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摘 要：设计了基于并联谐振原理的磁耦合谐振式高效无线输电装置，电路由能量转换模块、谐波生成模块、并联无线输电模块、无线接收模块及负载模块构成。通过对电源中的电能进行调制，用谐振的方式通过开关电源电路提供到无线发射端的电源部分，并且高效地传输转化得到的能量。谐波生成模块频率与金属线圈刚好匹配，用来调制线圈电流。无线输电模块中的发射线圈的前端采用全桥逆变，通过对线圈等效电感的计算，选择合适的谐振电容，可使传输能力最大化。实验验证了接受端线圈可实现50cm的范围内10W的功率传输，效果符合要求。
关键词：磁耦合谐振 无线供电 并联谐振 线圈
中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0127-04
Design of Wireless Power Supply based on Magnetic Coupling Resonance and Load Parallel Resonance
CHEN Yinyan1 HE Jian2 HAN Yanjie2 ZHOU Haijun2*
（1.Chuzhou Polytechnic College， College of Information Engineering， Chuzhou， Anhui Province， 239000 China;2.Chuzhou University， College of mechanical and electrical engineering， Chuzhou， Anhui
Province， 239000 China）
Abstract： A magnetic coupling resonant high-efficiency wireless transmission device based on parallel resonance principle is designed. The circuit is composed of energy conversion module， harmonic generation module， parallel wireless transmission module， wireless receiving module and load module. By modulating the electric energy in the power supply， it is provided to the power supply part of the wireless transmitting end through the switching power supply circuit in a resonant manner， and the converted energy is transmitted efficiently. The frequency of the harmonic generation module is just matched with the metal coil to modulate the coil current. The front end of the transmitting coil in the wireless transmission module adopts full bridge inverter. Through the calculation of the coil equivalent inductance and the selection of appropriate resonant capacitance， the transmission capacity can be maximized. Experiments show that the receiving end coil can realize 10W power transmission in the range of 50cm， and the effect meets the requirements.
Key Words： Magnetic coupling resonance; Wireless power supply; Parallel resonance; Coil
1 工作原理
當前，无线供电技术在很多领域都有自己独到的用处，且在近距离感应原理传输电能方面有很大进展。科学研究中无线充电技术的实现主要通过以下4种方式：电磁感应式、无线电波式、磁场谐振式、电场耦合式。这4种都是基于电磁学的物理原理，进行能量的相互转换[1]。这4种之中电磁感应式和磁场谐振式是使用最为广泛的两种。磁耦合谐振的优势在于传输功率大，最高可达数kW，传输距离相对于电磁感应式也提升了几十倍达到了数百倍。对接收端无位置和姿态要求，在传输范围之内即可谐振，而且可以有多个接收端共同接收，实现一对多的高效传输。所以磁耦合共振式是适合远距离、大功率的传输方式，在实际使用中抗干扰能力强，使用的场景多样化，输电更为可靠[2-4]。
