可植入式磁耦合諧振無線電能傳輸系統研究

劉新竹，程欣

（武昌工學院信息工程學院，湖北武漢，430000）

1 總體方案設計

可植入磁耦合諧振無線電能傳輸系統包括振蕩模塊和驅動模塊、發射線圈和接收線圈、整流模塊和濾波模塊。其中高頻振蕩電路為系統提供高頻振蕩脈沖信號，驅動電路對信號進行放大處理，整流電路和濾波電路是對接收端接收的信號進行處理并最終輸出到負載。發射線圈和接收線圈是具體進行電磁能量的傳輸部分。系統總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框圖

當系統的發射電路模塊與接收電路模塊所產生的諧振頻率相同，并且發射端在特定的諧振頻率下產生信號傳輸所需的交變電磁場，發射部分的元器件在這個交變磁場下可以產生自諧振。當接收端讓發射裝置距離越來越近的時候，接收裝置隨著發射裝置產生自諧振，接收裝置不斷集合能量，之后傳輸給負載，從而實現了電能的無線諧振傳輸。

2 硬件電路設計

■2.1 振蕩模塊設計

振蕩模塊使用基于NE555定時器組成的高頻振蕩電路，來產生較高的頻率且具有占空比的振蕩信號。要使得振蕩模塊輸出高頻振蕩信號，就要求555 定時器工作在非穩態的方式下。

在設計電路時，對555 定時器的1 引腳進行接地處理，2 引腳連接到一個0.001μF 的電容并且連接到地。3 引腳作為高頻振蕩電路的輸出，為之后的驅動電路部分提供PWM信號。將3 引腳的外部連接到元件指示LED 燈的負極，指示LED 燈的正極上拉1000Ω 的電阻到VCC，當看到燈光的閃爍，表明555 定時器產生了PWM 信號。4 引腳接到高電平，在電路正常工作的情況下，無需對555 定時器進行重置。5 引腳外接一個100 000pF 的電容然后連接到地。6 引腳與2 引腳一樣處理，連接到同一個0.1μF 的電容到地。7 引腳是放電端，將它連接到電位器2 的劃片上。8 腳作為電源輸入端，將它連接到VCC 上。

從圖2 可以看出，高頻振蕩信號是從555 芯片的引腳3 輸出。在接通電源后電容C1 就會被充電，當電壓上升到VCC 的三分之二時，輸出電壓低電平，與此同時，三極管被導通，此時電容放電使其電壓下降，當電壓下降達VCC的三分之一時，輸出電壓就變為了高電平。電容放電所需時間tpL其計算公式表達如下：

圖2 高頻振蕩電路接線原理圖

其中，R2-電位器2 的取值，其范圍在0 到10kΩ 之間；C-電容C1 的電容值。

當放電結束后，555 定時器內部三極管被截止，電容C1 又會被充電，所需時間tpH其計算公式表達如下：

其中，R1-電位器1 的取值，其范圍在0 至10kΩ 之間；C-電容C1 的電容值。

在電路的輸出端可以獲得周期矩形波信號，它的振蕩頻率計算公式表達如下：

通過公式計算及查閱相關資料，得出振蕩電路輸出信號。

從圖3 可以看出，輸出的信號是高低電平相間的方波信號。如要調節占空比，可以通過改變電路中的兩個電位器R1 和R2 的阻值的大小。

圖3 高頻振蕩電路波形圖

■2.2 驅動模塊設計

本系統的驅動部分采用功率放大器IRF640N 和并聯諧振回路構成。驅動電路連接圖如圖4 所示。

圖4 驅動電路連接圖

從圖4 可以看出，將由高頻振蕩電路產生的高頻振蕩信號接入IRF640N 的柵極g 極，將s 極源極連接到地起到保護元件的作用，d 極漏極接入到并聯諧振回路的負端中去。這樣就完成了IRF640N 的電路連接。并聯諧振回路是將兩個電容并聯之后，再與耦合線圈并聯，就構成了可以產生諧振的并聯諧振回路。

在并聯諧振電路中，如果電容器電流與線圈的電流是相等的，達到并聯諧振的狀態。在此電路中，除了LC 并聯部分以外，其他部分對能量消耗的影響不大。

■2.3 線圈模塊設計

在無線電能系統中，傳輸工作效率、傳輸功率和傳輸距離等因素與設計適宜的線圈存在非常密切的關聯。該部分在整個系統中主要起到的功能是將電能轉化為交變磁場能量，再將空間中交變磁場能量變換成接收端的電能。圖5 為收發線圈實物圖。

