高效无线供电模块设计研究

吴传全

（江苏联合职业技术学院无锡交通分院，江苏 无锡 214151）

高效无线供电模块设计研究

吴传全

（江苏联合职业技术学院无锡交通分院，江苏 无锡 214151）

提出一种高效的无线供电模块设计方案，该设计结合了现有的DSP技术、电磁感应技术和开关电源技术，提高了开关电源的转换效率，并省去了电源线。由于传输距离受限，其应用价值还比较有限，然而整个模块的电路设计使其工作稳定、结构简单、信号接收端微小化，基本符合实际应用的可接受度。

高效无线供电；DSP技术；电磁感应

1 无线供电的基本框架

整个模块设计可以分为两部分：电能发射端和电能接收端。其示意图如图1。

图1 无线供电模块电路结构图Fig.1 Circuit structure chart of wireless power supply module

经过整流滤波电路将220V的交流电转变为直流电，然后通过高频逆变电路的谐振变换，将直流电变为高频交流电，再由发射线圈将该交流电流转变为辐射电磁波向周围发射，根据电磁感应原理，接收线圈处于周围变化的磁场中，因此，产生一定的感应电动势，产生的感应电动势是通过前级交流电转变而来的，所以，接收线圈得到的也是交流电，该交流电经过整流变换电路得到直流电，实现了电能的无线传播。

2 整流变换电路

在整个模块结构中，整流滤波电路和整流变换电路是两个功能类似的电路，同时，也是此次设计要解决转换效率的关键。由此提出了以下解决方案，如图2所示。

图2 整流变换电路设计Fig.2 Design of rectification converting circuit

为了提高AC/DC开关电源的转换效率，可以把DSP模块作为控制的核心，直接利用输入的交流电来进行斩波，然后通过同步整流进行输出，这种形式的开关电源没有整流桥、滤波电容和APFC等电路来进行处理。利用DSP来控制PWM的波形，主要是通过采样计算变压器初级峰值电流和输出电压来完成控制。为了保证整个AC/DC变换电路有比较高的转换效率和功率密度，同时获得较高的输入功率因数和较低的谐波含量。在不同的负载条件和输入电压情况下，通过自动调整开关频率和死区时间，让变换电路在最高效率状态工作，此软开关控制效果可为最佳。其中，功率驱动模块主要是隔离驱动，经过DSP输出的PWM波行信号，而功率驱动模块、DSP模块所需的直流电源主要由辅助电源模块提供。

图3所示，AC/DC功率变换模块的电路结构和典型的半桥变换电路类似，典型半桥变换电路的上下桥臂为N沟道增强型MOS开关管，本文所采用的电路特点是通过两个N沟道增强型MOS开关管进行反向串联，以此构成交流开关，对前级的输入交流电压进行斩波。这样可减小功率变换级数，降低功率损耗，但却提高了变压器初级MOS开关管的漏源耐压值和输入电压峰值。

图3 AC/DC功率变换模块电原理图Fig.3 Electrical schematic diagram of AC/DC power conversion module

3 逆变电源的实现

生成PWM波技术当正弦幅值较高时，PWM波输出的脉宽较宽。为了简洁直观地表示PWM波形生成过程，下面利用三角波发生器和正弦波发生器来进行模拟演示，如图4所示。

图4 PWM波形生成原理图Fig.4 Schematic diagram of PWM waveform generation

本设计的理论依据为不对称规则采样法，即编写一个PWM波形的闭环控制程序。其中采用异步控制方式来进行程序编写，而整个程序的载体即是DSP模块，最后在其两个控制波形区间加入一段死区时间来实现软开关。

4 电磁感应实现无线电能传输

本设计模块通过两个线圈的互感耦合来实现电能的传输。变化的电场和磁场交替传递感应，电能和磁能也由初始的发射端到达最终的接收端。整个系统中，电能的传输都是由发射线圈和接收线圈之间的互感来完成的。所以，掌握和熟悉线圈的互感耦合分析方法是十分必要的。

图5 电磁互感耦合原理图Fig.5 Schematic diagram of electromagnetism mutual inductance coupling

图5所示，把两个由电感线圈构成的互感耦合回路看成是电能传输的发射部分和接收部分。其中12V的电压源、电感L1、等效电阻R1代表发射端回路，电感L2、等效电阻R2、负载电阻RL代表接收端回路，由此，两回路构成了传输电能的互感耦合回路，而两个线圈之间的互感系数为M，此互感系数的大小取决于两个线圈的几何形状，大小、相对位置、各自的匝数以及它们周围介质的磁导率。

整个无线供电模块的设计经过了数次的试验，取得了较好的数据反馈和直观体验，根据负载设备的电压和电流要求的不同，改变此模块的元件参数。试验数据显示，无线供电模块的发射端和接收端的有效距离控制在2m以内效果较好，有一定的应用价值，但要广泛地应用还需不断地试验改良。

［1］ 周志敏，周纪海，纪爱华.开关电源实用技术设计与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

［2］王增福，李昶，魏永明.软开关电源原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［3］ 孙再吉.无线充电技术的发展［J］.半导体信息，2010，（6）：18-19.

［4］ 杨民生，王耀南.新型无接触感应耦合电能传输技术研究综述［J］.湖南文理学院学报（自然科学版），2010，（3）：44-53.

［5］ 杨芳勋.基于ICPT的无线电能传输网关键技术研究［D］.重庆：重庆大学，2012.

The design of the efficient wireless power supply module

WU Chuan-quan
（Wuxi Transportation Branch Institute，Jiangsu Union Technical Institute，Wuxi 214151，China）

The design proposal of the efficient wireless power supply module which combined the DSP technology，electromagnetic induction technology and switching power supply technology enhance the transfer efficiency of switching power supply and can work without power lines.The application value is relatively limited for the limitation of transmission distance，while the circuit design of the whole module has certain advantages like work stabilization，simple construction and signal receiving terminal miniaturization which can basically conformtopractical acceptability.

Efficient wireless power supply；DSP technology；Electromagnetic induction

TP334

B

1674-8646（2016）16-0038-02

2015-09-24

吴传全（1974-），男，山东商河人，学士，实验师，主要从事机电控制和实训管理研究。