基于MSP430單片機(jī)的小型無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計

唐曼玲　劉越　張歡

摘 要 本設(shè)計 以TI公司的超低功耗MCU MSP430處理器為核心，設(shè)計并制作一個磁耦合諧振式小型無線電能傳輸裝置。把輸入的15V直流經(jīng)過DC—AC轉(zhuǎn)換，為發(fā)射線圈提供交流電，接收線圈通過磁耦合的方式將交變磁場變換為交變電流，經(jīng)整流、濾波后為接收端負(fù)載提供電能。

【關(guān)鍵詞】無線電能傳輸；MSP430；射頻功率放大MSP430 磁耦合 無線電能傳輸

隨著科技迅猛發(fā)展，人們越來越關(guān)注無線電能傳輸技術(shù)。傳統(tǒng)供電方式存在輸電線容易老化、漏電及在高溫高壓環(huán)境下出現(xiàn)過熱燒壞或爆炸等，這給人們未來的生活帶來了隱藏的安全問題。而在一些特殊場合，無線電能傳輸技術(shù)具有安全、可靠和便捷的優(yōu)點，有傳統(tǒng)電纜不及的優(yōu)勢。無線電能傳輸技術(shù)也逐漸在交通運(yùn)輸、便攜式電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械、航空航天、水下探測等領(lǐng)域嶄露頭角。因此，無線電能傳輸技術(shù)是未來研究熱點之一。

本文介紹的小型無線電能傳輸系統(tǒng)是基于MSP430單片機(jī)作為主控器，通過高頻逆變電路，磁耦合諧振線圈和交直流轉(zhuǎn)換電路，最終為末端負(fù)載提供電能。

1 總體設(shè)計

本設(shè)計是以家用小型電子設(shè)備為應(yīng)用對象，以居家使用為背景，故本裝置的發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm。小型無線電能傳輸系統(tǒng)框圖如圖1所示，由發(fā)射端驅(qū)動電路、耦合線圈、接收端電能轉(zhuǎn)換電路組成。驅(qū)動電路的前端的輸入電壓U1=15V，輸入直流電流I1不大于1A；接收電路負(fù)載電壓U2為穩(wěn)定DC5V，負(fù)載電流I2最大為1A，最后點亮接收端負(fù)載為2只1W的串聯(lián)LED燈。

發(fā)射端中由控制電路、發(fā)射電路、信息顯示模塊組成。接收端由接收電路、電能轉(zhuǎn)換電路、穩(wěn)壓電路、信息顯示模塊組成。本系統(tǒng)采用射頻電路，發(fā)射端的無線電波的幅度為9-12V，頻率為1MHz以上。作為小型電子設(shè)備充電使用，發(fā)射的無線電波要達(dá)到的頻率至少要上1MHz。考慮到9V-12V是一個安全電壓，既能保證工作，又能不產(chǎn)生危害，所以幅度要在9V到12V之間。接收端最后整流出來的直流電要達(dá)到5V（穩(wěn)定）、1A（最大）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 發(fā)射端驅(qū)動電路設(shè)計

小型無線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)射端驅(qū)動電路如圖2所示，主要有信號源電路，將直流信號逆變?yōu)檎也ǖ碾娐贰ｒ?qū)動電路，使線圈發(fā)射時，發(fā)射的無線電波保持在設(shè)計的頻率和幅度。

發(fā)射端電路需要產(chǎn)生高頻交流電，交流電再經(jīng)由發(fā)射線圈發(fā)送給接收線圈，為接收端提供能量。本設(shè)計采用MOSFET半橋式驅(qū)動電路，需要實現(xiàn)對上橋的驅(qū)動，其電路簡單，所用元器件少，交流幅值是輸入的1/2，直流側(cè)需兩電容串聯(lián)，輸入相同大小的電壓、電流，輸出的功率相對更小，適用于小功率逆變電路。

2.2 接收端電能變換電路設(shè)計

小型無線電能傳輸系統(tǒng)接收端電路如圖3所示，接收端電路主要由整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等構(gòu)成。

此電路需要用直流電點亮小燈，接收線圈中的交流電經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到直流電。采用全橋整流電路，其特性是由4只整流二極管按全波整流的方式連接起來，在一個周期內(nèi)對信號的處理AC-DC輸出經(jīng)過兩個二極管得到正弦波的正極部分，再經(jīng)過另外兩個二極管反接得到正弦波的正極部分，輸出直流電壓。本設(shè)計采用TI公司的DB107集成整流芯片構(gòu)成整流電路。DB107集成整流芯片是一種高速整流芯片，其響應(yīng)速度快且功耗較低。

2.3 耦合線圈設(shè)計

耦合線圈的磁場強(qiáng)度是由電流通過線圈引起的。因此，磁場強(qiáng)度H可由安匝數(shù)來定義：

H= （1）

式中，N是線圈的匝數(shù)；I是電流，其單位是A；mL是磁路的平均長度，以cm為單位。

線圈的磁場結(jié)構(gòu)類似于單層環(huán)形線圈，要保證磁路是均勻和閉合的，減少空氣中的漏磁通量。要達(dá)到較高的傳輸效率，最基本的就是使發(fā)送線圈和接收線圈大小形狀相同。本設(shè)計采用型號0.45mm漆包銅線纏繞線圈，使其直徑約20cm同心圓、匝數(shù)在23圈左右，但線圈中心空露，線圈每一匝要更緊密，需要接受線圈與發(fā)射線圈匝數(shù)相同。耦合線圈如圖4，線圈為空心線圈，線圈外徑為20±2cm。

2.4 顯示模塊設(shè)計

通過顯示模塊可以直觀地查看電路的電流、電壓和功率變化。本設(shè)計采用INA194專用電流監(jiān)測器和字符式LCD顯示。INA194在5V供電時共模輸入電壓范圍高達(dá)80V，可以避免在調(diào)試過程中因輸出電壓生高而燒壞芯片。此芯片的瞬態(tài)響應(yīng)快，特別適合快速檢測。LCD顯示模塊可以用英文顯示較為清晰的提示和數(shù)字，基本可以滿足顯示要求。顯示模塊測試電路的電流、電壓和功率，方便觀察電路變化。

3 軟件設(shè)計

通過單片機(jī)程序給驅(qū)動電路高頻PWM波，驅(qū)動發(fā)射電路發(fā)射高頻信號給接收端。MSP430使用8MHZ外接晶振與XT2輸入口相連構(gòu)成高頻振蕩器，可使用MSP430單片機(jī)可以給驅(qū)動電路輸入任意頻率的PWM波，方便測試和提高效率。

4 總結(jié)

本設(shè)計是基于MSP430單片機(jī)控制的小型無線電能傳輸裝置，其涵蓋了主流單片機(jī)控制，磁耦合，高頻逆變，交直流轉(zhuǎn)換等技術(shù)，最終可以點亮接收端小燈，具有功耗低，效率高等特點。無線電能傳輸技術(shù)在理論和應(yīng)用中有很多的創(chuàng)新點，在近幾年漸漸受到人們的關(guān)注，吸引了越來越多的研究者。它具有安全、方便、無摩擦的優(yōu)點，會慢慢成為未來的關(guān)注熱點。

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作者單位

西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川省綿陽市 621010