基于调谐振荡器的无线输能系统教学案例研究

李燕龙，陈晓，朱孔亮

（1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西桂林 541004；2.桂林电子科技大学 艺术与设计学院，广西桂林 541004）

通信电子电路是电子信息类专业及相关信息技术专业的核心课程。由于工作频率较高，对基础电路的分析相较于模拟电子电路课程有所不同。该课程具有既重视基础电路分析又重视实际应用的综合特点，部分学生无法将这门课程的核心知识理解透彻，也缺乏对基本实际电路的认识和应用[1-3]。而大多数传统通信电子电路的课程教学实践中没有重视对学生创新与工程能力的培养，尤其是在课程大作业和课程设计上，缺乏课程评价量化和实施过程，导致各个水平的学生在传统教学模式下无法得到与之能力匹配的任务要求，对能力培养的针对性较薄弱[4-5]。

同时，该课程的实际教学定位和教学质量都难以满足用人单位的要求。与实用工程人才的培养导向有偏差。因此设计一个满足对学生知识综合应用和工程思维能力培养的教学案例，构建创新能力发展的课程案例非常必要。通过学习该课程融入的课程思政内容，加强了学生思政素养的培养。

1 案例设计内容与任务

1.1 三阶式案例教学理念

针对传统电子线路及相关课程理论与实践脱节、缺乏工程思维和课程思政的问题，本文提出的教学理念，以基础理论为核心，结合无线能量传输技术，通过融入工程实践能力和思政素养，设计进阶式学习的基于调谐振荡的无线输能系统。通过基于调谐振荡器的无线输能系统，实现知识构建、能力培养、素养加强三个进阶学习过程，最终实现理论联系实践、工程融合思政的目标。

1.2 案例分层次设计内容

针对上述教学理念，本案例基于磁耦合谐振式无线电能传输项目，引导学生在无线能量传输的应用场景下利用通信电子电路的基础知识[3-4]，并且在此过程中锻炼实践工程能力，加强科技创新、团队协作和素养培养。为使得各层次的学生都能在本课程中学习到匹配的课程知识和工程能力[6-7]，本案例设置了分层次的实验目标任务，如表1所示。

表1 案例任务目标

2 设计原理及方案

如图1所示，该无线输能系统的基本原理是利用接收线圈和发射线圈产生共振，实现能量的无线传输。因此收发两端要进行调谐，同时为了提升功率传输效率达到最高，发端振荡回路和高频载波也要进行调谐，使得发射回路选出特定频率，携带能量传输，并利用晶体管或场效应管进行小信号功率放大。利用上述原理后文给出了参考电路。

图1 系统原理框图

2.1 高频振荡器

利用石英晶振产生PWM 波，产生的频率稳定性好，缺点是不易调节波形频率。或者利用单片机和DDS 芯片产生PWM 信号，利用单片机在比较模式下输出PWM 波，此法产生的PWM 信号数字可调，但电路复杂、成本高。利用555 时基电路产生PWM 信号，在NE555 的基础上加入电位计，用这种方式能产生可调宽频PWM 波[5，6]，价格便宜，设计简单，稳定可靠，经济实惠，因此可利用555 构成多谐振荡器电路，通过调节外围电阻电容产生不同频率的PWM 信号。

2.2 谐振电路

串联谐振电路，由电阻、电容和电感串联组成，当串联阻抗之和为零时，整个电路呈现为一种纯电阻性，串联谐振电路中，容抗和感抗相互抵消，阻抗为零时，电流和电压的相位也是相同的，设计简单，但能耗较高，稳定性低。收发回路的并联谐振电路，由电容、电阻和电感经过并联组成。阻抗中，电路谐振时，它的阻抗最大，当并联谐振时，端电压和电流处在同一相位，简单易用，性能稳定。

2.3 高频功率放大电路

高频功率放大器一般以三极管或MOS 管为基础进行不同性能的功率放大器设计。MOS 管驱动核心器件一般由耗尽型和增强型两种场效应管组成。对于一般的场效应管，输出电流是由输入电压决定的，一般认为场效应管中的电流很小，或者基本趋于零，根据这个特性，场效应管有很高的输入抗性，可以输入大电流，抗电击穿能力也很强，目前常用的MOS 管为IRF540N[8]。

