湖北省TI杯電子設計競賽

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,無線電能傳輸,插入圖片,無線能量傳輸背景,早在,1890,年，物理學家兼電氣工程師尼古拉,特斯拉,(Nikola Tesla),就已經(jīng)做了無線輸電試驗。特斯拉構想的無線輸電方法，是把地球作為內(nèi)導體、地球電離層作為外導體，通過放大發(fā)射機以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約,8Hz,的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量,傳輸原理,電磁波無線能量傳輸技術,感應式無線能量傳輸技術,磁耦合諧振式無線能量傳輸技術,電磁波無

2、線能量傳輸原理及優(yōu)缺點,原理,電磁波無線能量傳輸技術直接利用了電磁波能量可以通過天線發(fā)送和接收的原理,優(yōu)點：,該技術可以實現(xiàn)極高功率的無線傳輸,缺點：,在能量傳輸過程中，發(fā)射器必須對準接收器，能量傳輸受方向限制，并且不能繞過或穿過障礙物,微波在空氣中的損耗也大，效率低，對人體和其他生物都有嚴重傷害,感應式無線能量傳輸原理及優(yōu)缺點,原理：,感應式無線能量傳輸技術,11-15(InductiVe Power Transfer,簡稱,IPT),主要利用電磁感應原理，采用松耦合變壓器或者可分離變壓器方式實現(xiàn)功率無線傳輸。,優(yōu)點：,主要用于惡劣環(huán)境下為大型功率設備供電，如電動汽車，起重機、電梯、牽引式電

3、力機車、運貨行車及井下、水下設備,缺點：,該技術的傳輸距離太近，并不能把人們從電線的束縛中解放出來，給人們生活帶來方便，所以這種為小功率型移動設備如手機、,MP3,等充電的無線充電器到目前并不普及,磁耦合諧振式無線能量傳輸原理及優(yōu)缺點,原理：,利用兩個具有相同諧振頻率的線圈，在相距一定的距離時，由于磁場耦合產(chǎn)生振，進行能量傳遞。,優(yōu)點,可以在有障礙物的情況下傳輸，傳輸距離可以達到米級范圍。,與感應式無線能量傳輸技術不同之處在于該技術融合了共振技術，不僅提高了能量的傳輸距離，而且提高了能量的傳輸效率。,不像微波對人體產(chǎn)生危害，由于人體作為非磁性物體，暴露在強磁場環(huán)境中不會有任何影響，,該技術實現(xiàn)

4、能量傳輸?shù)幕驹硎枪舱瘢挥兄C振頻率相同的諧振體才有可能受到影響，所以不必擔心其對人體及周圍物體產(chǎn)生危害。,磁耦合諧振式無線能量傳輸,最早是由美國麻省理工學院,(MIT),物理系助理教授,Marin Soljacic,的研究小組于,2006,年,11,月在美國,AIP,工業(yè)物理論壇上提出，并于,2007,年,6,月，通過實驗進行了驗證，相隔,2.16m,隔空將一只,60W,燈泡點亮，,傳輸原理,磁耦合諧振式無線電能傳輸,通過電磁感應，主線圈產(chǎn)生變化磁場，副線圈上會產(chǎn)生感應電流，從而將主線圈的電能傳到副線圈,。,整體簡介,本無線電能傳輸裝置由四部分組成，,驅(qū)動線圈，發(fā)射線圈模塊，接收線圈模塊，

5、電能轉換。,驅(qū)動電路選擇,方案一：由三極管來驅(qū)動,mos,管,H,橋來提高功率。,方案二：由,MOSFET,驅(qū)動器來驅(qū)動,H,橋來提高功率,方案三：由,ne555,來驅(qū)動,H,橋來提高功率,方案一三極管驅(qū)動電流太小不能驅(qū)動,mos,管，方案三中,ne555,驅(qū)動能力較小不易選取，方案二由,MOSFET,驅(qū)動器來驅(qū)動,H,橋驅(qū)動電流較大功率較高綜合選擇方案二。,驅(qū)動電路由單片機控制電路和,H,橋驅(qū)動電路構成，,單片機產(chǎn)生特定頻率和特定占空比的,PWM,（脈寬調(diào)制）,信號控制,H,橋的通斷，將電源直流電變換成特定頻率的交流電信號，交流電通過,LC,諧振發(fā)射線圈，產(chǎn)生交變的磁場。變化的磁場通過空氣介

