磁耦合谐振式无线电能传输的智能稳压电源设计与实践

刘晓文， 郭 雨， 薛 雪

(中国矿业大学 电气与动力工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

目前的电子电路和仪器设备主要依靠直流稳压电源提供电能，电源质量的好坏直接影响到电路和设备的运行情况，从而影响到人们的生产生活。随着科学技术的飞速发展，电子设备的性能逐渐提高，人们对电源的安全性、稳定性等要求也越来越高[1]。传统的直流稳压电源存在稳定性差、性能低和准确度不准等问题[2]，这些问题致使它们已经不能满足现代供电设备的需求。此外，传统的电能传输在安全性和可靠性上存在较大的不确定性，极易引发安全事故。

以单片机为核心设计出的智能稳压电源系统能够弥补传统稳压电源的不足，其结构紧凑、性能卓越，极大地提高了输出电压的安全性和稳定性[3-4]。同时，无线电能传输技术的诞生，较好地解决了传统输电中存在的问题，它具有安全、高效率和稳定可靠等特点[5]。本文将磁耦合谐振式无线电能传输系统和稳压电源系统进行融合，设计了一款以高性能单片机为控制核心，连续可调且能够两路输出电压的电源系统。

1 系统总体设计

该系统主要分为两大部分，第1部分是磁耦合谐振式无线电能传输系统，该系统由发射和接收两部分组成。发射部分包含LC并联谐振回路和驱动回路，电能汇聚在发射线圈上，接收部分把磁耦合传递的电能经整流、滤波、稳压后转化为直流电。第2部分是智能稳压电源系统，其核心技术是通过单片机控制数模转换等电路从而调控整个系统的输出电压，主要由升压控制电路，降压控制电路，A/DC、D/AC转换，单片机模块和显示部分组成。磁耦合谐振式无线电能传输系统所产生的直流电压，在智能稳压电源系统中被用作单片机以及各种电路的驱动电压，从而恰当地将两部分衔接在一起，构成了整个系统。

2 磁耦合谐振式无线电能传输系统设计

2.1 磁耦合谐振式无线电能传输技术

磁耦合谐振式无线电能传输技术依靠电磁场近场范围内的磁场共振实现能量的无线传输。当发射端激励源的频率与磁耦合谐振部分中LC谐振回路的共振频率相同时，传输到激励源的能量会以电能的形式储存在发射端谐振回路的补偿电容中，补偿电容谐振状态下与线圈电感进行电能和磁场能的转换，此时的发射线圈一方面产生磁场向外辐射，另一方面激励接收线圈。当感应到共振频率下的磁场变化时，接收线圈会将发射线圈产生的磁场能全部吸收并在线圈电感中储存，然后在接收端谐振回路中与谐振补偿电容进行磁场能和电能的转换[6-7]。针对磁耦合谐振式无线电能传输的工作机理，目前主要有耦合模理论、磁场有限元理论以及互感耦合理论等分析方法[8-10]。

2.2 无线电能传输系统主体结构

本文设计的无线电能传输系统由两部分组成。发射部分将电源和驱动电路产生的电能聚集到发射线圈上，利用磁耦合的方式将电能传送到接收线圈上，从而使能量被接收部分的负载使用。发射和接收线圈基本都是由相同固定频率的LC电路组成的，线圈并联的电容值的大小是相同的，目的是使两个线圈之间的耦合更容易产生。该系统的主体结构如图1所示。

(1) 发射部分。电源为发射部分中的各个电路原件提供能够保证它们正常工作的电能，驱动电路主要有两个作用，一方面是提供震荡信号，从而促使谐振的产生，另一方面是负责放大驱动，进而驱动发射线圈。发射部分产生的能量最终集结到发射线圈中。

图1 无线电能传输系统主体结构

(2) 接收部分。接收部分主要由接收线圈、变换电路和负载组成，接收线圈通过谐振的方式获得发射线圈中的电能，然后利用变换电路将转化后的电能供给负载。由于接收线圈获取的是交流电，而负载需要提供的是直流电，因此必须使交流电源经过一系列变压、整流、滤波和稳压等变换处理，这样处理后得到的直流电也会更稳定。

3 电源系统软硬件设计

本文设计的电源系统是将无线电能传输系统所产生的直流电作为输入，实现对两路输出稳压且可调控的功能。两路输出就是一路对电压进行降压处理，另外一路对电压进行升压处理，在单片机中集成有A/DC转换的接口处输入这两路电压，通过单片机来采集处理电压值，然后利用LCD将单片机所采集到的两路电压显示出来。同时设置矩阵键盘，当有按键信息传送给单片机时，单片机就会将按键处理后的电压的数字量传递到D/AC转换电路，然后由转换电路D/AC将产生的模拟电压值反馈到降压或升压控制电路，降压或升压电路则会依据反馈回来的电压模拟量来调控电压的输出大小，从而改变电源系统输出的电压值大小。

3.1 硬件设计

整个智能稳压电源系统的硬件结构如图2所示。

图2 硬件结构图

(1) 单片机选型。本文设计采用STC15F2K60S2单片机作为主要控制中心，该系列单片机兼容8051内核，成本低、功耗低、速度高且应用广泛。与传统8051内核单片机不同，STC15F2K60S2自带两个全双工的UART串口，并且在片内内置了一个8通道的10 bit模数转换器，可以省去外接的A/D转换芯片，同时还内置了3个16 bit的定时器，高精度的晶体振荡器等供用户使用[11-12]。符合设计的需要。

