一 种 全 向 无 线 供 电 平 台 设 计

程瑜华， 万 鹏， 钱高荣， 陈国雄

(杭州电子科技大学 电子信息学院， 杭州 310018)

0 引 言

随着科技的发展，人们对供电方式的便捷性与智能性有了更高的要求，传统的有线传输电能的方式已经无法满足人们的需求，无线电能传输技术应运而生[1-5]。当前，主流的无线电能传输方式是通过磁场耦合来完成，电源与负载之间不再需要导线的物理连接，可以通过网络指令进行智能连接，使供电方式更加智能。然而,在某些无线供电应用中，存在接收端在某些区域接收不到能量的“死区”现象。比如植入式脑神经信号采集系统的无线供电应用中，植入器件分布在大脑皮层的不同位置，由于大脑皮层中“沟”和“回”的起伏形状，导致植入器件和线圈的朝向是不确定的，如果一个接收线圈的方向垂直于磁场的方向，由发射线圈产生的磁场就不会通过接收线圈，接收线圈因此不会接收到任何能量，因此会产生充电“死区”。此外，为了覆盖所有的接收线圈，发射线圈应该尽可能大，单个发射线圈会导致耦合效率呈梯度下降[4]。

目前，已有很多研究专注于解决“死区”问题。文献[7-8]中提出了一种由多个线圈组成的发射线圈阵列，这种发射线圈阵列可以扩大辐射区域，但是不能在各个角度实现均匀磁场分布，而十字交叉型线圈[9]结合不同相位的激励电流结构[10-15]可以实现全向磁场覆盖，但是覆盖面积很小。本文提出了一种能够产生全向并且磁场强度均匀的新型无线供电平台。相比于传统的无线电能传输的发射部分，本系统能够提供多角度、均匀性更好的磁场；相比于传统无线电能传输的接收部分，本系统具有更高的接收效率。本文对实验原理进行了分析，给出了相关系统的设计方法，最后通过实验进行了验证。

1 实验原理与设计

设计的全向无线供电平台的系统原理图如图1所示。图中，能量发送端使用1个FPGA板和1个多级缓冲器实现，缓冲器的后端接了3块带有多个正六边形相邻线圈的单层板，作为无线能量发送平台。能量接收端使用一个螺旋线圈，并在线圈内插入磁芯提高接收效率。

图1 全向无线供电平台的系统原理图

图2给出了FPGA程序设计的流程图，将50 MHz晶振利用锁相环倍频至150 MHz，12分频后输出3个频率为12.5 MHz的方波信号，3个方波信号之间各相差120°，相邻信号之间的延时设置为26.67 ns(1/3周期时间)。这3个方波信号用来驱动每层电路板上发送线圈阵列中不同的线圈。发送线圈共有3层电路板组成，每层选择信号的频率为3.3 kHz(占空比为1/3)，3层板每一层的选通与关闭由数据选择器实现。层与层之间有1/3个周期的延时，以确保同一个1/3周期内只有单独一层处于工作状态。

图2 软件设计流程图

驱动模块的电路原理如图3所示，74AC00芯片产生2个以输入相位信号为基础的反相信号VG1_0和VG2_0；通过D触发器之后，相位信号与层选择信号的同步，此时，VG1_0和VG2_0作为D类功放两个功率MOS管的栅极信号Gate1_0和Gate2_0；后级电流型Class-D的功放模块由层选通信号控制(当layer on时，电流型Class-D的功放模块开启；当layer off时，电流型Class-D的功放模块关闭)。驱动模块最终将FPGA输出的信号由3.3 V提升到5 V，电流型Class-D功放可为线圈阵列提供足够大的输出功率。

(a)

(b)

(c)

图3 驱动模块原理图

图4是能量发送线圈阵列的俯视图，由3层线圈阵列组成(图中用红色、蓝色和绿色表示)，相互之间交错排列，3层线圈阵列采用分时复用的方式工作。

图4 能量发送线圈阵列俯视图

每层阵列由图5所示的六边形线圈组成，任意相邻线圈之间的激励电流相位相差120°，单层线圈阵列所产生的磁场分布是每个六边形线圈所产生的磁场的总和。

图5 单层线圈结构示意图

为了优化能量接收的均匀性，计算了目标空间中各点的磁场分布情况。将各个线圈在某个位置、某个角度的磁场进行矢量相加(见图6)，可以得到孔某个位置、某个角度的磁场。如图7所示为计算结果与电磁场仿真软件HFSS得到的仿真结果的对比图。从图中可见，计算结果与仿真结果吻合。因此，可以利用计算结果来分析空间中磁场分布的最小值、平均值和标准差。其中，最小值在优化时的优先级最高，因为最小值处是整个系统性能最差的情况。为了优化最小值(即，提升最小值的大小)，对发送阵列的六边形线圈的尺寸进行了优化。