6、質(zhì)傳播，根據(jù)電磁感應原理，交變的磁場激勵起,LC,諧振接收線圈中的感應電流，感應電流通過電能變換電路最終形成直流電驅(qū)動,LED,燈，通過,LED,燈的亮滅來顯示無線電傳輸?shù)臓顟B(tài),整體方案,系統(tǒng)由四部分組成，通過單片機給出方波來輸入驅(qū)動電路從而產(chǎn)生高頻驅(qū)動電流來驅(qū)動主線圈，將能量傳到副線圈給led供電.msp430g2553來產(chǎn)生方波，H橋由mos管來搭接增大驅(qū)動。接收線圈通過高頻二級管整流輸出來供電。,MCU,的選擇,STC89C52,普通版的,51,單片機,STC12C5A60S2,增強版的,51,單片機,MSP430G2553 TI,公司,430,單片機,STM32F103ZET6,中低端

7、的,32,位,ARM,微控制器,普通版的,51,單片機、增強版的,51,單片機都不能我們所需要的（頻率和波形）產(chǎn)生帶死區(qū)保護的方波。,單片機信號產(chǎn)生部分,單片機采用msp430G2553,1.電源電壓范圍1.8V至3.6V,2.超低功耗,運行模式：230A待機模式：0.5A關閉模式：0.1A,3.16位RISC架構、62.5ns指令周期時間,4.具有3個捕獲/比較寄存器的兩個16位Timer_A,5.用于模擬信號比較功能或者斜坡式模數(shù)(A/D)轉換的片上比較器,6.帶內(nèi)部基準、采樣與保持以及自動掃描功能的10位200-ksps模數(shù)(A/D)轉換器,msp430G2553來產(chǎn)生方波信號，此信號可

8、以達到互補輸出。需求頻率達到要求。,功率驅(qū)動模塊,由IR2104驅(qū)動由mos管IRF840來增大線圈功率,mos管開關條件,NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況（低端驅(qū)動），只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。,PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況（高端驅(qū)動）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。,普遍用于高端驅(qū)動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極電壓要比

9、VCC大4V或10V。4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，設計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小。,影響傳輸距離的因素,輸距離特性，即發(fā)射線圈和接收線圈參數(shù)相同時，傳輸距離與頻率、線圈線徑、線圈直徑、線圈電感、電容的關系，以及發(fā)射線圈與接收線圈參數(shù)不同時，傳輸距離與接收線圈直徑的關系,載流線圈之間通過彼此的磁場相互聯(lián)系的物理現(xiàn)象稱為磁耦合。耦合的效率決定了能量傳輸?shù)男?，同時也決定了能量傳輸?shù)木嚯x。,諧振頻率的提高直接影響著能量傳輸距離的遠近，為了提高線圈品質(zhì)因數(shù)，減小線圈的繞阻，就要選用線徑較粗的導線制作線圈，但是當線圈固有頻率較高時，粗導線線圈會受到趨膚

10、效應的影響，而使導線的利用率降低,系統(tǒng)諧振頻率即系統(tǒng)共振時的信號驅(qū)動頻率，該頻率由線圈的固有頻率決定，理論上當信號驅(qū)動頻率與線圈固有頻率相等時，系統(tǒng)達到共振狀態(tài)；,線圈固有頻率越高傳輸距離越遠；線圈的線徑與繞線電阻有關，,導線越粗，電阻越小，相同條件下，諧振時通過的線圈電流就越大，用于與電容轉換的磁場能量也就越大；,大電感線圈在近距離可以傳輸較大能量，由于其固有頻率較低，傳輸距離特性曲線衰減較快，在遠距離傳輸?shù)哪芰烤秃苄。‰姼芯€圈，其諧振頻率較高，曲線衰減緩慢，遠距離傳 輸能量較大。,提高傳輸距離,加入增強器,提高電源電壓,采用多股導線并聯(lián)線圈,線圈選擇,串聯(lián)電容諧振,1.總阻抗值最小,2.

11、電源電壓一定時，電流最大,3.電路呈電阻性，電容或電感上的電壓可能高于電源電壓.,并聯(lián)電容諧振和串聯(lián)電容諧振,并聯(lián)電容諧振,1.電壓一定時，諧振時電流最小,2.總阻抗最大,3.電路程電阻性，支路電流可能大于總電流,整流部分,1.全橋整流,2.,電容續(xù)流,Ti公司各類無線電源發(fā)送器,-BQ500215 固定頻率 10W WPC1.1 無線電源發(fā)送器,-bq51025 10W 兼容 WPC 的單芯片無線電源接收器,BQ500414Q,-自由定位、符合 Qi 標準的無線電源發(fā)送器管理器，汽車類,-符合 Qi 無線電源聯(lián)盟標準的高集成無線接收器電源,無線電能傳輸應用,無線供電技術主要運用于手機、醫(yī)療和家庭供電部分,手機充電：,供電系統(tǒng)：,為家里所有電器進行供電,