北交大电设无线充电系统设计

国家电工电子实验教学中心 电子系统课程设计 设计报告国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告设计题目：无线充电系统的设计学院：电子信息工程学院专业：自动化（铁道信号）学生姓名：学号：任课教师：高岩2015年4月15日

目录目录1设计任务要求 12设计方案及论证 12.1任务分析 12.2方案比较 12.3系统结构设计 22.4具体电路设计 63制作及调试过程 73.1制作与调试流程 113.2遇到的问题与解决方法 114系统测试 124.1测试方法 124.2测试数据 124.3数据分析和结论 145系统使用说明 155.1系统外观及接口说明 155.2系统操作使用说明 166总结 176.1本人所做工作 176.2收获与体会 176.3对本课程的意见与建议 187参考文献 18

1设计任务要求设计制作一个输入直流电压12V，输出为3.6V手机电池充电（充满电压为4.2V）的无线充电系统，系统要求如下：基本部分：发射器与接收器之间采用电感线圈耦合方式进行无线能量传输。发射器采用12V直流单电源供电，接收器供电只能来自耦合线圈。接收器考虑给手机电池充电，接收器接收到能量后用发光二极管指示。接收器不接负载时输出电压4.2V（正负0.1V）接收器带载条件下，当输出电压在0~4VDC变化时，输出电流稳定在10mA或者更大，要求恒流误差小于5mA。发挥部分：当接收器给负载充电时，充电指示灯亮；充满后，充满指示灯亮。尽可能提高恒流充电电流。2设计方案及论证2.1任务分析1.发射器与接收器之间采用电感线圈耦合方式进行无线能量传输。基于电磁感应的原理，在可分离的初、次级线圈间利用磁通量传输电能。在初级线圈中通过电流就会产生磁通，间距较近的次级线圈在其作用下就会产生感生电动势，这样初级线圈就把电能传送到次级线圈了。虽然在理论上可传输几百千瓦的电能，但因为其电能传输率会随着两个线圈的间距加大而迅速变小，所以传输距离非常有限。在通常情况下，由于电磁辐射具有发散性，所以相隔较远的接收线圈只能接收到发送线圈发送的电能的极小一部分，而此时当接收线圈的固有频率与发送线圈发送的电磁场频率一致时，就会产生共振，使得磁场耦合强度明显增强，无线电能的传输效率将大幅度提高。这样，磁场共振式和电磁感应式相比，其电能传输距离得到了极大的提高。当闭合线圈中的磁通量改变时，感应电势就会在闭合回路中产生，形成感应电流；磁通量对时间的变化率与感应电势的大小成正比，楞次定律确定其实际方向。楞次定律：感应电动势以及产生的感应电流总是企图阻止与导体回路相交链的磁通量的变化。2.因为要用磁场耦合的形式发射电能，因此需要在发射端使直流电源震荡起来，通过发射线圈和接收线圈做媒介将能量送给接收端。故发送端要有一个震荡电路，经过选择比较，决定选LM555作为振荡器将12V直流电压调整为一定频率的方波实现震荡。3.要想让接收端达到恒流稳压和亮灯指示的充电效果，需要使发送端的发送功率能够满足接收的要求，而此时需要考虑震荡电路的电感电容耦合关系和匹配效果。首先由LM555的占空比和震荡频率调节关系（式2-1）和电感与电容容耦合计算公式（式2-2），可以调节其频率关系尽量达到匹配来实现较好的谐振关系，使电路能够尽可能减少能量的损耗。（式2-1）（式2-2）4.同时发射端还增加了功率放大器来实现功率的放大，尽可能地满足更高的接收要求。5.接收时要调整接收端线圈和电容以及发送端线圈电容的匹配效果，尽可能地提高接收端的接收功率。6.接收电路的电源要由接收线圈感应到的能量提供，需要整流部分将接收到的交流信号整流为直流给接收器供电。7.充电接收器不接负载时输出电压4.2V，以及充电恒流要求即需要恒流稳压控制部分来实现。同时该方面的功率要求要尽可能低使更多的能量集中到充电部分。8.同时，指示灯的点亮也要接收端来提供电能，同时要满足充满指示的要求应有电压比较部分对充电电压和设定的充满电压进行比较。2.2方案比较发射部分方案一:由一个LM555作为振荡电路，之后由一个三极管作为功率放大器进行功率放大。电路图见图2-1。图2-1振荡三极管功放电路方案二：由三个反相器进行方波的产生，并用H桥进行放大，进行全桥或者半桥的功率提升，电路如图2-2所示。