为了增加高频信号的通过能力，放大电路经过2个型号为S8050 的三极管跟随电路，经过100 欧姆电阻串联在输出三极管的发射极上，以稳定偏流。或者直接用IRF540 构成驱动电路。再通过IRF630 场效应管的开关作用供给线圈供电，IRF540 开关管开启时间为4ns，关闭时间为3ns，并且功耗低通过电流大完全符合要求，所以通过比较，可用IRF540 型MOS 管作为电路的驱动[7]。

2.4 接收端电路

一般交流电压转化为直流电压，首先要经过电源变压器将高电压转化为低电压，然后通过整流电路整流，再通过滤波电路抑制干扰，最后稳压。整流电路可以利用二极管的单向导通特性来设计，把交流电压变为单向脉冲电压。本方案采用半桥整流方式进行整流，将桥式整流的两个二极管封在一起，用两只二极管和变压器线圈的中心抽头形成对称回路，该方案结构简单，成本低[8]。

3 案例实施与考核要求

本教学案例将实施进程细化为8 个部分，每部分均相互独立。便于小组分配任务，强化学生项目进程管理的工程思维，在实施过程中强调能力培养。

本案例设计实施进程如下：

（1）学习无线能量传输的基本方法，了解不同方法的优缺点，在传感器选择、测量方法等方面了解不同的处理方法。

（2）可以简略地介绍双耦合谐振能量传输基本原理，要求学生自学实现双耦合谐振回路调谐方法。

（3）学习不同类型高频振荡器设计方法及性能对比，学习高频功率放大器设计方法，分析传输功率和传输效率。

（4）学习谐振回路特性和调谐方法。

（5）在电路原理图设计之前，要求做电路原理仿真，会使用Multisim 等电路设计仿真软件。

（6）在电路设计、焊接、调试完成后，要用万用表进行实际测量，并计算实际电压、电流及功能率；设计测试方法，搭建较为稳定的测试环境。

（7）在电路材料选择中还要注意低功耗、低成本的绿色设计理念。

（8）在实验完成后，组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面，同时进一步思考科学技术是第一生产力的内涵。

4 案例教学实施结果

完成理论教学后，学生分组完成了该案例，并优化了单元电路，提升了系统性能。其中一组设计的方案如下文所述。发射端使用NE555 作为信号源，输入栅极驱动器，栅极驱动器驱动PMOS 与NMOS 构成的两个半桥组成H 桥驱动线圈与电容的串联谐振电路。接收端使用4 个肖特基二极管构成的全波整流器得到直流电，再经过降压电路得到稳定的输出电压，接收端用LED 作为指示负载。

4.1 发射端电路

由NE555 振荡电路、升压电路、栅极驱动器电路、H 桥电路、LC 谐振电路组成。发送端原理如图2所示。

图2 发射端原理图

555 构成多谐振荡器，工作在无稳态模式：在此模式下，555 以振荡器的方式工作。无稳态工作模式下555 定时器可输出连续的特定频率的方波。H 桥通常包含4 个独立控制的开关元器件，通常用于驱动电流较大的负载，由于结构类似字母H，称之为H 桥（H-Bridge），栅极驱动器具有更高驱动能力，支持快速切换，上升和下降时间只有几纳秒，这可以减少开关功率损耗，提高系统效率，具体结构如下图所示：

4.2 接收端电路

接收端使用4 个肖特基二极管构成的全波整流器得到直流电，再经过降压电路得到稳定的输出电压，接收端有LED 用于指示。接收端原理如图3所示。

4.3 部分实测结果与分析

通过对部分无线输能系统的性能测试，可以实现在发射端5V 供电的条件下，达到最远无线传输距离约为40mm，接收端4.5V 欠压锁定下最大输出功率约为4W，最高效率约为70%的指标。由此可见，系统的LC 并联谐振电路的线圈电感与电容选择直接影响谐振回路的设计，MOS 管本身的性能对发射端的功率影响巨大。因此为了提升接收端功率和效率，在发射端完成功率放大的时候必须选择具有良好参数和性能的MOS 管。

5 结语

本课程教学设计方案面向研究热点无线能量传输，具有较强的前瞻性、工程性且实现方法多样，具有分层次实验任务和考核评价最低标准。学生可自由发挥，能够全面考查学生综合运用所学知识的能力，培养学生问题溯源、发散迁移等创新思维。结合专业基础电路实验，做到基础实验与专业衔接，设计了有一定趣味性并需要数据和问题分析的创新实验。本案例设计目标是在指定的条件下，实现能量传输的距离最远和效率最高，具有一定的约束条件和开放性，强调控制电路的设计、制作与调试能力，以及知识迁移能力，可以推广到其他电子信息类相关专业。

图3 接收端原理图