可植入式磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)研究

劉新竹，程欣

（武昌工學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北武漢，430000）

1 總體方案設(shè)計(jì)

可植入磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)包括振蕩模塊和驅(qū)動(dòng)模塊、發(fā)射線圈和接收線圈、整流模塊和濾波模塊。其中高頻振蕩電路為系統(tǒng)提供高頻振蕩脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，整流電路和濾波電路是對(duì)接收端接收的信號(hào)進(jìn)行處理并最終輸出到負(fù)載。發(fā)射線圈和接收線圈是具體進(jìn)行電磁能量的傳輸部分。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)射電路模塊與接收電路模塊所產(chǎn)生的諧振頻率相同，并且發(fā)射端在特定的諧振頻率下產(chǎn)生信號(hào)傳輸所需的交變電磁場(chǎng)，發(fā)射部分的元器件在這個(gè)交變磁場(chǎng)下可以產(chǎn)生自諧振。當(dāng)接收端讓發(fā)射裝置距離越來(lái)越近的時(shí)候，接收裝置隨著發(fā)射裝置產(chǎn)生自諧振，接收裝置不斷集合能量，之后傳輸給負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線諧振傳輸。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 振蕩模塊設(shè)計(jì)

振蕩模塊使用基于NE555定時(shí)器組成的高頻振蕩電路，來(lái)產(chǎn)生較高的頻率且具有占空比的振蕩信號(hào)。要使得振蕩模塊輸出高頻振蕩信號(hào)，就要求555 定時(shí)器工作在非穩(wěn)態(tài)的方式下。

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，對(duì)555 定時(shí)器的1 引腳進(jìn)行接地處理，2 引腳連接到一個(gè)0.001μF 的電容并且連接到地。3 引腳作為高頻振蕩電路的輸出，為之后的驅(qū)動(dòng)電路部分提供PWM信號(hào)。將3 引腳的外部連接到元件指示LED 燈的負(fù)極，指示LED 燈的正極上拉1000Ω 的電阻到VCC，當(dāng)看到燈光的閃爍，表明555 定時(shí)器產(chǎn)生了PWM 信號(hào)。4 引腳接到高電平，在電路正常工作的情況下，無(wú)需對(duì)555 定時(shí)器進(jìn)行重置。5 引腳外接一個(gè)100 000pF 的電容然后連接到地。6 引腳與2 引腳一樣處理，連接到同一個(gè)0.1μF 的電容到地。7 引腳是放電端，將它連接到電位器2 的劃片上。8 腳作為電源輸入端，將它連接到VCC 上。

從圖2 可以看出，高頻振蕩信號(hào)是從555 芯片的引腳3 輸出。在接通電源后電容C1 就會(huì)被充電，當(dāng)電壓上升到VCC 的三分之二時(shí)，輸出電壓低電平，與此同時(shí)，三極管被導(dǎo)通，此時(shí)電容放電使其電壓下降，當(dāng)電壓下降達(dá)VCC的三分之一時(shí)，輸出電壓就變?yōu)榱烁唠娖?。電容放電所需時(shí)間tpL其計(jì)算公式表達(dá)如下：

圖2 高頻振蕩電路接線原理圖

其中，R2-電位器2 的取值，其范圍在0 到10kΩ 之間；C-電容C1 的電容值。

當(dāng)放電結(jié)束后，555 定時(shí)器內(nèi)部三極管被截止，電容C1 又會(huì)被充電，所需時(shí)間tpH其計(jì)算公式表達(dá)如下：

其中，R1-電位器1 的取值，其范圍在0 至10kΩ 之間；C-電容C1 的電容值。

在電路的輸出端可以獲得周期矩形波信號(hào)，它的振蕩頻率計(jì)算公式表達(dá)如下：

通過(guò)公式計(jì)算及查閱相關(guān)資料，得出振蕩電路輸出信號(hào)。

從圖3 可以看出，輸出的信號(hào)是高低電平相間的方波信號(hào)。如要調(diào)節(jié)占空比，可以通過(guò)改變電路中的兩個(gè)電位器R1 和R2 的阻值的大小。

圖3 高頻振蕩電路波形圖

■2.2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分采用功率放大器IRF640N 和并聯(lián)諧振回路構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路連接圖如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路連接圖

從圖4 可以看出，將由高頻振蕩電路產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)接入IRF640N 的柵極g 極，將s 極源極連接到地起到保護(hù)元件的作用，d 極漏極接入到并聯(lián)諧振回路的負(fù)端中去。這樣就完成了IRF640N 的電路連接。并聯(lián)諧振回路是將兩個(gè)電容并聯(lián)之后，再與耦合線圈并聯(lián)，就構(gòu)成了可以產(chǎn)生諧振的并聯(lián)諧振回路。

在并聯(lián)諧振電路中，如果電容器電流與線圈的電流是相等的，達(dá)到并聯(lián)諧振的狀態(tài)。在此電路中，除了LC 并聯(lián)部分以外，其他部分對(duì)能量消耗的影響不大。

■2.3 線圈模塊設(shè)計(jì)

在無(wú)線電能系統(tǒng)中，傳輸工作效率、傳輸功率和傳輸距離等因素與設(shè)計(jì)適宜的線圈存在非常密切的關(guān)聯(lián)。該部分在整個(gè)系統(tǒng)中主要起到的功能是將電能轉(zhuǎn)化為交變磁場(chǎng)能量，再將空間中交變磁場(chǎng)能量變換成接收端的電能。圖5 為收發(fā)線圈實(shí)物圖。