图2-2反相器振荡电路方案三：由LM555进行方波的产生，之后的功率放大部分采用推挽式驱动MOS管电路来进行，电路如图2-3所示。图2-3振荡推挽式驱动MOS管电路方案四：由SG3525A进行PWM脉冲信号的产生，经过斯密特触发CD40106A整波产生方波信号，再由IR2110进行功率放大的驱动，电路如图2-4所示。图2-4PWM脉冲功放电路比较：方案一和方案三的发射部分是相同的，均能由LM555产生频率和占空比可以调节的震荡信号，方案二通过反相器进行方波的产生理论上也是可行的，但是仿真产生的波形频率特别大，而且不太容易调整，实际焊接的效果并不理想。功率放大器是无线电能传输技术中非常重要的组成部分，其本质就是把直流电能按照一定规律转换为交流电能。其设计的好坏将很大程度上将影响系统工作的高效性和稳定性，而输出功率大、效率高的放大器将会使发送线圈发送的电能更大，电能的利用率更高。方案四中也是将方波进行功率放大，利用SG3525A产生的正脉冲方波信号适用于驱动N沟道功率MOSFET管，利用集成电路IR2110做MOS管驱动，采用不对称式半桥功放结构，极大的减小在MOS管上的直流损耗，提高输出功率。因为芯片比较集成，没有在软件进行仿真，但是其功率放大的效果更加理想，有利于更高效率的传输能量，所以我们对这个电路也做了焊接接收充电部分：方案一：用一个LM317做恒流的设计，之后的稳压用基准电压源TL431来实现，使最后达到恒流稳压的作用，电路图如图2-5所示。LM317稳压电源的输出电压可用下式2-3计算，仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。（式2-3）首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V-37V(高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo=1.25V-45V)，所以R2/R1的比值范围只能是0-28.6。其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时(如图所示)，没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象:稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。图2-5LM317-TL431恒流稳压电路方案二：两个LM317串联，前一个LM317实现恒流的功能，后一个实现稳压调节，达到最后的功能，电路图如图2-6所示。图2-6双LM317恒流稳压电路方案三：利用TL431做基准电压源和三极管的通断来实现恒流稳压的效果，电路图如图2-7所示。图2-7TL431-三极管恒流稳压电路正常情况下,接收线圈L2与发射线圈L1相距不过几cm,且接近同轴,此时可获得较高的传输效率。电能接收与充电控制电路单元的原理如图3所示。L2感应得到的1.6MHz的正弦电压有效值约有16V(空载)。经桥式整流(由4只1N4148高频开关二极管构成)和C5滤波,得到约20V的直流。作为充电控制部分的唯一电源。由R4,RP2和TL431构成精密参考电压4.15V(锂离子电池的充电终止电压)经R12接到运放IC3的同相输入端3。当IC2的反相输入端2低于4.15V时(充电过程中),IC3输出的高电位一方面使Q4饱和从而在LED2两端得到约2V的稳定电压(LED的正向导通具有稳压特性),Q5与R6、R7便据此构成恒流电路。另一方面R5使Q3截止,LED3不亮。当电池充满(略大于4.15V)时,IC3的反相输入端2略高于4.15V。运放便输出低电位,此时Q4截止,恒流管Q5因完全得不到偏流而截止,因而停止充电。同时运放输出的低电位经R8使Q3导通,点亮LED3作为充满状态指示。分析比较：用一个LM317的结构是之前在一个期刊里面看到的，理论计算是可行的，但是并没有真正的实现效果，我们仿真的时候不能实现恒流的作用，所以放弃了第一个方案，将两个LM317结合起来实现这一部分的控制。而方案二的仿真中充电会没有上线，实际焊接完以后发现它不能达到同时恒流和稳压的要求，所以放弃了这个方案，时间比较紧张就没有对它进行深入的改动，采用了仿真和实际测试都可以满足要求的方案三，不过有要求功率比较高的缺点，之后的调整中一直都在慢慢修改。