在负载电源阻抗，并联谐振的负载电路对电源的阻抗特性是高阻抗，使用电流源供电更为合适，为了保护前级电路，电源末端必须要并接大容量的电感器。但并联谐振在转换失败时，由于电路中有着大容量电感，所以其电流受电感的大电抗限制，无法产生大的电流冲击，整体电路较易保护。在输入输出波形上，并联谐振是恒定的输入电流和正弦波的输出电压，所以电桥电路在MOS管上电流过零点之前进行换流行为。使用并联谐振整个电路的阻抗要相匹配，并且并联谐振电路所匹配的工作频率必须要比负载电路的固有震荡频率要低。这是因为只有并联谐振的工作频率低于固有频率，才会使电路有充足时间让全桥电路的上、下桥臂全部处于非直通状态，如果这个换流时间过长，可能会导致换流失败，电路无法工作[5]。 2 系统结构设计
如图1所示，设计的无线供电系统主要由以下几个模块构成：能量转化模块、并联输电模块、震荡模块、控制系统模块、无线发射及驱动模块、无线接收模块、用电设备。当无线供电的用电设备的功率和阻抗发生变化时，对无线供电的波形及效率都会产生较大影响。
2.1 能量转化模块
本电路设计可以由多电源提供电能，可以使用普通直流电源供电和太阳能电池板供电。由于太阳能电池板的光照不稳定特性，当太阳光光照强度达到126800Lx以上时，有足够光能转换，太阳能供电系统可以产生12～20V不等的电压输出。此时，太阳能电池板可以等效于普通直流电源，低于126800Lx时，供电电能无法满足系统需要，供电效率和系统性能将成比例下降[6]。
2.2 并联输电模块
本设计的无线充电系统主要通过发射与接收线圈进行相同频率的能量耦合实现能量的传递。系统工作时用12～24V直流电源或太阳能电池板直接为系统供电，经过7805模块转变成5V后给芯片供电，12～24V可以直接加到MOSFET的S极，来实现铜质线圈中的交流电，同时，线圈中的较高电压可以保证输距离的大小和波形的稳定，几个470uf的电容也是为了吸收电路中换流产生的尖峰电流。
2.3 震荡模块
电路的震荡部分为无限发射端电路提供标准的可调方波震荡。如图2所示，主体结构由晶振、电容、反相器构成，由于晶振的特性，可以输出稳定的方波。在本设计中，选用了CD4069作为起振芯片，CD4069是一个拥有6个反相器的反相门器件，用一个反相器和有源晶振做一个多谐振荡器，后面5个剩余的与非门就并联在一起接在振荡器后面来为电路提供更大电流，更大的电流意味着有更强的带负载能力[7]。此部分可输出512kHz可调的方波信号，此方波信号为后级的MOS管提供驱动信号。
2.4 无线发射及驱动模块
发射端采用大功率MOS管IRF840，开启的内阻为0.85Ω，最大电流8A，在MOS管工作时，需要加装散热片，因为MOS管会产生大量的热量。Vds最大工作电压500V;Vdg（20kΩ下）耐压500V;Vgs栅源电压正负20V;Id在25℃时为8A，在100℃时为5.1A;IDM最大工作电流32A;Ptot温度在25℃时峰值功率为12W。线路利用电流的正弦信号产生磁场，使电路工作在固有频率内，保持与接收回路的耦合，这样可以使能量最大效率地传输到接收端。
驱动部分利用两个参数相对的三极管S8550及S8050组成一个MOSFET管的驱动电路，驱动后级的N型MOSFET IRF840，如图3所示。对前级的震荡电路产生的可调方波进行处理，使用二阶低通滤波器进行滤波，滤除电容产生的高次谐波，最终得到稳定的正弦波输出，正弦波具有最大的传输效率，使电路产生更大功率，MOS管波形更好，更易于谐振传输与接收。
2.5 无线接收模块
设计采用了线径是1.2mm的铜质导线作为耦合线圈的材料，自己绕制的线圈直径有12cm，绕制20圈，电感大概在56uH左右。有并联谐振的电容计算公式可以得出谐振的电容容值在660pF左右，在660pF电容下接收电路与发射电路相匹配，所以选择661型号的电容。
无线传输与接受部分采用并联谐振电路，L1与L2这两个铜芯线圈一定要配上合适的谐振电容，谐振情况的好坏会直接影响到传输的好坏与传输距离，尽量避免谐振工作在高次谐波的频率上，此处经实践应用涤纶电容或聚乙烯电容。此外发射端的波形也占有一定地位，波形失真太大会使MOSFET工作在非线性区，而非开关状态，这样会使电能传输效率大幅下降，如图4所示。
3 硬件设计与运行
图5是硬件电路运行过程实物图。通过万用表及精度较高的数字示波器观看无线供电的电源端的电压值、电流值、电流纹波、开关尖峰等，确定整个电路的电源是稳定、有效的。图6是谐波生成的电路产生的波形频率和矩形波。
无线发射模块的MOSFET全桥的工作状态，用示波器看发射线圈端的电压波形，监视MOS管在前级三级管的驱动下工作在开关状态。MOS管的S级电压波形如图7所示，是半个周期导通的正弦波，导通的时长是由方波的占空比来决定，占空比越大，导通时间越长，传输电流也就越多。无线发射线圈上的电压波形如图8所示，理论上是一个正弦波，但由于前面二阶滤波器的元件精度和自己焊接的电路影响，正弦波存在一定的失真，对传输效率有一定影响，但是影响不大。
4 结语