圖5 收發(fā)線圈實(shí)物圖

本設(shè)計(jì)采用直徑為1mm 的銅芯漆包線，按照直徑為16cm 的圓環(huán)形狀，纏繞四圈而制作成的接收和發(fā)射線圈，進(jìn)行測(cè)量得到電感約18μH 左右。對(duì)于不同種類和組成方式的線圈，其電感量的計(jì)算公式不同，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)線圈時(shí)，線圈電感L 的大小計(jì)算公式表達(dá)如下：

其中，N-線圈匝數(shù)；μ0-真空磁導(dǎo)率，其值為4π×10-7H/m；r-線圈半徑；a-線圈導(dǎo)線半徑。

線圈之間的電容計(jì)算公式表達(dá)如下：

其中，a-線圈導(dǎo)線半徑；r-線圈半徑；h-收發(fā)線圈圓心之間的距離。

■2.4 整流濾波電路設(shè)計(jì)

使用耦合線圈無(wú)線傳遞的是交流信號(hào)，而可植入式無(wú)線電能傳輸?shù)妮敵鲂枰氖禽^為平滑的直流電。這就要求把接收到的交流電轉(zhuǎn)換成可以給予輸出端使用的直流電。

整流濾波電路采用單相橋式整流電路，選擇的是1N4007 整流二極管來(lái)組成接收模塊的單相橋式整流電路。單相橋式整流電路可以把電流流動(dòng)方向在電磁場(chǎng)交替變化的環(huán)境中變成只有一個(gè)方向的脈沖直流電。

濾波電路要求具有較大的電容，需要選擇電容容量較大的電解電容作為濾波電路的濾波電容。在電路中，還可以吸收交流電源輸出電流波動(dòng)和串?dāng)_。設(shè)置濾波電容將使電子電路的性能更加穩(wěn)定，減少交流紋波對(duì)電子電路的干擾。濾波電容的選取計(jì)算公式表達(dá)如下:

圖6 整流濾波電路設(shè)計(jì)圖

其中，C-濾波電容的取值；T-周期，單位為秒，與頻率f 是倒數(shù)關(guān)系。

■2.5 電源指示模塊設(shè)計(jì)

從圖7 可以看出，電源指示模塊由輸入端口、濾波電容、電阻和LED 燈構(gòu)成，其中輸入端口是用來(lái)輸入5～15V 的電壓為電路提供電能。100μF 的電容C9 是用來(lái)濾去雜波和防止串?dāng)_現(xiàn)象的，C9 的正極接到電路的正端，負(fù)極接到電路的負(fù)端。LED 燈是用來(lái)指示有電源輸入，1000Ω 的電阻R2是用來(lái)保護(hù)LED 燈。

圖7 電源指示模塊設(shè)計(jì)圖

3 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)測(cè)試

從圖8 可以看出，當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)，電源指示燈LED1就會(huì)被點(diǎn)亮，表示電路接收到了初始電信號(hào)，開(kāi)始工作。LED2 是可以檢測(cè)到振蕩信號(hào)的存在，會(huì)有閃爍的現(xiàn)象發(fā)生。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖

（1）線圈間距離對(duì)耦合諧振強(qiáng)度的影響

從圖9 可以看出，當(dāng)系統(tǒng)中線圈在同一平面中心距離為8cm 時(shí)，輸出端的兩個(gè)串聯(lián)在一起的LED 燈會(huì)被點(diǎn)亮，表示接收端接收到了發(fā)射端傳輸?shù)碾娦盘?hào)，系統(tǒng)正常工作。

圖9 系統(tǒng)中線圈距離為8 厘米時(shí)實(shí)物圖

當(dāng)系統(tǒng)中線圈在同一平面中心距離為5cm 和3cm 時(shí)，輸出端的兩個(gè)串聯(lián)在一起的LED 燈的亮度提升了，表示接收端接收到發(fā)射端傳輸?shù)碾妷汉碗娏髟谠龃?，說(shuō)明線圈間距離減小時(shí)耦合諧振的強(qiáng)度也在增加。當(dāng)系統(tǒng)中線圈在同一平面中心距離為12cm 和15cm 時(shí)，輸出端的兩個(gè)串聯(lián)在一起的LED 燈的亮度降低了，表示接收端接收到發(fā)射端傳輸?shù)碾妷汉碗娏髟诮档?，說(shuō)明線圈間距離增大時(shí)耦合諧振的強(qiáng)度在減小。

（2）線圈位置偏移對(duì)電能傳遞的影響

從圖10 可以看出，當(dāng)系統(tǒng)中線圈位置有偏移時(shí)，輸出端的兩個(gè)串聯(lián)在一起的LED 燈的依舊可以被點(diǎn)亮，但是由于有偏移角度的存在，會(huì)讓燈光亮度有所下降。表示即使位置偏移，系統(tǒng)可以繼續(xù)傳遞電能。

圖10 系統(tǒng)中線圈位置偏移較小和較大時(shí)實(shí)物圖

（3）系統(tǒng)中線圈間加障礙物對(duì)電能傳遞的影響

從圖11 可以看出，當(dāng)系統(tǒng)中線圈中間加入了障礙物時(shí)，輸出端的兩個(gè)串聯(lián)在一起的LED 燈的亮度與沒(méi)有障礙時(shí)亮度相差不是特別明顯，表示即使存在阻礙物，系統(tǒng)仍舊可以繼續(xù)傳輸電能。

圖11 系統(tǒng)中線圈間加障礙物實(shí)物圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文以小功率的可植入式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行研究，給出了總體方案設(shè)計(jì)及硬件電路設(shè)計(jì)。進(jìn)行了無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)試，研究了線圈間距離對(duì)耦合諧振強(qiáng)度的影響、線圈位置偏移對(duì)電能傳遞的影響、系統(tǒng)中線圈間加障礙物對(duì)電能傳遞的影響。可植入式磁耦合諧振無(wú)線傳輸系統(tǒng)體積小、效率較高、成本低。