圖5 收發線圈實物圖

本設計采用直徑為1mm 的銅芯漆包線，按照直徑為16cm 的圓環形狀，纏繞四圈而制作成的接收和發射線圈，進行測量得到電感約18μH 左右。對于不同種類和組成方式的線圈，其電感量的計算公式不同，本系統在設計線圈時，線圈電感L 的大小計算公式表達如下：

其中，N-線圈匝數；μ0-真空磁導率，其值為4π×10-7H/m；r-線圈半徑；a-線圈導線半徑。

線圈之間的電容計算公式表達如下：

其中，a-線圈導線半徑；r-線圈半徑；h-收發線圈圓心之間的距離。

■2.4 整流濾波電路設計

使用耦合線圈無線傳遞的是交流信號，而可植入式無線電能傳輸的輸出需要的是較為平滑的直流電。這就要求把接收到的交流電轉換成可以給予輸出端使用的直流電。

整流濾波電路采用單相橋式整流電路，選擇的是1N4007 整流二極管來組成接收模塊的單相橋式整流電路。單相橋式整流電路可以把電流流動方向在電磁場交替變化的環境中變成只有一個方向的脈沖直流電。

濾波電路要求具有較大的電容，需要選擇電容容量較大的電解電容作為濾波電路的濾波電容。在電路中，還可以吸收交流電源輸出電流波動和串擾。設置濾波電容將使電子電路的性能更加穩定，減少交流紋波對電子電路的干擾。濾波電容的選取計算公式表達如下:

圖6 整流濾波電路設計圖

其中，C-濾波電容的取值；T-周期，單位為秒，與頻率f 是倒數關系。

■2.5 電源指示模塊設計

從圖7 可以看出，電源指示模塊由輸入端口、濾波電容、電阻和LED 燈構成，其中輸入端口是用來輸入5～15V 的電壓為電路提供電能。100μF 的電容C9 是用來濾去雜波和防止串擾現象的，C9 的正極接到電路的正端，負極接到電路的負端。LED 燈是用來指示有電源輸入，1000Ω 的電阻R2是用來保護LED 燈。

圖7 電源指示模塊設計圖

3 無線電能傳輸系統測試

從圖8 可以看出，當系統通電時，電源指示燈LED1就會被點亮，表示電路接收到了初始電信號，開始工作。LED2 是可以檢測到振蕩信號的存在，會有閃爍的現象發生。

圖8 系統實物圖

（1）線圈間距離對耦合諧振強度的影響

從圖9 可以看出，當系統中線圈在同一平面中心距離為8cm 時，輸出端的兩個串聯在一起的LED 燈會被點亮，表示接收端接收到了發射端傳輸的電信號，系統正常工作。

圖9 系統中線圈距離為8 厘米時實物圖

當系統中線圈在同一平面中心距離為5cm 和3cm 時，輸出端的兩個串聯在一起的LED 燈的亮度提升了，表示接收端接收到發射端傳輸的電壓和電流在增大，說明線圈間距離減小時耦合諧振的強度也在增加。當系統中線圈在同一平面中心距離為12cm 和15cm 時，輸出端的兩個串聯在一起的LED 燈的亮度降低了，表示接收端接收到發射端傳輸的電壓和電流在降低，說明線圈間距離增大時耦合諧振的強度在減小。

（2）線圈位置偏移對電能傳遞的影響

從圖10 可以看出，當系統中線圈位置有偏移時，輸出端的兩個串聯在一起的LED 燈的依舊可以被點亮，但是由于有偏移角度的存在，會讓燈光亮度有所下降。表示即使位置偏移，系統可以繼續傳遞電能。

圖10 系統中線圈位置偏移較小和較大時實物圖

（3）系統中線圈間加障礙物對電能傳遞的影響

從圖11 可以看出，當系統中線圈中間加入了障礙物時，輸出端的兩個串聯在一起的LED 燈的亮度與沒有障礙時亮度相差不是特別明顯，表示即使存在阻礙物，系統仍舊可以繼續傳輸電能。

圖11 系統中線圈間加障礙物實物圖

4 結語

本文以小功率的可植入式無線電能傳輸系統進行研究，給出了總體方案設計及硬件電路設計。進行了無線電能傳輸系統的參數測試，研究了線圈間距離對耦合諧振強度的影響、線圈位置偏移對電能傳遞的影響、系統中線圈間加障礙物對電能傳遞的影響。可植入式磁耦合諧振無線傳輸系統體積小、效率較高、成本低。