一种简易型小功率无线电能传输系统的研究与设计

Study and Design of a Low Power Wireless Power Transfer System

摘要: 本文设计了一种基于电磁感应原理的无线充电系统，电磁感应耦合充电可以实现电能从电能发射侧到电能接收侧的无线传输。基于这种方式的无线电能传输系统主要有六个部分，包括变压、整流滤波、稳压、PWM、发射和接收。本设计收发线圈可以随意移动，并且设计的电路比较简单，也很容易实现，这种设计比较适用于一些对于距离传输不是要求很高的地方。通过测试，能够在几厘米的范围内进行电能传输并获得比较稳定的电压，传输效率高达70%，具有很好的实用价值。

Abstract: A wireless power charging system is proposed in this paper. Based on the theory of electromagnetism induction, the power transfers from source coil to load coil without metallic contact. The designed system includes the following components: Voltage transformation, rectifier filter, voltage stabilization, PWM, transmission and reception. The designed device could be moved without limit and the design of the circuit is relatively simple and very easy to achieve. As the experimental results show, with an air gap of centimeter level, the transfer efficiency is up to 70%.

1. 引言

随着科学技术的不断进步，手机、MP3、平板电脑、笔记本、穿戴手表等大量的小功率电子产品走进我们的生活。这些电子产品基本都是通过连接电源线来获取电能，然而电源线在很长一段时间内频繁的插合 [1] ，极易损坏，长期以往非常的不安全，而且充电标准不同的电子产品需要不同接口的电源线，在易燃、易爆、高温、潮湿的环境下还容易发生安全事故。在有线充电过程中繁杂的电线不仅影响了设备的灵活性，整体环境也比较难看。对此，国内外专家学者做了大量的研究实验。2006年7月麻省理工研究团队利用电磁共振器和电源隔空点亮了一盏2 m开外的60 W的电灯泡 [2] 。2009年，日本昭和飞机工业公司在AT international会展上展出了基于电磁感应原理无线传输电力的非接触式电源供应系统。通过国内外的研究我们对于小功率系统也萌生了用无线充电来代替有线充电的想法。同时，本设计致力于采用简单的结构搭建整个系统、减小了体积、降低制造成本、在一定程度上提升了效率。

2. 基本原理

图1所示为无线电能传输系统的等效电路图，图中R₁是一次侧发射线圈的寄生电阻，R₂是二次侧能量接收线圈的寄生电阻，Rs是电源内阻，R_L是负载等效电阻，L₁是发射线圈自感，L₂是接收线圈自感，C_Tx表示一次侧谐振电容器，其电容大小为C₁，C_Rx表示接收侧谐振电容器，其电容大小为C₂，M是发射线圈和接收线圈之间互感，I₁是系统向能量发射线圈的输入电流，I₂是能量接收线圈向系统负载的输出电流。

Figure 1. Equivalent circuit diagram of wireless power transmission

图1. 无线电能传输的等效电路图

3. 硬件设计

根据理论分析，系统的总体结构框架如图2所示。

Figure 2. Overall design block diagram

图2. 整体设计框图

通过查阅相关资料及了解各芯片的性能指标和相关技术参数，综合比较，决定使用STM32单片机输出PWM信号驱动高速MOS管，电源、MOS管和LC线圈组成谐振变换电路，高速MOS管工作于开关状态，产生的交流电通过谐振变换电路转换为高频交流信号后驱动初级发送线圈，使发送线圈在周围一定距离的空间范围内产生交变的电磁场。当次级接收线圈位于这个电磁场中，发送线圈的磁通量高频变化在接收线圈中产生一定幅值的高频感应电动势 [3] 。通过全波整流滤波后为了减小输入充电模块的电压的波动，采用12 V的稳压电路进行稳压。因此，最终确定了小功率无线充电系统的研究与设计，硬件电路模块可分为电源电路模块、单片机最小系统、功率放大电路模块、发射线圈、接收线圈、接收电路模块、充电模块等。

3.1. STM32最小应用系统

Figure 3. Design of minimum system of single chip microcomputer

图3. 单片机最小系统的设计

此系统以STM32F103RCT6为主控芯片。通过软硬件设计，可达到智能化的控制，此控制器的内部存储的字节数为256 K，它还具有1个SDIO接口及51个通用I/O口、30路PWM波的输出、3路12位模数转换、1路12位数模转换。这款单片机抗干扰能力强，抗静电能力强，成本非常低，功耗小，性价比相对比较高。本设计的单片机最小系统图如图3所示，根据程序设计方案，STM32单片机的PA8口在该系统中是输出高频的方波。程序刚进入时，PA8口便发射100 KHz的高频方波，在PA15口接一个按键，按键每按下一次频率递增20 KHz。此最小系统和按键一起构成一个最为简单的人机接口，能够实现发射高频方波的功能。

3.2. 电源电路的设计

由于系统采用12 V直流供电，因此需要将市电进行转换。要把220 V的交流电转换为12 V直流电，本设计采用对市电进行变压、整流、滤波、稳压等操作。如图4所示电源输入电压为220 V频率为50 Hz的交流电，利用220:12的变压器将220 V交流电转换为12 V交流电 [4] ，利用桥式整流对输出的12 V的交流电整流。电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用，整流输出的电压再在电容C1的作用下使电压变得更加平滑。采用3端正稳压电路7812，7812系列集成稳压器的典型应用电路是一个输出正12V直流电压的稳压电源电路，IC采用集成稳压器LM7812，C2为输出端滤波电容，此时因输出电压较大，7812应配上散热板。