LM317稳压电源的输出电压可用式2-3计算，仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。而且接口比较简单，适合我们的题目要求，所以选择这个方案进行充电部分设计。2.3系统结构设计发射部分（一）具体说明：用LM555作为振荡器将直流的十二伏电压变为按一定频率震荡的方波，经过功率放大器放大后由发射线圈发射。由于LM555芯片的可调节特点，可以通过电容、电阻的变化来调节产生方波的频率，而方波的幅值大致等于输入电压的大小，之后可以通过三极管的功率放大作用和线圈以及电容的谐振调节使电能能够通过发射线圈到达接收线圈，并尽量减少损耗。发射部分（二）

具体说明：利用集成芯片SG3525A产生PWM信号，之后利用施密特触发器将其调整成为对称的方波信号输入到功率放大部分，功率放大部分由驱动芯片驱动MOS管进行功率的放大。由于采用了D类不对称式半桥功放，其损耗减小，更好地传输到发送线圈上。接收部分：具体说明：接收线圈接收到的交流电经过整流桥和电容的整流滤波之后变为直流电，将此直流电压供给后面的充电系统进行恒流稳压的充电测试。充电部分由两个LM317实现，并用滑动变阻器使其闸值可调。振荡器功率放大器振荡器功率放大器发射线圈接收线圈接收线圈整流滤波功率转换辅助供电电源恒流限压控制工作指示充电指示充满指示输出电压取样电流取样图2-8发射电路原理结构图2-9接收电路原理结构2.4具体电路设计发射部分（一）电路如图2-10所示：图2-10发射电路原理图（一）电压源输出的十二伏直流电给LM555芯片供电。LM555可以用电阻电容的调整来调节占空比和输出频率，3管脚输出一个幅值与电压源输入相同的方波，之后将该方波经过由三极管反相器组成的推挽式结构推动MOS管形成的放大器，使输出频率达到最大。我们初步选定的传输频率定为100KHZ左右，带人LM555和谐振频率计算的表达式来求出各个电阻，电容的值。LM555输出频率为：，设定一个合适的频率，我们计算的时候定为100KHZ左右，然后调节电阻电容的值来进行调整。之后利用并联谐振公式将100KHZ带入，线圈电感已知为24UH来计算与线圈并联的电容值，不过在之后的调节测试过程中，对个别参数进行了更改，最后调节出来的最终频率与计算值有一点偏差。为了提高电能的转换效率，一般采用提高开关频率，但在硬开关条件工作下，开关管的开关损耗会随着频率的提高而增大，这样电能的转换效率就会大幅度下降，甚至在导通和关闭的瞬间，产生的毛刺电流和毛刺电压将会产生很强的电磁干扰，干扰开关管的开关动作，甚至会损坏开关管，影响其可靠性。为了解决这一问题，可以采取增加缓冲电路，缓冲电路其实是将高的开关电流或电压消耗掉，这样开关管的开关损耗减小了，但整个电路的损耗没有下降，可能会加大。为了解决这一矛盾，出现了有源无损缓冲电路。但有源无损缓冲电路复杂，随之而来，就有了无源无损缓冲电路即“软开关”技术。我们采用的“软开关”就是采用谐振的原理，使得开关管中的电压或者电流，以准正弦或者正弦的规律变化；当电流过零时，器件就关闭；而当电压过零时，器件便开通。这种开关方式让开关管的开关损耗显著地减小了，开关频率可以更高，变压器可以更小，转换效率可以更大。发射部分（二）原理如图2-11所示：图2-11发射电路原理图（二）利用集成芯片SG3525A产生PWM信号，之后利用施密特触发器将其调整成为对称的方波信号输入到功率放大部分，功率放大部分由驱动芯片驱动MOS管进行功率的放大。由于采用了D类不对称式半桥功放，其损耗减小，更好地传输到发送线圈上。电路图如图2-12所示。图2-12发射电路（二）电路图斜坡发生器的基本频率受控于固定时基振荡器，它与调理后的输入端的模拟信号送到电压比较器输入端的进行比较，电压比较器的输出即为与输入信号幅度成正比的PWM信号。如图3-9所示。加在功率MOSFET管的驱动电路上即为其驱动信号。基于SG3525A的PWM电路的设计如下：频率计算：改变引脚5的对地连接电容CT、引脚6的对地连接电阻RT以及引脚5和7之间的电阻RD来调节芯片的PWM输出频率。