基于調諧振蕩器的無線輸能系統教學案例研究

李燕龍，陳曉，朱孔亮

（1.桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學 藝術與設計學院，廣西桂林 541004）

通信電子電路是電子信息類專業及相關信息技術專業的核心課程。由于工作頻率較高，對基礎電路的分析相較于模擬電子電路課程有所不同。該課程具有既重視基礎電路分析又重視實際應用的綜合特點，部分學生無法將這門課程的核心知識理解透徹，也缺乏對基本實際電路的認識和應用[1-3]。而大多數傳統通信電子電路的課程教學實踐中沒有重視對學生創新與工程能力的培養，尤其是在課程大作業和課程設計上，缺乏課程評價量化和實施過程，導致各個水平的學生在傳統教學模式下無法得到與之能力匹配的任務要求，對能力培養的針對性較薄弱[4-5]。

同時，該課程的實際教學定位和教學質量都難以滿足用人單位的要求。與實用工程人才的培養導向有偏差。因此設計一個滿足對學生知識綜合應用和工程思維能力培養的教學案例，構建創新能力發展的課程案例非常必要。通過學習該課程融入的課程思政內容，加強了學生思政素養的培養。

1 案例設計內容與任務

1.1 三階式案例教學理念

針對傳統電子線路及相關課程理論與實踐脫節、缺乏工程思維和課程思政的問題，本文提出的教學理念，以基礎理論為核心，結合無線能量傳輸技術，通過融入工程實踐能力和思政素養，設計進階式學習的基于調諧振蕩的無線輸能系統。通過基于調諧振蕩器的無線輸能系統，實現知識構建、能力培養、素養加強三個進階學習過程，最終實現理論聯系實踐、工程融合思政的目標。

1.2 案例分層次設計內容

針對上述教學理念，本案例基于磁耦合諧振式無線電能傳輸項目，引導學生在無線能量傳輸的應用場景下利用通信電子電路的基礎知識[3-4]，并且在此過程中鍛煉實踐工程能力，加強科技創新、團隊協作和素養培養。為使得各層次的學生都能在本課程中學習到匹配的課程知識和工程能力[6-7]，本案例設置了分層次的實驗目標任務，如表1所示。

表1 案例任務目標

2 設計原理及方案

如圖1所示，該無線輸能系統的基本原理是利用接收線圈和發射線圈產生共振，實現能量的無線傳輸。因此收發兩端要進行調諧，同時為了提升功率傳輸效率達到最高，發端振蕩回路和高頻載波也要進行調諧，使得發射回路選出特定頻率，攜帶能量傳輸，并利用晶體管或場效應管進行小信號功率放大。利用上述原理后文給出了參考電路。

圖1 系統原理框圖

2.1 高頻振蕩器

利用石英晶振產生PWM 波，產生的頻率穩定性好，缺點是不易調節波形頻率。或者利用單片機和DDS 芯片產生PWM 信號，利用單片機在比較模式下輸出PWM 波，此法產生的PWM 信號數字可調，但電路復雜、成本高。利用555 時基電路產生PWM 信號，在NE555 的基礎上加入電位計，用這種方式能產生可調寬頻PWM 波[5，6]，價格便宜，設計簡單，穩定可靠，經濟實惠，因此可利用555 構成多諧振蕩器電路，通過調節外圍電阻電容產生不同頻率的PWM 信號。

2.2 諧振電路

串聯諧振電路，由電阻、電容和電感串聯組成，當串聯阻抗之和為零時，整個電路呈現為一種純電阻性，串聯諧振電路中，容抗和感抗相互抵消，阻抗為零時，電流和電壓的相位也是相同的，設計簡單，但能耗較高，穩定性低。收發回路的并聯諧振電路，由電容、電阻和電感經過并聯組成。阻抗中，電路諧振時，它的阻抗最大，當并聯諧振時，端電壓和電流處在同一相位，簡單易用，性能穩定。

2.3 高頻功率放大電路

高頻功率放大器一般以三極管或MOS 管為基礎進行不同性能的功率放大器設計。MOS 管驅動核心器件一般由耗盡型和增強型兩種場效應管組成。對于一般的場效應管，輸出電流是由輸入電壓決定的，一般認為場效應管中的電流很小，或者基本趨于零，根據這個特性，場效應管有很高的輸入抗性，可以輸入大電流，抗電擊穿能力也很強，目前常用的MOS 管為IRF540N[8]。

為了增加高頻信號的通過能力，放大電路經過2個型號為S8050 的三極管跟隨電路，經過100 歐姆電阻串聯在輸出三極管的發射極上，以穩定偏流。或者直接用IRF540 構成驅動電路。再通過IRF630 場效應管的開關作用供給線圈供電，IRF540 開關管開啟時間為4ns，關閉時間為3ns，并且功耗低通過電流大完全符合要求，所以通過比較，可用IRF540 型MOS 管作為電路的驅動[7]。

