基于LabVIEW RIO无线充电系统的设计

熊姗霞 蔡国顺

摘要：本系统利用NI LabVIEW RIO Evaluation Kit单板为主控制器，附加LabVIEW FPGA程序设计。系统采用磁耦合共振对无线充电系统进行电能-磁场-电能的转化以实现电能的传输。本文介绍整体系统设计并展示测试效果。

关键词：无线充电;LabVIEW FPGA;磁耦合共振

随着电子设备的广泛应用，生活中出现了许多需要数据线充电的电子设备，各种数据线交织在一起，不仅影响美观且存在安全隐患。无线充电是通过非接触式充电的方式以实现电力输送的一种新型充电技术，无线充电器与设备之间通过电磁耦合的方式实现电能的传输，无需数据线连接，可以做到无接触对充电设备进行充电，解决了数据线充电带来不便以及各种隐患。同时，利用磁耦合共振的无线充电系统还可以解决因不同移动设备接口的适配器不同等原因在使用上带来的不便。

一、磁耦合共振式无线充电原理

磁耦合共振式无线充电原理是送电线圈和受电线圈串联或者并联小电容构成一个共振器，当送电线圈与受电线圈产生振动的频率一致时，即使相距一段距离，由于磁耦合产生共振，也能实现送电线圈与受电线圈之间的电能和磁能传输[1]。

二、磁耦合共振无线充电系统的电路设计

磁耦合共振无线充电系统由电能输出部分和电能接收部分组成。电能输出部分包括交流电源、降压整流电路、主控制器、驱动电路、高频开关电路、检测电路以及发射线圈;电能接收部分由接收线圈、检测电路以及充电模块等部分组成。

（一）电能输出部分电路设计

该部分主要由供电电源、驱动隔离电路以及高頻开关和发射线圈电路组成，本文主要介绍其中关键的高频开关和发射线圈电路设计。

高频开关和发射线圈电路如图1所示，高频开关的频率是通过驱动器IR2110控制MOS管IRF3205的导通频率来实现的，而驱动信号是来自主控制器输出的PWM信号，通过程序控制PWM的频率来控制高频开关管开断的，以提高发射线圈二端的频率，从而实现发射线圈二端产生起振。

（二）电能接收部分电路的设计

电能接收电路如图1所示，受电线圈感应到发射线圈产生的磁场时，在受电线圈中会产生感应电动势。调节受电线圈电抗值，使受电端产生起振，当受电线圈二端的起振频率和发射线圈二端的固有频率相同时，受电线圈感应电动势达到最大值。受电线圈感应的交变电流经过T3168开关型集成稳压芯片进行整流滤波得到直流电，采用并联补偿的方式确保负载能得到稳定电流。

三、系统测试效果

（一）软件测试界面

上位机软件采用NI的LabVIEW，测试界面如图2所示，凭借Labview强大的界面控件集成功能以及函数库，可以十分方便的开发出美观而有效的软件界面，如图直观的显示了送电线圈二端与负载受电端的电压幅值的变化、驱动信号PWM的占空比和频率、负载充电电量及是否充电等功能。

（二）实物测试效果

实物测试效果图如图3所示，用直流的LED灯泡代替负载，通过最后的实物测试效果显示该系统可以在20CM以内可以将多个12V/5W的LED灯泡点亮，完美实现无线充电功能。

四、结语

该系统是利用电磁共振原理，以NI LabVIEW RIO Evaluation Kit单板为主控制器，并附加软件控制界面的一种新型无线充电装置。通过以电磁共振技术，设计出实验样机，经过大量测试验证在短距离无接触状态下送电线圈和受电线圈二端电能传输的可能性。从实物测试效果来看，送电线圈和受电线圈之间可以通过磁共振的方式实现电能的传输。同时，附加软件控制界面可以提高无线充电系统的可操作性，使充电过程更加灵活、方便。该系统方案的设计为无线充电技术提供广阔的发展空间和应用前景，对推动无线充电技术具有重要理论意义和使用价值，已在全国虚拟仪器设计大赛中获奖。

参考文献：

[1]张斌.磁耦合共振型无限输电系统的研究[D].兰州理工大学硕士学位论文，2014，10-24.