磁耦合谐振式无线供电系统设计

李磊1 ,霍俊仪1,刘浩楠,12

 1.石家庄铁路职业技术学院，河北石家庄，050041；2.石家庄铁道大学，河北石家庄，050041

摘要：磁耦合谐振式无线供电技术具有传输距离远、功率大、效率高等特点，是无线供电技术领域主要研究热点之一。本文提出了基于STM32的磁耦合谐振式无线供电系统设计方案，介绍了系统硬件电路工作原理及软件设计。经测试，本系统具有无线传输功率大、效率高等优点。

关键词：无线供电；磁耦合谐振；逆变电路

1.系统功能

磁耦合谐振理论是近年来MIT在电能的无线传输方面获得的重大突破，它比基于电磁感应式理论的无线供电传输的距离更远，从毫米和厘米的级别跨越到了米的范围[1]，相比之下更能满足物联网时代对无线供电技术的需求。与基于微波理论的无线供电系统相比而言，磁耦合谐振无线供电效率有了很大的提高，减少了大功率的微波辐射对身体的伤害，成为无线供电系统研究的主要热点[2]。

系统硬件电路主要由系统控制模块、辅电源模块、逆变电路和负载电路构成，控制模块产生PWM波驱动控制大功率MOS管通断来形成高频交流电，高频交流经发射线圈将电能传送出去。受电端通过接收线圈以磁耦合谐振方式接收电能，经整流滤波电路为负载提供直流电能。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 系统等效模型

系统控制电路所需直流电源由工频交流经整流、稳压电路提供。供电端将工频交流整流、逆变为高频交流电传送到发送线圈，逆变后得到的激励源称为Uin。发射端采用的是LC串联方式，激励源直接作用的是LC回路。在高频条件下，电路可等效为电感、电容和电阻的二端口网络，在激励源Uin的作用下，发射回路的LC网络可等效为Rt、Ct、Lt。接收端的回路采用LC串联方式，同理，可将接收端等效为Rr、Cr、Lr。把系统接收端的负载等效为RD，两线圈的互感系数用M表示，等效电路模型如图2所示。

图2 系统等效电路模型

系统采用串联谐振的方式，串联谐振是一个电压振荡，电容和电感（线圈）上的电压是Q倍的半桥供电电压，所以在选择谐振电路的补偿电容时，要选择耐压值很高的电容，避免把电容击穿。图2中互感系数M求解公式如式2-1所示。

(2-1)

表达式中的x为两线圈的间隔，n为线圈匝数，μ0是磁导率，r是线圈的半径。互感系数表征了发射端和接收端的耦合程度，由表达式可以看出，互感系数与线圈半径成正比，与线圈距离成反比。由此可以初步判定，无线供电的传输距离与系统的收发线圈的半径大小相关[3]。

3 硬件电路设计

系统采用STM32F103C8T6作为控制器，供电端通过控制器输出PWM波控制TPS28225驱动半桥电路，将高频交流电送到发送线圈。受电端利用接收线圈通过磁耦合谐振方式接收供电端传送的电能，整流、滤波和稳压电路将电能转换为直流电供负载使用。发射端通过OLED屏幕能实时显示系统的频率和工作状态。

3.1辅电源电路

工频交流电经降压、整流将36V直流输入到TPS5430电源电路，TPS5430是一种高输出电流PWM转换器，集成了低电阻、高压侧N沟道MOSFET。基板上内置一个高性能电压误差放大器，在瞬态条件下提供严密的电压调节精度。5V电源电路如图3所示。

图3 5V电源电路

通过配置电路反馈电阻就可以设定输出的电压值，其输出电压值公式如式3-1所示。

(3-1)

线性电源电路利用稳压芯片AMS1117-3.3将DC5V转换为DC3.3V为STM32F103C8T6控制器提供电源。线性电源电路如图4所示

图4 线性电源电路

3.2 逆变电路

控制器输出PWM波经过高速比较器TLV3501整形，传送给半桥驱动芯片TPS28225，进而对MOS管进行驱动控制。MOS管的交替导通产生与PWM同频率的交流方波信号，半桥的负载为LC谐振电路。LC谐振电路具有选频作用，可以将上述方波信号转换为特定频率的正弦波传送到送电端发射线圈。控制器输出PWM波的频率为设备的谐振频率，这样发射线圈就能以最大的功率将电能传输出去。逆变电路如图5所示。

图5 逆变电路

3.3 整流滤波电路

受电端通过桥式整流电路将接收线圈耦合到的高频交流电转换成脉动直流，再经滤波、稳压电路得到稳定直流电供负载使用。整流滤波电路如图6所示。

图6 整流滤波电路

4 系统软件设计

上电后，系统初始化进入开机界面，通过CRR等寄存器计算PWM波输出频率保存在寄存器内，并通过液晶屏显示电路工作状态及相关参数。当系统检测到有按键按下时，根据按键信息进行PWM频率调节。当PWM波的频率为设备谐振频率时，发射线圈就能以最大的功率将电能传输出去。系统程序流程图如图7所示。

图7 程序流程图

5 小结

经测试，本系统可以通过磁耦合谐振电路进行电能的无线传输，显示屏可以显示PWM波频率及电路相关参数。当控制器输出PWM频率接近谐振频率300kHz时，受电端最大接收功率可以达到30W

。综上，系统具有传输功率大、效率高等优点。

[1]郭汪洋. 谐振式无线充电系统的研究与设计[D].西安工业大学,2022.DOI:10.27391/d.cnki.gxagu.2022.000721.

[2]史佳兰,蔡黎,代妮娜,谭泽富,朱海涛.电动汽车磁耦合谐振无线充电系统研究发展综述[J].电池工业,2022,26(04):190-192+197.DOI:10.19996/j.cnki.ChinBatlnd.2022.04.007.

[3]陈孝平. 基于磁耦合谐振式无线能量传输系统的线圈设计与研究[D].华东交通大学,2017.