2018Multisim仿真-无线电能传输项目设计

无线电能传输项目设计

一预备知识

（一）项目设计的目的：

（1）在实践中对现代电工技术的理论知识做进一步巩固；

（2）锻炼对综合运用能力。

（二）实验内容和要求：

在不采用专用器件（芯片）的前提下，设计一个非接触供电系统。原理电路如下图所示，实现对小型电器供电或充电等功能。

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（三）要求

用仿真软件对电路进行验证，使其满足以下功能：

（1）供电部分输入36V以下的直流电压，具有向多台电器设备非接触供电的功能。

（2）在输出功率≥1W的条件下，转换效率≥15%，最大输出功率≥5W。

（3）设计报告必须包括建模仿真结果

（4）利用multisim生成PCB板

二无线电能传输技术

（一）无线能量传输技术介绍

根据电能传输原理，可将 WPT 技术分为三种：射频或微波 WPT、电磁感应式 WPT、电磁共振式 WPT，下面分别予以介绍。

1微波无线能量传输

所谓微波 WPT，就是以微波(频率在 300MHz-300GHz 之间的电磁波)为载体在自由空间无线传输电磁能量的技术。利用微波源将电能转变为微波，由天线发射，经长距离的传播后再由天线接收，最后经微波整流器等重新转换为电能使用。

微波频率传输所具备的“定向、可穿透电离层”等特性，使得该能量传送方式早在20世纪60年代初期就受到人们的关注，并在远程甚至超距能量传输场合有着重要的应用价值。微波WPT主要用于如微波飞机、卫星太阳能电站等远距输电场合，其中卫星太阳能电站作为人类应对能源危机的有效策略已成为美国、日本等国大力发展的重要航天项目。

目前，限制微波 WPT 技术进一步发展的主要技术瓶颈在于高效微波整流器件、大功率微波天线以及大功率微波电磁场的生物安全性和生态环境的影响问题。然而，由于工作频率高、系统效率较低，微波 WPT 并不适合于能量传输距离较短的应用场合。

2电磁感应式无线能量传输

电磁感应式 WPT 是基于电磁感应原理，利用原、副边分离的变压器，在较近距离条件下进行无线电能传输的技术。目前较成熟的无线供电方式均采用该技术，典型的应用包括新西兰国家地热公园的 30kW 旅客电动运输车、Splash power 公司的无线充电器等。可以看出，无论是小功率的消费类电子产品还是大功率 EV 无线供电系统，电磁感应式 WPT 技术都可有效实现无线供电。

然而，电磁感应式 WPT 仍存在一系列问题：传输距离较短，距离增大时效率急剧下降；传输效率对非接触变压器的原、副边的错位非常敏感等等。

3电磁共振式无线能量传输

电磁共振式 WPT，是美国 MIT Solja i 领导的研究小组在 2007 年提出的突破性技术。他们使用两个固有谐振频率相等的铜线圈(为方便表述，称其为“变压器”)，在共振激励条件下(即激励频率等于线圈的固有谐振频率)，距离2m 处，成功点亮了一个 60W的灯泡，其中变压器的效率达到了 40%。

压器绕组间错位的敏感度减小，长野日本无线公司给出了原、副边绕组相互垂直的实验图片；此外，利用共振模式对激励频率要求的严格性，可通过合理设置激励频率，向指定电器供电，提高安全性。然而，目前该方向的研究要么过于理论化，要么为实验研究，缺乏对应用、工程设计有定量指导意义的研究成果，但毋庸置疑，电磁共振式 WPT因为能量的高效耦合将成为 WPT 技术的一个重要研究方向。

综上所述，与非接触感应式充电技术相比，磁耦合谐振式无线能量传输的传输距离更有优势；与电磁波形式的无线能量传输技术相比，磁耦合谐振式无线能量传输具有无敏感的方向性、无辐射等优点。

（二）磁耦合谐振式无线能量传输系统

1能量传输系统的构成

能量传输系统包括电源端与负载端两部分。电源端包含导线绕制并与电容并联的线圈(源线圈)，以及为线圈提供电能的高频电源；相隔一段距离的接收端包含另一个导线绕制并与电容并联的线圈(接收线圈)，以及消耗线圈电磁能的负载。

2能量传输系统的工作原理

导线绕制的线圈可视为电感与电容相连构成谐振体，谐振体包含的能量在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，产生以线圈为中心以空气为传输媒质的时变磁场；与该谐振体相隔一定距离的具有相同谐振频率的谐振体感应磁场，所感应的磁场能同样在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，同时两个谐振体之间不断地有磁场能交换，因此产生以两个线圈为中心以空气为媒质的时变磁场。

两谐振体内电场能与磁场能振荡交换的同时谐振体之间也存在着以相同频率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。

三系统方案设计

无线供电系统由电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射、接收线圈和高频整流滤波电路五部分组成。非接触供电系统框架如下图1所示，最后给可充电电池充电。从无线电路传输的原理上看，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首先要有电磁振荡，电磁波的频率越高其向空间辐射能力的强度就越大，电磁振荡的频率至少要高于100kHZ，才有足够的电磁辐射。