引脚5和7之间的电阻RD同时也有调整输出驱动信号死区时间的作用，若不用此功能，则引脚5和7之间短接，其输出频率则变为：。单个MOSFET的开关频率为f/2,占空比范围为0～49%。并联后的MOSFET，其开关频率就为f,占空比范围为0%～98%。占空比的调节：占空比随着2号脚电压（2号脚电压在0.6V～3.2V范围内）变化而变化。只要2号脚电压大于3.2V，输出占空比达到最大，再不会随着2号脚的电压变化而变化。2号脚低于0.6V时11脚或14脚无方波输出。PWM脉冲信号锁存功能：当引脚10的电压大于2.5V时，可以及时封锁脉冲输出，防止出现过压过流等故障。所以，如果不用此功能，需对地接一个2K欧姆以上的电阻。PWM电路及其波形如图2-13所示：（a）PWM信号产生的电路（b）相应的波形图2-13PWM信号产生电路及波形同样基于IR2110的半桥驱动电路也非常简洁，但设计时应注意：自举电容的选取：一般来讲，根据经验自举电容选取0.1～10uf以上，在本设计中，经实验取C13=0.47uf的瓷片电容完全满足了要求。栅极电阻的选取：一般栅极电阻选取的阻值从几欧到几百欧，主要就是看栅极的驱动信号是否有振荡，若上升沿的波形有振荡，则应串接电阻，使振荡迅速衰减；但由于串接了电阻，就会使得MOSFET管关断延迟，所以在串接电阻上反并一个开关二极管以加速MOSFET管的关断,来消除电阻的影响。栅极电阻小，MOSFET管通断快，开关损耗小；反之则慢，同时开关损耗大。但驱动速度过快将使MOSFET管的电压和电流变化率大大提高，从而产生较大的干扰，严重的将使整个装置无法工作，因此必须统筹兼顾。这里栅极电阻（R16、R17）取100Ω，开关二极管（D2、D3）为1N4148。接收部分电路如图2-14所示：图2-14接收电路原理图接收线圈接受的能量经过整流滤波以后由两个LM317进行充电控制，第一个LM317可以实现恒流的输出，恒流电流I=1.25V/R3，第二个LM317进行了稳压的设计，通过电压的反馈使输出电压稳定，但是由于这个电路图第一开始充电指示的两个灯不能比较干脆的明暗变化，因此由之前的设计方案改成了由TL431控制的通过比较器实现对灯的控制，两个灯是取反的设计，从而实现干脆的变化。其中用R7的大小实现TL431的控制使其输出的电压为4.2V，将这个标准值加到之后的比较器中控制两个灯。3制作及调试过程3.1制作与调试流程发射部分（一）：方波发生部分：利用LM555产生方波，之后可以从LM555三口输出的地方接一个排针连在示波器上，调节滑动变阻器使频率达到理想。发射部分（二）在芯片SG3525A，CD40106A，IR2110之后分别接入示波器探针观测其波形和频率。其余部分：发射线圈波形：在发射线圈两端接入示波器探头，可以测得发射电压的幅值和频率。接收线圈波形：在接收线圈两端接入示波器探头，可以测得发射电压的幅值和频率。整流之后的电压及功率测量：将整流之后的电压加载在一个20欧姆的电阻上，利用万用表测量其上面的电压，之后利用功率P=U^2/R来得到接收到的功率大致为多少。充电控制部分：空载稳压部分，亮灯部分，稳流部分。对于这部分的测量，首先是空载时测量接线圈的位置两点之间的电压值是多大，调节滑动变阻器使空载稳压为4.2V，之后调节R7，使该电压与亮灯控制电压一直，从而可以再充满电的时候实现不同灯的变化。而对于稳流的测试比较复杂，一开始是用一个1F的电容进行充放电来测量的，串联一个一欧姆的电阻，由电阻上面的电压来判断其电流值，但是随着我们发射功率的不断增大，充电电流不断提高，使充电时间越来越快而且难以达到我们想要看到的曲线情况，所以之后我们请教了老师，改进了充放电方法，多并联几个法拉电容或者调试过程也用可调电阻代替法拉电容，这样更容易调试电路。用电容的好处是容易观察整个放电过程，但对于电路调试不一定很方便，但可以方便地检测充电效果及充电特性。3.2遇到的问题与解决方法问题一：之前的发射电路发射线圈发射的功率比较小，而且作为功放的三极管特别烫，总是烧坏。产生原因：发射线圈和电容的谐振频率与LM555的震荡频率不一致，使功率大部分损耗到了三极管上，降低了发射功率。解决方法：将LM555的发射频率按照公式中的参数调整相应的电阻电容，参照发射线圈和电容计算的耦合频率，观察示波器中发射部分的波形，当震荡幅度最大的时候位置，此时震荡功率最大而且三极管发热现象明显减少。