基于非接触供电的LED车灯电路设计

周成虎，瓮嘉民，李娜，陈冰洋，张昆

(河南工程学院，河南 郑州 450005)

0 引言

在汽车开发的阶段，常有研发单位在引擎盖、后备箱盖等活动部位配置车灯的构想。在这些部位装车灯，其电线易于折断，为了避免这种故障，只好将它们就近装在车体上。受某客车公司委托，笔者给出了一种非接触供电的LED车灯电路。这个电路由非接触供电原边电路、副边电路、无线信号反馈电路、控制与驱动电路等部分组成。电路的电源为蓄电池24 V，负载为10 V/20 W(或20 W以下)LED车灯。电路框图如图1所示。

图1 LED车灯电路原理图

无线反馈电路的发射电路和接收电路均由含有单片机的无线模块nRF24E1和外围电路构成。根据程序设置，将无线模块设置为接收状态或发射状态。非接触供电原边电路和无线接收电路安装在汽车本体上，非接触供电副边电路和发射电路安装在活动部位。

反馈电路先将LED车灯两端的电压、电流取样，用无线发射模块自带的A/D端口将模拟信号转换成数字信号并发射到无线接收模块;无线接收模块将收到的数字信号后，通过D/A转换将数字信号转化模拟信号，将这个电压信号加到SG3525的反馈输入端，SG3525自动调节输出控制脉冲的占空比，达到稳定负载电压的目的。

1 非接触车灯供电电路原理

图2所示的非接触供电电路中，原边电路由L1、互感L21、L22和功率管 VT1、VT2构成推挽变换器电路[1，2]，由 PWM 控制芯片SG3525产生控制脉冲驱动功率管VT1、VT2，频率设定为50 kHz。

图2 非接触供电电路图

L31、L32是非接触耦合变换器的原边和副边载流线圈，采用铜芯线圈绕制(无铁芯)。原边载流线圈L31固定在车身;副边感应线圈固定在可转动部位。原、副边之间依靠磁场传递能量。

图3 非接触副边等效电路图

根据图3中的等效结果，当副边载流线圈L32和补偿电容C4处于谐振状态时。从前面的分析中可以看出，副边电路中负载电流与负载电压之间的相位角度值的大小，直接决定整个电路的功率传输能力，当相位角为0°时，流过车灯负载上的电流为最大值，也就是车灯可以获得的最大功率点[3]。

根据推导得到谐振频率为:

为了使电路处于谐振状态，首先选取 L32=112 μH，则 C4=0.568 μF。在这个电路中，由于负载是电阻，改变LED灯具的功率并不影响负载电流与负载电压之间的相位角和电路的谐振频率，这使得电路的稳定性较强。

2 无线反馈稳压电路

2.1 无线发射电路

无线信号发射电路如图4(a)所示。该电路由无线传输模块nRF24E1、25LC320及检测电路组成。其辅助电源取自非接触供电副边电路，用以检测副边电路的输出电压和电流。当车灯电路工作时，由图 4(a)中 R1、R2(R1=100 k、R2=10 k)构成电阻分压电路，其中R2上的电压信号与负载电压成正比，当车灯两端电压为10 V时，R2的电阻分压设定为1 V。将检测到的模拟电压信号、电流信号由无线模块AI0和AI7模数转换端口自动转换成数字信号并传递给接收电路[3]。无线模块A/D转换端口的信号允许范围为0～2.56 V。其通讯频率为2.4 GHz，晶振频率为16 M。无线发射程序流程图如图4(b)所示。

无线模块nRF24E1同时具有发射和接收功能，它的配置字一共144位，要使其处于发射状态先要对其配置字作以下设置:

const RFConfig tconf={15，0x38，0x38，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0xaa，0xbb，0x12，0x34，0x83，0x6c，0x04};

图4 无线信号发射电路原理图

2.2 无线信号接收及反馈触发电路

图5 (a)为无线信号接收及反馈触发电路。

图5 无线接收及反馈触发电路

当无线模块收到数字信号后，通过串行D/A转换芯片TLC5615，将数字信号以串行通讯方式读入，并将其转化成幅值为1 V左右的模拟信号由TLC5615的引脚7输出。这个模拟量与负载电压成正比，将这个模拟电压信号送到SG3525的1脚(误差放大器的反相输入端)，将误差放大器的同相输入端。通过改变SG3525的输出脉冲的占空比，控制原边主电路开关管 VT1、VT2，改变开关管的占空比。从而调节传递到副边电路的功率，起到稳压的目的。无线信号接收模块的程序流程图如图5(b)所示。

SG3525的引脚1是运算放大器的反向输入端。该引脚接反馈信号(由TLC5615输出后引到该端子)。SG3525的引脚2为运算放大器的同向输入端。将16引脚标准5.1 V信号分压后接到该端，该端子参考电压设定为 1 V。SG3525的引脚5为振荡器定时电容接入端。引脚5端、引脚6端、引脚7端合起来可以根据公式计算出频率。SG3525的振荡频率可表示为:

式中:CT，RT分别是与脚5、脚6相连的电容和电阻;Rd是与脚7相连的电阻。当 CT设定为3.3 nF时，RT设定为 8.23 kΩ，Rd设定为100 Ω。

3 结束语

设计供电电路的输入电压UDC=24 V±10%(车载蓄电池电压波动)，UO=10 V，负载为20 W的非接触LED车灯，波形如图6所示。当输入电压在24 V±10%波动条件下，输出电压基本保持稳定。电路效率η=64%，工作频率fs=50 kHz。

图6 实验波形

实验过程中，电路对原、副边线圈的电感 L31、L32、补偿电容C1、C4较为敏感。经过公式推导和仿真，逐个确定这4个值。如果将来大批量生产产品，应选择高精度的元件。由于电路的工作温度上限大于80℃，除无线模块外，其它芯片均采用双列直插式封装，辅助电源稳压芯片均采用开关电源芯片LT1170。

[1]Hu A P，Boys J T，Covic G A.Frequency analysis and computation of a current-fed resonant converter for CPT power supplies[J].IEEE，2000，8(00):7803－6338.

[2]Hu A P，Hussmann S.Improved Power Flow Control for Contact-less Moving Sensor Applications[J].IEEE Power Electronics Letters，Decembers2004.2004，12(4):135 － 138.

[3]Covic G A，Elliott G，Stielau O H，et al.The design of contact－ less energy transfer system for a people mover system[C]//Proceeding of international conference on power system technology.Perth，Australia，2000:79－84.