模理論、磁場有限元理論以及互感耦合理論等分析方法[8-10]。

2.2 無線電能傳輸系統主體結構

本文設計的無線電能傳輸系統由兩部分組成。發射部分將電源和驅動電路產生的電能聚集到發射線圈上，利用磁耦合的方式將電能傳送到接收線圈上，從而使能量被接收部分的負載使用。發射和接收線圈基本都是由相同固定頻率的LC電路組成的，線圈并聯的電容值的大小是相同的，目的是使兩個線圈之間的耦合更容易產生。該系統的主體結構如圖1所示。

(1) 發射部分。電源為發射部分中的各個電路原件提供能夠保證它們正常工作的電能，驅動電路主要有兩個作用，一方面是提供震蕩信號，從而促使諧振的產生，另一方面是負責放大驅動，進而驅動發射線圈。發射部分產生的能量最終集結到發射線圈中。

圖1 無線電能傳輸系統主體結構

(2) 接收部分。接收部分主要由接收線圈、變換電路和負載組成，接收線圈通過諧振的方式獲得發射線圈中的電能，然后利用變換電路將轉化后的電能供給負載。由于接收線圈獲取的是交流電，而負載需要提供的是直流電，因此必須使交流電源經過一系列變壓、整流、濾波和穩壓等變換處理，這樣處理后得到的直流電也會更穩定。

3 電源系統軟硬件設計

本文設計的電源系統是將無線電能傳輸系統所產生的直流電作為輸入，實現對兩路輸出穩壓且可調控的功能。兩路輸出就是一路對電壓進行降壓處理，另外一路對電壓進行升壓處理，在單片機中集成有A/DC轉換的接口處輸入這兩路電壓，通過單片機來采集處理電壓值，然后利用LCD將單片機所采集到的兩路電壓顯示出來。同時設置矩陣鍵盤，當有按鍵信息傳送給單片機時，單片機就會將按鍵處理后的電壓的數字量傳遞到D/AC轉換電路，然后由轉換電路D/AC將產生的模擬電壓值反饋到降壓或升壓控制電路，降壓或升壓電路則會依據反饋回來的電壓模擬量來調控電壓的輸出大小，從而改變電源系統輸出的電壓值大小。

3.1 硬件設計

整個智能穩壓電源系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

(1) 單片機選型。本文設計采用STC15F2K60S2單片機作為主要控制中心，該系列單片機兼容8051內核，成本低、功耗低、速度高且應用廣泛。與傳統8051內核單片機不同，STC15F2K60S2自帶兩個全雙工的UART串口，并且在片內內置了一個8通道的10 bit模數轉換器，可以省去外接的A/D轉換芯片，同時還內置了3個16 bit的定時器，高精度的晶體振蕩器等供用戶使用[11-12]。符合設計的需要。

(2) 降壓控制電路的設計。降壓控制電路主要是對輸入電壓做降壓處理，其原理如圖3所示。

圖3 降壓控制電路圖

本次設計中選用LM2576集成芯片作為降壓型開關穩壓控制器。這個芯片有一個確定的數量關系式：

Uo=(1+R2/R1)UR

(1)

式中:Uo是輸出電壓;R2和R1是反饋端的兩個電阻，在芯片內部R2通路，R1開路;UR是基準電壓，大小是1.23 V。

此芯片輸出電壓的大小是根據反饋端的兩個電阻阻值的比例來調節的[13]，為了保證單片機能夠控制反饋的大小從而調控輸出電壓的大小，斷開反饋引腳和外部分壓電路，使D/AC的輸出電壓引入反饋，將R1端的分壓值和D/AC的輸出電壓值進行一個求差值比較，經過比較和計算得出的數量關系式：

Uo=(UD/AC-UR)(1+R2/R1)

(2)

式中:UD/AC是D/AC反饋電壓。由式(2)可見，芯片的輸出電壓和D/AC反饋的電壓值是成正比例關系的。根據式(2)和要求的輸出范圍來選擇合適的電阻，降壓電路中選用的電阻R2為2 kΩ，R1為10 kΩ。