本设计采用了磁共振耦合原理的无线供电方式，此方式的整体特点是传输效率高、传输距离远。其发射回路与接收回路之间具有相同的谐振频率的传输方式，為整个无线供电体系带来了巨大的改变。首先相比于电磁感应方式，接收电路的位置可以自由移动，不受限制，整体电路的重量也比较轻，易携带;其次与无线电波式相比，可以系统提升整体供电效率，提升传输电流，有着更强的实用性;最后与电场耦合相比，在继续延长传输距离时有优势，电场耦合传输距离的加大意味着电场面积的加大。磁耦合共振及负载并联谐振式无线供电具有高效率、高功率、远距离、体积小等优势。
参考文献
[1] 王鑫森.适用于无线供电的电源管理电路设计[D].成都：电子科技大学，2019.
[2] 徐勇军，谷博文，陈前斌，等.基于能效最大的无线供电反向散射网络资源分配算法[J].通信学报，2020，41（10）：202-210.
[3] 张波，张青.两个负载接收线圈的谐振耦合无线输电系统特性分析[J].华南理工大学学报：自然科学版，2012，40（10）：152-158.
[4] 曹娟等.负载阻抗特性对引信磁共振耦合无线装定系统传输特性影响[J].兵工学报，2018，39（12）：2330-2337.
[5] 程瑜华，万鹏，钱高荣，等.一种全向无线供电平台设计[J].实验室研究与探索，2019，38（6）：58-62.
[6] 安琳琳，谢礼朋，邓亮，等.基于双管E类电路的磁耦合谐振无线供电技术研究[J].电器与能效管理技术，2019（17）：21-25.
[7] 杨睿，张翔，汪阳.基于磁耦合谐振式无线供电系统的分析研究[J].应用能源技术，2019（8）：49-54.
关键词：磁耦合谐振 无线供电 并联谐振 线圈
中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0127-04
Design of Wireless Power Supply based on Magnetic Coupling Resonance and Load Parallel Resonance
CHEN Yinyan1 HE Jian2 HAN Yanjie2 ZHOU Haijun2*
（1.Chuzhou Polytechnic College， College of Information Engineering， Chuzhou， Anhui Province， 239000 China;2.Chuzhou University， College of mechanical and electrical engineering， Chuzhou， Anhui
Province， 239000 China）
Abstract： A magnetic coupling resonant high-efficiency wireless transmission device based on parallel resonance principle is designed. The circuit is composed of energy conversion module， harmonic generation module， parallel wireless transmission module， wireless receiving module and load module. By modulating the electric energy in the power supply， it is provided to the power supply part of the wireless transmitting end through the switching power supply circuit in a resonant manner， and the converted energy is transmitted efficiently. The frequency of the harmonic generation module is just matched with the metal coil to modulate the coil current. The front end of the transmitting coil in the wireless transmission module adopts full bridge inverter. Through the calculation of the coil equivalent inductance and the selection of appropriate resonant capacitance， the transmission capacity can be maximized. Experiments show that the receiving end coil can realize 10W power transmission in the range of 50cm， and the effect meets the requirements.