2.4 接收端電路

一般交流電壓轉化為直流電壓，首先要經過電源變壓器將高電壓轉化為低電壓，然后通過整流電路整流，再通過濾波電路抑制干擾，最后穩壓。整流電路可以利用二極管的單向導通特性來設計，把交流電壓變為單向脈沖電壓。本方案采用半橋整流方式進行整流，將橋式整流的兩個二極管封在一起，用兩只二極管和變壓器線圈的中心抽頭形成對稱回路，該方案結構簡單，成本低[8]。

3 案例實施與考核要求

本教學案例將實施進程細化為8 個部分，每部分均相互獨立。便于小組分配任務，強化學生項目進程管理的工程思維，在實施過程中強調能力培養。

本案例設計實施進程如下：

（1）學習無線能量傳輸的基本方法，了解不同方法的優缺點，在傳感器選擇、測量方法等方面了解不同的處理方法。

（2）可以簡略地介紹雙耦合諧振能量傳輸基本原理，要求學生自學實現雙耦合諧振回路調諧方法。

（3）學習不同類型高頻振蕩器設計方法及性能對比，學習高頻功率放大器設計方法，分析傳輸功率和傳輸效率。

（4）學習諧振回路特性和調諧方法。

（5）在電路原理圖設計之前，要求做電路原理仿真，會使用Multisim 等電路設計仿真軟件。

（6）在電路設計、焊接、調試完成后，要用萬用表進行實際測量，并計算實際電壓、電流及功能率；設計測試方法，搭建較為穩定的測試環境。

（7）在電路材料選擇中還要注意低功耗、低成本的綠色設計理念。

（8）在實驗完成后，組織學生以項目演講、答辯、評講的形式進行交流，了解不同解決方案及其特點，拓寬知識面，同時進一步思考科學技術是第一生產力的內涵。

4 案例教學實施結果

完成理論教學后，學生分組完成了該案例，并優化了單元電路，提升了系統性能。其中一組設計的方案如下文所述。發射端使用NE555 作為信號源，輸入柵極驅動器，柵極驅動器驅動PMOS 與NMOS 構成的兩個半橋組成H 橋驅動線圈與電容的串聯諧振電路。接收端使用4 個肖特基二極管構成的全波整流器得到直流電，再經過降壓電路得到穩定的輸出電壓，接收端用LED 作為指示負載。

4.1 發射端電路

由NE555 振蕩電路、升壓電路、柵極驅動器電路、H 橋電路、LC 諧振電路組成。發送端原理如圖2所示。

圖2 發射端原理圖

555 構成多諧振蕩器，工作在無穩態模式：在此模式下，555 以振蕩器的方式工作。無穩態工作模式下555 定時器可輸出連續的特定頻率的方波。H 橋通常包含4 個獨立控制的開關元器件，通常用于驅動電流較大的負載，由于結構類似字母H，稱之為H 橋（H-Bridge），柵極驅動器具有更高驅動能力，支持快速切換，上升和下降時間只有幾納秒，這可以減少開關功率損耗，提高系統效率，具體結構如下圖所示：

4.2 接收端電路

接收端使用4 個肖特基二極管構成的全波整流器得到直流電，再經過降壓電路得到穩定的輸出電壓，接收端有LED 用于指示。接收端原理如圖3所示。

4.3 部分實測結果與分析

通過對部分無線輸能系統的性能測試，可以實現在發射端5V 供電的條件下，達到最遠無線傳輸距離約為40mm，接收端4.5V 欠壓鎖定下最大輸出功率約為4W，最高效率約為70%的指標。由此可見，系統的LC 并聯諧振電路的線圈電感與電容選擇直接影響諧振回路的設計，MOS 管本身的性能對發射端的功率影響巨大。因此為了提升接收端功率和效率，在發射端完成功率放大的時候必須選擇具有良好參數和性能的MOS 管。

5 結語

本課程教學設計方案面向研究熱點無線能量傳輸，具有較強的前瞻性、工程性且實現方法多樣，具有分層次實驗任務和考核評價最低標準。學生可自由發揮，能夠全面考查學生綜合運用所學知識的能力，培養學生問題溯源、發散遷移等創新思維。結合專業基礎電路實驗，做到基礎實驗與專業銜接，設計了有一定趣味性并需要數據和問題分析的創新實驗。本案例設計目標是在指定的條件下，實現能量傳輸的距離最遠和效率最高，具有一定的約束條件和開放性，強調控制電路的設計、制作與調試能力，以及知識遷移能力，可以推廣到其他電子信息類相關專業。

圖3 接收端原理圖