湖北省TI杯电子设计竞赛

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,无线电能传输,插入图片,无线能量传输背景,早在,1890,年，物理学家兼电气工程师尼古拉,特斯拉,(Nikola Tesla),就已经做了无线输电试验。特斯拉构想的无线输电方法，是把地球作为内导体、地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约,8Hz,的低频共振，再利用环绕地球的表面电磁波来传输能量,传输原理,电磁波无线能量传输技术,感应式无线能量传输技术,磁耦合谐振式无线能量传输技术,电磁波无

2、线能量传输原理及优缺点,原理,电磁波无线能量传输技术直接利用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理,优点：,该技术可以实现极高功率的无线传输,缺点：,在能量传输过程中，发射器必须对准接收器，能量传输受方向限制，并且不能绕过或穿过障碍物,微波在空气中的损耗也大，效率低，对人体和其他生物都有严重伤害,感应式无线能量传输原理及优缺点,原理：,感应式无线能量传输技术,11-15(InductiVe Power Transfer,简称,IPT),主要利用电磁感应原理，采用松耦合变压器或者可分离变压器方式实现功率无线传输。,优点：,主要用于恶劣环境下为大型功率设备供电，如电动汽车，起重机、电梯、牵引式电

3、力机车、运货行车及井下、水下设备,缺点：,该技术的传输距离太近，并不能把人们从电线的束缚中解放出来，给人们生活带来方便，所以这种为小功率型移动设备如手机、,MP3,等充电的无线充电器到目前并不普及,磁耦合谐振式无线能量传输原理及优缺点,原理：,利用两个具有相同谐振频率的线圈，在相距一定的距离时，由于磁场耦合产生振，进行能量传递。,优点,可以在有障碍物的情况下传输，传输距离可以达到米级范围。,与感应式无线能量传输技术不同之处在于该技术融合了共振技术，不仅提高了能量的传输距离，而且提高了能量的传输效率。,不像微波对人体产生危害，由于人体作为非磁性物体，暴露在强磁场环境中不会有任何影响，,该技术实现

4、能量传输的基本原理是共振，只有谐振频率相同的谐振体才有可能受到影响，所以不必担心其对人体及周围物体产生危害。,磁耦合谐振式无线能量传输,最早是由美国麻省理工学院,(MIT),物理系助理教授,Marin Soljacic,的研究小组于,2006,年,11,月在美国,AIP,工业物理论坛上提出，并于,2007,年,6,月，通过实验进行了验证，相隔,2.16m,隔空将一只,60W,灯泡点亮，,传输原理,磁耦合谐振式无线电能传输,通过电磁感应，主线圈产生变化磁场，副线圈上会产生感应电流，从而将主线圈的电能传到副线圈,。,整体简介,本无线电能传输装置由四部分组成，,驱动线圈，发射线圈模块，接收线圈模块，

5、电能转换。,驱动电路选择,方案一：由三极管来驱动,mos,管,H,桥来提高功率。,方案二：由,MOSFET,驱动器来驱动,H,桥来提高功率,方案三：由,ne555,来驱动,H,桥来提高功率,方案一三极管驱动电流太小不能驱动,mos,管，方案三中,ne555,驱动能力较小不易选取，方案二由,MOSFET,驱动器来驱动,H,桥驱动电流较大功率较高综合选择方案二。,驱动电路由单片机控制电路和,H,桥驱动电路构成，,单片机产生特定频率和特定占空比的,PWM,（脉宽调制）,信号控制,H,桥的通断，将电源直流电变换成特定频率的交流电信号，交流电通过,LC,谐振发射线圈，产生交变的磁场。变化的磁场通过空气介

6、质传播，根据电磁感应原理，交变的磁场激励起,LC,谐振接收线圈中的感应电流，感应电流通过电能变换电路最终形成直流电驱动,LED,灯，通过,LED,灯的亮灭来显示无线电传输的状态,整体方案,系统由四部分组成，通过单片机给出方波来输入驱动电路从而产生高频驱动电流来驱动主线圈，将能量传到副线圈给led供电.msp430g2553来产生方波，H桥由mos管来搭接增大驱动。接收线圈通过高频二级管整流输出来供电。,MCU,的选择,STC89C52,普通版的,51,单片机,STC12C5A60S2,增强版的,51,单片机,MSP430G2553 TI,公司,430,单片机,STM32F103ZET6,中低端

7、的,32,位,ARM,微控制器,普通版的,51,单片机、增强版的,51,单片机都不能我们所需要的（频率和波形）产生带死区保护的方波。,单片机信号产生部分,单片机采用msp430G2553,1.电源电压范围1.8V至3.6V,2.超低功耗,运行模式：230A待机模式：0.5A关闭模式：0.1A,3.16位RISC架构、62.5ns指令周期时间,4.具有3个捕获/比较寄存器的两个16位Timer_A,5.用于模拟信号比较功能或者斜坡式模数(A/D)转换的片上比较器,6.带内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的10位200-ksps模数(A/D)转换器,msp430G2553来产生方波信号，此信号可

8、以达到互补输出。需求频率达到要求。,功率驱动模块,由IR2104驱动由mos管IRF840来增大线圈功率,mos管开关条件,NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。,PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。,普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比

9、VCC大4V或10V。4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。,影响传输距离的因素,输距离特性，即发射线圈和接收线圈参数相同时，传输距离与频率、线圈线径、线圈直径、线圈电感、电容的关系，以及发射线圈与接收线圈参数不同时，传输距离与接收线圈直径的关系,载流线圈之间通过彼此的磁场相互联系的物理现象称为磁耦合。耦合的效率决定了能量传输的效率，同时也决定了能量传输的距离。,谐振频率的提高直接影响着能量传输距离的远近，为了提高线圈品质因数，减小线圈的绕阻，就要选用线径较粗的导线制作线圈，但是当线圈固有频率较高时，粗导线线圈会受到趋肤

10、效应的影响，而使导线的利用率降低,系统谐振频率即系统共振时的信号驱动频率，该频率由线圈的固有频率决定，理论上当信号驱动频率与线圈固有频率相等时，系统达到共振状态；,线圈固有频率越高传输距离越远；线圈的线径与绕线电阻有关，,导线越粗，电阻越小，相同条件下，谐振时通过的线圈电流就越大，用于与电容转换的磁场能量也就越大；,大电感线圈在近距离可以传输较大能量，由于其固有频率较低，传输距离特性曲线衰减较快，在远距离传输的能量就很小，小电感线圈，其谐振频率较高，曲线衰减缓慢，远距离传 输能量较大。,提高传输距离,加入增强器,提高电源电压,采用多股导线并联线圈,线圈选择,串联电容谐振,1.总阻抗值最小,2.

11、电源电压一定时，电流最大,3.电路呈电阻性，电容或电感上的电压可能高于电源电压.,并联电容谐振和串联电容谐振,并联电容谐振,1.电压一定时，谐振时电流最小,2.总阻抗最大,3.电路程电阻性，支路电流可能大于总电流,整流部分,1.全桥整流,2.,电容续流,Ti公司各类无线电源发送器,-BQ500215 固定频率 10W WPC1.1 无线电源发送器,-bq51025 10W 兼容 WPC 的单芯片无线电源接收器,BQ500414Q,-自由定位、符合 Qi 标准的无线电源发送器管理器，汽车类,-符合 Qi 无线电源联盟标准的高集成无线接收器电源,无线电能传输应用,无线供电技术主要运用于手机、医疗和家庭供电部分,手机充电：,供电系统：,为家里所有电器进行供电,