Key Words： Magnetic coupling resonance; Wireless power supply; Parallel resonance; Coil
1 工作原理
當前，无线供电技术在很多领域都有自己独到的用处，且在近距离感应原理传输电能方面有很大进展。科学研究中无线充电技术的实现主要通过以下4种方式：电磁感应式、无线电波式、磁场谐振式、电场耦合式。这4种都是基于电磁学的物理原理，进行能量的相互转换[1]。这4种之中电磁感应式和磁场谐振式是使用最为广泛的两种。磁耦合谐振的优势在于传输功率大，最高可达数kW，传输距离相对于电磁感应式也提升了几十倍达到了数百倍。对接收端无位置和姿态要求，在传输范围之内即可谐振，而且可以有多个接收端共同接收，实现一对多的高效传输。所以磁耦合共振式是适合远距离、大功率的传输方式，在实际使用中抗干扰能力强，使用的场景多样化，输电更为可靠[2-4]。
在负载电源阻抗，并联谐振的负载电路对电源的阻抗特性是高阻抗，使用电流源供电更为合适，为了保护前级电路，电源末端必须要并接大容量的电感器。但并联谐振在转换失败时，由于电路中有着大容量电感，所以其电流受电感的大电抗限制，无法产生大的电流冲击，整体电路较易保护。在输入输出波形上，并联谐振是恒定的输入电流和正弦波的输出电压，所以电桥电路在MOS管上电流过零点之前进行换流行为。使用并联谐振整个电路的阻抗要相匹配，并且并联谐振电路所匹配的工作频率必须要比负载电路的固有震荡频率要低。这是因为只有并联谐振的工作频率低于固有频率，才会使电路有充足时间让全桥电路的上、下桥臂全部处于非直通状态，如果这个换流时间过长，可能会导致换流失败，电路无法工作[5]。 2 系统结构设计
如图1所示，设计的无线供电系统主要由以下几个模块构成：能量转化模块、并联输电模块、震荡模块、控制系统模块、无线发射及驱动模块、无线接收模块、用电设备。当无线供电的用电设备的功率和阻抗发生变化时，对无线供电的波形及效率都会产生较大影响。
2.1 能量转化模块
本电路设计可以由多电源提供电能，可以使用普通直流电源供电和太阳能电池板供电。由于太阳能电池板的光照不稳定特性，当太阳光光照强度达到126800Lx以上时，有足够光能转换，太阳能供电系统可以产生12～20V不等的电压输出。此时，太阳能电池板可以等效于普通直流电源，低于126800Lx时，供电电能无法满足系统需要，供电效率和系统性能将成比例下降[6]。
2.2 并联输电模块
本设计的无线充电系统主要通过发射与接收线圈进行相同频率的能量耦合实现能量的传递。系统工作时用12～24V直流电源或太阳能电池板直接为系统供电，经过7805模块转变成5V后给芯片供电，12～24V可以直接加到MOSFET的S极，来实现铜质线圈中的交流电，同时，线圈中的较高电压可以保证输距离的大小和波形的稳定，几个470uf的电容也是为了吸收电路中换流产生的尖峰电流。
2.3 震荡模块
电路的震荡部分为无限发射端电路提供标准的可调方波震荡。如图2所示，主体结构由晶振、电容、反相器构成，由于晶振的特性，可以输出稳定的方波。在本设计中，选用了CD4069作为起振芯片，CD4069是一个拥有6个反相器的反相门器件，用一个反相器和有源晶振做一个多谐振荡器，后面5个剩余的与非门就并联在一起接在振荡器后面来为电路提供更大电流，更大的电流意味着有更强的带负载能力[7]。此部分可输出512kHz可调的方波信号，此方波信号为后级的MOS管提供驱动信号。
2.4 无线发射及驱动模块
发射端采用大功率MOS管IRF840，开启的内阻为0.85Ω，最大电流8A，在MOS管工作时，需要加装散热片，因为MOS管会产生大量的热量。Vds最大工作电压500V;Vdg（20kΩ下）耐压500V;Vgs栅源电压正负20V;Id在25℃时为8A，在100℃时为5.1A;IDM最大工作电流32A;Ptot温度在25℃时峰值功率为12W。线路利用电流的正弦信号产生磁场，使电路工作在固有频率内，保持与接收回路的耦合，这样可以使能量最大效率地传输到接收端。