(2) 降压控制电路的设计。降压控制电路主要是对输入电压做降压处理，其原理如图3所示。

图3 降压控制电路图

本次设计中选用LM2576集成芯片作为降压型开关稳压控制器。这个芯片有一个确定的数量关系式：

Uo=(1+R2/R1)UR

(1)

式中:Uo是输出电压;R2和R1是反馈端的两个电阻，在芯片内部R2通路，R1开路;UR是基准电压，大小是1.23 V。

此芯片输出电压的大小是根据反馈端的两个电阻阻值的比例来调节的[13]，为了保证单片机能够控制反馈的大小从而调控输出电压的大小，断开反馈引脚和外部分压电路，使D/AC的输出电压引入反馈，将R1端的分压值和D/AC的输出电压值进行一个求差值比较，经过比较和计算得出的数量关系式：

Uo=(UD/AC-UR)(1+R2/R1)

(2)

式中:UD/AC是D/AC反馈电压。由式(2)可见，芯片的输出电压和D/AC反馈的电压值是成正比例关系的。根据式(2)和要求的输出范围来选择合适的电阻，降压电路中选用的电阻R2为2 kΩ，R1为10 kΩ。

(3) 升压控制电路的设计。为了实现连续可调的升压效果，本次设计选用可调的升压集成电路，采用LM2577集成芯片，这个芯片的输出电压有3种类型，其他功能和LM2576基本相同[14]。把反馈引脚接到D/AC的输出位置，从而获取其所输出的模拟电压值，就能够通过反馈的值来调节升压电路的输出电压。为了使升压控制电路的输出电压最大能达到30 V，芯片反馈端的两个分压电阻的比值需要作出相应的调整，式(2)同样适用于LM2577芯片，根据D/AC反馈电压和芯片输出电压的关系，可以计算出R2和R1的比值要大于7.96，才能保证输出电压达到最大值，因此升压电路中选用的电阻R2为40 kΩ，R1为5 kΩ。由于STC15F2K60S2单片机的工作电压在5～15 V之间，而升压控制电路可以达到的最大电压是30 V，所以要在电压输入单片机之前串联两个电阻进行分压处理。

(4) A/DC、D/AC转换电路的设计。本次设计直接使用了STC15F2K60S2单片机内部集成的A/DC模块，此模块精度较高，完全满足设计需求。由于整个系统是通过反馈来调整电压输出的，而单片机提供的是数字信号，因此还需要进行D/AC转换，选用DAC0832芯片实现转换[15]。这种芯片输出的是模拟电流信号，需要经过一个运放将电流转化成电压输出，具体的输出转化式：

Uo=-UR×D/256

(3)

式中:Uo是输出电压;UR是芯片的基准电压。这里选用的值为-5 V，D表示单片机提供给DAC0832的数字量。针对系统要实现两路输出，使用两个D/AC0832芯片，分别采集单片机提供的数据，再通过D/AC转换电路将模拟量反馈给升压控制电路和降压控制电路。

3.2 软件设计

(1) 系统主控部分设计。针对系统主控部分的软件设计，第1步是对系统进行初始化，设定电压的范围，降压控制电路的初始电压设定为3 V，升压控制电路的初始电压设定为15 V，单片机将A/DC传递过来的数据初始化为设定值。将电压值初始化之后，如果有按键按下，单片机将按键的输入和当前的数值进行比较，判断是增加还是减小电压，根据式(2)和式(3)计算出传递给D/AC转换电路的反馈电压值，然后外部控制电路根据反馈的电压值对输出电压进行调整，调整后的电压再次传递给单片机，单片机将此时的电压显示出来。当输出电压达到了最大值(最小值)时，如果依然有增加(减少)的按键被按下，此时单片机会将电压值重新回归到初始化的设定值。本次软件设计的系统流程图如图4所示。

图4 系统流程图

(2) 按键部分设计。本部分设计了4个按键来控制两路电压的输出，即升压控制电路的电压增加键和电压减小键，以及降压控制电路的电压增加键和电压减小键。在接收到按键操作命令之后，单片机首先判断是负责哪一路的电压按键被按下，然后将相应电路的电压值传递给相应的D/AC转换芯片。针对按键抖动这一现象，在程序中进行软件消抖处理，将按键延时10 ms后再操作。

(3) 显示部分设计。显示部分设定LCD与单片机的接口所采取的访问方式为间接访问方式，把这个LCD显示屏当做一个外设连接到单片机的并行接口上，然后单片机对这个并行接口进行相应的操作。

4 实验测试

根据上述设计，搭建整体电路硬件系统，并对该系统进行测试实验。实验中，设置平行放置的发射线圈和接收线圈之间的距离为10 cm，电源处输入15 V的电压，在500 mA负载条件下采用示波器测试不同时间下系统输出的波形，测试该系统是否稳定输出。表1和表2分别表示系统在20 ns,5 μs和30 μs下所测的直流5 V输出和直流25 V输出的实验数据。

表1 直流5 V输出实验数据

表2 直流25 V输出实验数据

由实验测试可知，该系统输出电压的误差范围均在±4%以内, 误差较小，这表明本文设计的系统总体输出比较稳定,可靠性较高，满足设计要求。

5 结 语

本文将磁耦合谐振式无线电能传输系统应用到以单片机为控制核心的稳压电源系统中，既用到了无线电能传输的相关理论，又用到了单片机电路的有关知识，是一个综合型设计。实验表明，设计的系统在稳定性和可靠性等方面有了较大的改善。在今后的工作中将进一步完善设计，使系统更加符合供电设备的需求。