(3) 升壓控制電路的設計。為了實現連續可調的升壓效果，本次設計選用可調的升壓集成電路，采用LM2577集成芯片，這個芯片的輸出電壓有3種類型，其他功能和LM2576基本相同[14]。把反饋引腳接到D/AC的輸出位置，從而獲取其所輸出的模擬電壓值，就能夠通過反饋的值來調節升壓電路的輸出電壓。為了使升壓控制電路的輸出電壓最大能達到30 V，芯片反饋端的兩個分壓電阻的比值需要作出相應的調整，式(2)同樣適用于LM2577芯片，根據D/AC反饋電壓和芯片輸出電壓的關系，可以計算出R2和R1的比值要大于7.96，才能保證輸出電壓達到最大值，因此升壓電路中選用的電阻R2為40 kΩ，R1為5 kΩ。由于STC15F2K60S2單片機的工作電壓在5～15 V之間，而升壓控制電路可以達到的最大電壓是30 V，所以要在電壓輸入單片機之前串聯兩個電阻進行分壓處理。

(4) A/DC、D/AC轉換電路的設計。本次設計直接使用了STC15F2K60S2單片機內部集成的A/DC模塊，此模塊精度較高，完全滿足設計需求。由于整個系統是通過反饋來調整電壓輸出的，而單片機提供的是數字信號，因此還需要進行D/AC轉換，選用DAC0832芯片實現轉換[15]。這種芯片輸出的是模擬電流信號，需要經過一個運放將電流轉化成電壓輸出，具體的輸出轉化式：

Uo=-UR×D/256

(3)

式中:Uo是輸出電壓;UR是芯片的基準電壓。這里選用的值為-5 V，D表示單片機提供給DAC0832的數字量。針對系統要實現兩路輸出，使用兩個D/AC0832芯片，分別采集單片機提供的數據，再通過D/AC轉換電路將模擬量反饋給升壓控制電路和降壓控制電路。

3.2 軟件設計

(1) 系統主控部分設計。針對系統主控部分的軟件設計，第1步是對系統進行初始化，設定電壓的范圍，降壓控制電路的初始電壓設定為3 V，升壓控制電路的初始電壓設定為15 V，單片機將A/DC傳遞過來的數據初始化為設定值。將電壓值初始化之后，如果有按鍵按下，單片機將按鍵的輸入和當前的數值進行比較，判斷是增加還是減小電壓，根據式(2)和式(3)計算出傳遞給D/AC轉換電路的反饋電壓值，然后外部控制電路根據反饋的電壓值對輸出電壓進行調整，調整后的電壓再次傳遞給單片機，單片機將此時的電壓顯示出來。當輸出電壓達到了最大值(最小值)時，如果依然有增加(減少)的按鍵被按下，此時單片機會將電壓值重新回歸到初始化的設定值。本次軟件設計的系統流程圖如圖4所示。

圖4 系統流程圖

(2) 按鍵部分設計。本部分設計了4個按鍵來控制兩路電壓的輸出，即升壓控制電路的電壓增加鍵和電壓減小鍵，以及降壓控制電路的電壓增加鍵和電壓減小鍵。在接收到按鍵操作命令之后，單片機首先判斷是負責哪一路的電壓按鍵被按下，然后將相應電路的電壓值傳遞給相應的D/AC轉換芯片。針對按鍵抖動這一現象，在程序中進行軟件消抖處理，將按鍵延時10 ms后再操作。

(3) 顯示部分設計。顯示部分設定LCD與單片機的接口所采取的訪問方式為間接訪問方式，把這個LCD顯示屏當做一個外設連接到單片機的并行接口上，然后單片機對這個并行接口進行相應的操作。

4 實驗測試

根據上述設計，搭建整體電路硬件系統，并對該系統進行測試實驗。實驗中，設置平行放置的發射線圈和接收線圈之間的距離為10 cm，電源處輸入15 V的電壓，在500 mA負載條件下采用示波器測試不同時間下系統輸出的波形，測試該系統是否穩定輸出。表1和表2分別表示系統在20 ns,5 μs和30 μs下所測的直流5 V輸出和直流25 V輸出的實驗數據。

表1 直流5 V輸出實驗數據

表2 直流25 V輸出實驗數據

由實驗測試可知，該系統輸出電壓的誤差范圍均在±4%以內, 誤差較小，這表明本文設計的系統總體輸出比較穩定,可靠性較高，滿足設計要求。

5 結 語

本文將磁耦合諧振式無線電能傳輸系統應用到以單片機為控制核心的穩壓電源系統中，既用到了無線電能傳輸的相關理論，又用到了單片機電路的有關知識，是一個綜合型設計。實驗表明，設計的系統在穩定性和可靠性等方面有了較大的改善。在今后的工作中將進一步完善設計，使系統更加符合供電設備的需求。