驱动部分利用两个参数相对的三极管S8550及S8050组成一个MOSFET管的驱动电路，驱动后级的N型MOSFET IRF840，如图3所示。对前级的震荡电路产生的可调方波进行处理，使用二阶低通滤波器进行滤波，滤除电容产生的高次谐波，最终得到稳定的正弦波输出，正弦波具有最大的传输效率，使电路产生更大功率，MOS管波形更好，更易于谐振传输与接收。
2.5 无线接收模块
设计采用了线径是1.2mm的铜质导线作为耦合线圈的材料，自己绕制的线圈直径有12cm，绕制20圈，电感大概在56uH左右。有并联谐振的电容计算公式可以得出谐振的电容容值在660pF左右，在660pF电容下接收电路与发射电路相匹配，所以选择661型号的电容。
无线传输与接受部分采用并联谐振电路，L1与L2这两个铜芯线圈一定要配上合适的谐振电容，谐振情况的好坏会直接影响到传输的好坏与传输距离，尽量避免谐振工作在高次谐波的频率上，此处经实践应用涤纶电容或聚乙烯电容。此外发射端的波形也占有一定地位，波形失真太大会使MOSFET工作在非线性区，而非开关状态，这样会使电能传输效率大幅下降，如图4所示。
3 硬件设计与运行
图5是硬件电路运行过程实物图。通过万用表及精度较高的数字示波器观看无线供电的电源端的电压值、电流值、电流纹波、开关尖峰等，确定整个电路的电源是稳定、有效的。图6是谐波生成的电路产生的波形频率和矩形波。
无线发射模块的MOSFET全桥的工作状态，用示波器看发射线圈端的电压波形，监视MOS管在前级三级管的驱动下工作在开关状态。MOS管的S级电压波形如图7所示，是半个周期导通的正弦波，导通的时长是由方波的占空比来决定，占空比越大，导通时间越长，传输电流也就越多。无线发射线圈上的电压波形如图8所示，理论上是一个正弦波，但由于前面二阶滤波器的元件精度和自己焊接的电路影响，正弦波存在一定的失真，对传输效率有一定影响，但是影响不大。
4 结语
本设计采用了磁共振耦合原理的无线供电方式，此方式的整体特点是传输效率高、传输距离远。其发射回路与接收回路之间具有相同的谐振频率的传输方式，為整个无线供电体系带来了巨大的改变。首先相比于电磁感应方式，接收电路的位置可以自由移动，不受限制，整体电路的重量也比较轻，易携带;其次与无线电波式相比，可以系统提升整体供电效率，提升传输电流，有着更强的实用性;最后与电场耦合相比，在继续延长传输距离时有优势，电场耦合传输距离的加大意味着电场面积的加大。磁耦合共振及负载并联谐振式无线供电具有高效率、高功率、远距离、体积小等优势。
参考文献
[1] 王鑫森.适用于无线供电的电源管理电路设计[D].成都：电子科技大学，2019.
[2] 徐勇军，谷博文，陈前斌，等.基于能效最大的无线供电反向散射网络资源分配算法[J].通信学报，2020，41（10）：202-210.
[3] 张波，张青.两个负载接收线圈的谐振耦合无线输电系统特性分析[J].华南理工大学学报：自然科学版，2012，40（10）：152-158.
[4] 曹娟等.负载阻抗特性对引信磁共振耦合无线装定系统传输特性影响[J].兵工学报，2018，39（12）：2330-2337.
[5] 程瑜华，万鹏，钱高荣，等.一种全向无线供电平台设计[J].实验室研究与探索，2019，38（6）：58-62.
[6] 安琳琳，谢礼朋，邓亮，等.基于双管E类电路的磁耦合谐振无线供电技术研究[J].电器与能效管理技术，2019（17）：21-25.
[7] 杨睿，张翔，汪阳.基于磁耦合谐振式无线供电系统的分析研究[J].应用能源技术，2019（8）：49-54.