图6 磁场分布图

图7 仿真和理论的磁场分布比较图

发送端的设计和优化目标是产生足够均匀的各向磁场，而在接收端，其优化目标是在此磁场分布下尽可能地获取足够多的能量。因此，在螺旋线圈中插入磁芯来提高接收的能量，提高无线电能传输效率。

2 实验结果

实验的整体装置如图8所示。实验中，使用Altera公司的EP4CE6F17C8型号的FPGA，时钟芯片的频率为50 MHz，FPGA开发板输出的层信号频率为3.3 kHz，如图9所示，同时输出的3个相位分别为0°、120°、240°，频率为12.5 MHz的相位信号，如图10所示。由于本设计中使用了分时复用技术，即在当前时刻3层非重叠发送线圈阵列只会有1层发送线圈正常工作，故在实验测试时，任一时刻只需要测试单层的感应电压即可。

图8 实验整体装置图

图9 3层FPGA信号

图10 三相FPGA信号

驱动模块如图11所示，将FPGA的输出信号从3.3 V提升到5 V，然后接入发射线圈阵列单层板，如图12所示，发射线圈阵列单层板中共有19个正六边形线圈，测量了距离发送线圈板中心的正方形区域2 cm处的磁场，正方形区域的尺寸为6 cm × 6 cm，共划分为36个1 cm × 1 cm的小正方形，测试时将接收线圈分别置于正方形区域的49个顶点处，通过示波器测量接收线圈接收到的感应电压。

图11 驱动模块电路实物图

接收线圈采用直径为4 mm的磁芯来改善接收线圈的截面面积和感应电压，在磁芯周围，用直径为0.152 4 mm的AWG36型号的铜线绕制20圈，连接导线从接收线圈两端扭转，以减少连接导线感应电压的不稳定性，如图13所示。

图12 发射线圈图

图13 接收线圈图

测试过程中，保持发射线圈阵列板与接收线圈中心距离恒定2 cm，分别测试z轴角度为0°、45°、90°时，接收线圈在各个点上方的感应电压，如图14所示。对于不同角度的每种情况，在不同的时间分别测量感应电压5次，然后取其平均值，以减少由操作引起的误差。

为显示本设计的优越性，将同相发送阵列线圈(即每层所有的发送线圈的电流相位相同)的测试结果进行了对比。单层同相分别在方位角为0°、45°、90°条件下的测试结果如图15(a)、(c)、(e)所示，单层三相的测试结果如图15(b)、(d)、(f)所示。从图中可以看出，三相单层发送线圈阵列在接收端产生的电压相比同相单层发送线圈阵列的情况，虽然均匀性较差，但是幅值要高很多。同相单层发送线圈阵列中，因为相邻两个线圈之间靠近的导线中流过的电流方向刚好相反，从而相互抵消，因此其在测试区域产生的磁场很低，从而均匀性好。三相单层均匀性较差的缺点，通过3层线圈分时工作的特点进行了弥补。

(a) 单层同相0°

(b) 单层三相0°

(c) 单层同相45°

(d) 单层三相45°

(e) 单层同相90°

(f) 单层三相90°

本设计中3层线圈采用时分工作的方式，即同一时刻只有一层发射线圈板处于工作状态，故实验测试时，采用了对3层发射线圈板分别进行测试的方法。作为对比，也将3层同相的情况进行了测试。3层同相分别在方位角为0°、45°、90°条件下的测试结果如图16(a)、(c)、(e)所示。3层三相的测试结果如图16(b)、(d)、(f)所示。从图中可以看出，3层三相发送线圈阵列在接收端产生的电压的相比于3层同相情况下，幅值要高很多。同时，3层三相的情况相比图15中单层三相的情况，均匀性提高了很多。

(a) 3层同相0°

(b) 3层三相0°

(c) 3层同相45°

(d) 3层三相45°

(e) 3层同相90°

(f) 3层三相90°

4种实验条件下，接收端测得的平均电压对比如表1所示，进一步可以发现3层三相的情况在平均电压上有较大提高。

表1 4种发送线圈阵列实验的平均电压 V

3 结 语

本文设计的全向无线供电平台，将3层能量发送线圈阵列组合，使发射端的磁场强度更大、分布更加均匀；接收端采用螺旋线圈插入磁性材料，增大了发送线圈和接收线圈间的耦合系数。相比于现有的供电平台，该系统可以解决无线供电系统中存在的“死区”问题，还可以提高接收功率和能量传输效率。

通过原理分析和参数设计，为供电平台的实验设置提供了指导。该实验装置不仅可以在教学中进行FPGA的使用、电路设计及分析、电磁场等知识教学，而且可以开拓学生的视野，启发学生进行更多的科技作品创新。