问题二：接收部分一开始一个LM317的电路图进行了仿真实验但是不能实现理论上的恒流稳压功能，问题三：将接受电路用电压源输出的电压测试时功能可以达到，但是用我们的发射进行测试的时候并不能正常工作。产生原因：发射的功率不够，而且发射部分到接收部分的功率损耗比较大，带不动充电部分的很多负载，因此无法实现理想的效果。解决方法：1、接收部分的元器件尽量选择低功耗，并在发射端不断调整功率使发射端功率最大，同时调节发射端和接收端的谐振频率匹配，减少传输损耗。最终实现了指示灯亮，恒压等功能。2、多次改良发射电路各种参数，尝试推挽式结构的两级功率放大，尽量加大发射功率。问题三：自己充电的时候测量恒流的时候充电很快，一法拉电容200毫安只要几秒就充满了，观察不到恒流过程，但是按照计算值500毫安也要八秒。产生原因：一个是我们之前买的电容容量并不够大，还有一个是电流大的时候恒流充电的曲线并不能够很好的保证能够产生明显的充电曲线出来，发射功率还是不足够大使效果理想。解决方法：咨询了老师相关的问题（1）首先电容的容量本身存在一定误差，可以多并联几只。（2）充电前需要放干净电荷（有时用电阻放完电后，断开后测量会发现还有残压，所以需要放电时间长一点，或多次放电）。（3）调试过程也可以用可调电阻代替法拉电容，这样更容易调试电路。用电容的好处是容易观察整个放电过程，但对于电路调试不一定很方便，但可以方便地检测充电效果及充电特性。4系统测试4.1测试方法接好电路连接学生电源输出+12V直流电压，观察学生电源输出电压电流值；将示波器探头接在555芯片3号管脚测试555芯片输出方波的频率、振幅；将示波器探头接在发送线圈两侧测试发送正弦波的振幅频率；将示波器探头接在接受线圈两侧测试接收正弦波的振幅频率；用万用表接在整流桥后滤波电容两端测试整流后的电压；充电电容一端接一1欧姆电阻测试电阻两端电压即充电电流，用万用表测试电容两端充电电压。发射电路方案一测试连接示意图如图4-1所示：测试3测试测试3测试1测试2图4-1发射电路方案一测试连接示意图发射电路方案二测试连接示意图如图4-2所示：测试3测试2测试3测试2测试1图4-2发射电路方案二测试连接示意图接收电路测试连接示意图如图4-3所示:测试6测试5测试6测试5测试4图4-3接收电路测试连接示意图4.2测试数据实验测试数据如表4-1所示：测试参数仿真值实验值误差发射端（一）输入电压12V11.8V0.2V输入电流95mA1.32A1.31A输出方波频率100KHz76KHz24KHz输出方波振幅12V14.2V2.2V发射线圈输出频率100KHz83.9KHz16.1KHz发射线圈输出峰峰值11.7V39.7V28V发射端（二）输入电压\11.6\输入电流\0.8A\输出方波频率\93KHz\输出方波振幅\11..26\发射线圈输出频率\93KHz\发射线圈输出峰峰值\>49.49V\接收端(一)接收线圈频率\83KHz\接收线圈峰峰值\30.2V\整流电压16V17.6V1.6V充电电流501mA313mA188Ma充电电压4.2V4.23V0.03V接收端（二）接收线圈频率\97.2KHz\接收线圈峰峰值\34.9V\整流电压\24.5V\充电电流\460mA\充电电压\4.2V\表4-1实验测试数据记录表555芯片振荡频率：（式4-1）发射线圈谐振频率：（式4-2）接收线圈谐振频率：（式4-3）稳压数值：（式4-4）恒流数值：（式4-5）SG3525A频率：（式4-6）4.3数据分析和结论通过对比实验数据可以发现在发射端，我们实际测得的数据要明显优于仿真数据，这是因为在实际的电路修改了部分参数，而且由于实际电路功率不够，我们将发射端的三级管改为了推挽式结构又使用了MOS管实现了功率的放大；在接收端的数据基本上与仿真值相符合，但是充电电流与仿真值相差较大，产生误差原因是接收线圈接收到的功率不能满足电容充电的需要。5系统使用说明5.1系统外观及接口说明发射电路（一）外观及接口示意图如图5-1所示：图5-1发射电路外观及接口示意图发射电路（二）外观及接口示意图如图5-2所示：图5-2发射电路外观及接口示意图整流电路外观及接口示意图如图5-3所示：图5-3整流电路外观及接口示意图接收电路外观及接口示意图如图5-