Figure 4. Power circuit

图4. 电源电路

Figure 5. Transmitting circuit

图5. 发射电路

3.3. 发射电路的设计

发射电路由MOS管IRF540N和串联谐振电路组成。如图5所示。IRF540在52℃下的开启上沿时间和关闭下沿时间分别39 ns和24 ns，经过换算能承受的最大开关频率的典型值是15.8 MHz [5] 。串联谐振电路由两个CBB电容并联再与线圈串联而成，这样可以将谐振点调整到谐振频率，能起到滤除谐波的作用 [6] 。

3.4. 接收电路的设计

接收电路就是简单的整流滤波稳压电路，它只需将接收线圈感应到的能量进行转换。因为充电时需要直流电，所以只需在后级加上整流滤波电路即可 [7] 。如图6所示，线圈入口有一个串联的CBB电容构成LC振荡电路，在高频电路当中滤除交流波需要用无极性CBB电容，经过滤波的高频交流电通过由四只整流二极管组成的桥式整流输出单向脉动性直流电 [8] ，再在电解电容的作用下进行滤波，滤波电容降低了交流脉动波纹系数，直流输出更加高效平滑，输出的直流电再在12 V稳压二极管1N4742N的作用下输出稳定的12 V电压。

Figure 6. Receiving circuit

图6. 接收电路

3.5. 充电电路的设计

此电路模块为降压型DC-DC电源电路，如图7所示，本模块采用降压芯片MP4560，最高输入电压为55 V，固定输出，最大输出电流为2 A，此设计输出电压为5 V，以给手机等5 V电子充电设备充电而设计，设计工作频率高达500 KHZ。一般手机等电子产品的充电电流都不会超过2 A，输入电流的大小由负载而定。

Figure 7. Charging circuit

图7. 充电电路

4. 软件设计

在软件设计方面，本系统以STM32F103RCT6单片机作为核心控制器，先查阅收集到的各相关模块的技术手册，了解硬件部分的基本功能及相关的性能指标，然后利用Keil uvision5编译软件来设计系统整体的C语言程序。

4.1. 接口定义

在硬件设计的基础上，对主控制器的引脚对应的功能进行列表说明，接口定义如表1所示。

Table 1. Interface definition

表1. 接口定义

Figure 8. Program flow chart

图8. 程序流程图

4.2. 程序流程图

在整个设计中，单片机主要作用是发射高频方波，只需要连接两个IO接口，一个输出高频方波，另一个接一个按键，由此组成了一个简单的人机接口。单片机主要实现一路IO口输出高达100 KHz以上的方波，此时STM32F103RCT6及周边电路构成方波发生电路。程序流程图如图8所示，STM32单片机的PA8口在该系统中是输出高频方波，程序一开始便在PA8口发射100 KHz的方波，在PA15口接一个按键，按键每按下一次频率递增20 KHz，当频率大于500 KHz时，频率自动回到开始位置，也就是100 KHz。

5. 实物制作及实验现象

整个实物的制作包括电源电路模块、单片机最小系统、功率放大电路模块、发射线圈、接收线圈、接收电路模块、充电模块等。其中部分电路需要使用电烙铁进行焊接，收发线圈需要在理论计算的基础上截取一定的长度，并且要考虑线圈绕制的形状及半径大小，绕制完之后还要测量其电感量的大小。

5.1. 检测高频方波

检测STM32发射的高频方波。将程序通过FlyMcu下载进单片机，运行程序。实验采用的是Gwinstek的GDS-1102A-U双通道100 M示波器，将双通道示波器的一个探针接在检测输出的引脚上，记录波形频率、幅值、平均值、占空比等测试数据。

5.2. 实验现象

最初本系统的实物测试负载用的是一个5 W的节能灯。在距离1~2 cm的情况下输出电压大概在20 V，输出电流大概在300 mA。如图9所示，系统能够点亮一个5 W的节能灯，而且亮度还比较大。在接充电模块的基础上，测试给一款三星品牌的手机充电，如图10所示，两线圈相距3厘米左右可以给手机充电。由上面两个实验可见本设计可以实现最基本的无线电能传输功能，也能实现给智能手机无线充电的功能。

5.3. 实验数据

当发射线圈与接收线圈之间的距离发生变化时，接收线圈穿过的磁场密度也将变化，所感应出的感应电动势的大小也会随之改变。以距离步进1 cm的距离为单位，如表2所示，测得不同的输出电压、输

Figure 9. Lights 5W energy-saving lamps from a distance

图9. 隔空点亮5 W节能灯

Figure 10. Wireless charging of mobile phones

图10. 给手机无线充电

出电流的大小，且计算出输出功率。很明显，随着距离的逐渐增加，输出功率会在很大程度上的减小。系统的输入功率P_IN和输出功率P_OUT分别为：

$P_{in}=U_{\text{in}}{I}_{\text{in}}$

$P_{out}=U_{\text{out}}{I}_{\text{out}}$

则系统传输效率 $\eta$ ：

$\eta =\frac{U_{\text{out}}{I}_{\text{out}}}{U_{\text{in}}{I}_{\text{in}}}\times 100\%$

Table 2. Different distance measurement data

表2. 不同距离测量数据

6. 总结

本文以实现中短距离的无线电能传输为目标，对无线充电系统的基本原理进行深度的分析。设计采用电磁感应式无线电能传输技术，通过深入的理论研究和大量的实验，以实现距离、效率、功率等各项指标最大化为设计目的，在研究其基本原理的基础上，并设计出了一个简易的无线电能传输系统。并且分别对发射端中各个模块具体的功能以及它的设计原理做了详细的阐述。也对接收电路中整流、滤波和稳压也做了详细的说明，通过实验测试对相关功能进行了验证。

项目基金

国家级大学生研究性学习计划支持项目。

NOTES

^*通讯作者。