图1 非接触供电系统框图

（一）高频振荡电路设计

1设计方案

方案一：采用LC谐振回路产生所需的频率。优点是可以产生任意所需载波，缺点是频率稳定度比较低（见图2）。

方案二：采用有源晶振。有源晶振只要加上电源就可以产生频率稳定的载波。优点是电路简单，频率稳定。缺点就是不能产生任意频率的载波（见图3）。

方案论证：本设计对频率没有具体要求，而且无需产生多个频率，所以采用方案二。而且具有电路简单，频率稳定的有点。

图2 LC谐振回路

图3 晶振电路

2晶振电路的工作原理

晶振是晶体振荡器的简称。它用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振在数字电路的基本作用是提供一个时序控制的标准时刻。数字电路的工作是根据电路设计，在某个时刻专门完成特定的任务，如果没有一个时序控制的标准时刻，整个数字电路就会成为“聋子”，不知道什么时刻该做什么事情了。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电

路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分成有源晶振和无源晶振两个大类。

3晶体振荡器仿真

图4晶体振荡器仿真

经过大概测算，晶体振荡器在输出频率在1.5MHz左右，电路图达到预期目的。

（二）功率放大器设计

利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电

流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。

1功率放大器原理

高频功率放大器用于发射级的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收级可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。

2功率放大器分类

功率放大器可分为A类放大器、B类放大器、AB类放大器、D类放大器及T 类放大器等五大类。

A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。由于效率比较低现在设计基本上不在再使用。

B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示)，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时， Q1 Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效

率较高，晶体管功耗较小的特点。

D类放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。

1．具有很高的效率，通常能够达到85%以上。

2．体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

3．无裂噪声接通。

4．低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。它和普通D类功率放大器不同的是：1、它不是使用脉冲调宽的方法，2、它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上,3、T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。

3设计方案

方案一，采用集成芯片。现有许多高频大功率的集成放大器(如AD815)可以用来设计高频功放。集成功放具有稳定度高，需要调整的参数少的特点，缺点是效率较低（集成功放一般采用线性放大），不满足系统对功耗及传输距离的要求。

方案二，采用分立元件的功率放大器。采用分立元件的高频电路受分布参数影响大，而且不易调整，但其电路结构比较灵活，对应于不同要求的信号，可以设计不同结构的放大器以获得最大的效率，而且输出功率可以设计的较大，价格也相对低廉。采用功放管，前级的缓冲级，一是控制能量发射模块的增益，二是给提供足够的驱动功率。

方案论证：

本题目要求不能采用专用芯片和模块。能量发射模块功率上限为5W，需要较大功率的功放管，故选用方案二。

图5 功率放大器原理电路图

图6 功率放大器仿真（三）整流电路设计

图8 桥式整流电路

2设计方案

半波整流电路最为简单，但是性能较全波整流和桥式整流不好。桥式整流电路与全波整流电路相比，前者电源变压器五中心抽头，结构简单，且伏安容量小。综此比较，整流电路选择桥式整流电路，桥式整流电路图见图8。

3整流电路仿真

图9整流电路

图10整流前后对比

（四）耦合线圈

磁耦合谐振式无线能量传输是以时变磁场为媒介，当外加激励源的频率与

系统的谐振频率相等时，谐振体耦合谐振实现能量传递达到最好状态。因此，两谐振体谐振频率相同，是实现系统耦合谐振的前提。

耦合模理论，不计损耗情况下，具有相同谐振频率的谐振体之间可实现能量的完全交换；当κ>>τ时，即耦合能力远大于自身损耗的情况下，具有相同谐振频率的谐振体之间“强耦合”作用，可实现无线能量传输。

耦合系数体现了谐振体之间的耦合能力，对实现无线能量传输起到至关重要的作用。损耗系数在能量传输系统中的作用丝毫不逊于耦合系数，二者共同决定了系统的耦合程度。系统中损耗功率增加，则通过磁场从一端耦合到另一端的功率所占比重减小，因此，损耗系数的减小与耦合系数的增加均可以增大系统的耦合程度。

1线圈电感

从几何形状看，线圈的种类繁多，如圆形线圈、方形线圈、环形线圈等。相对于其他几何形状的线圈，圆柱线圈具有的最大优势在于：每单位体积绕线所产生的磁场最大。

对于采用密绕的圆柱单层螺旋线圈，导线采用电导率较大的铜芯漆包线，以减小线圈自身电阻。根据传输距离、功率的不同要求，采用不同尺寸的线圈。

密绕环形电感线圈的电感可由下式计算：

2线圈互感

磁耦合谐振式无线能量传输是多方位的能量传输，谐振体(谐振线圈)之间没有严格的方向对应关系，又线圈互感与线圈的尺寸、方位有关。

同轴平行的线圈之间的互感图9中线圈模型的互感计算：

式中 N1,2——分别为线圈 1,2 的匝数；r1,2——分别为线圈1,2的半径；d——两线圈两轴线中心距离。

图11同轴平行的线圈模型

3传输系统的最佳频率范围

两个谐振线圈的尺寸完全相同，谐振电容相等，且谐振线圈在同轴线上“强耦合”关系式：

式中μ0——真空磁导率，μ0=4π×10-7；σ——取铜导线的电导率σ铜=5.998×107S/m。

中距离的无线能量传输，线圈半径 r 与传输距离 d 是同一数量级的，线圈导线线径 D 为是 10-3m 数量级。因此，若要“强耦合”(κ>>τ)关系式成立，则系统的谐振频率 f 至少为 106Hz上下。另一方面，磁耦合谐振无线能量传输系统是以时变磁场为传输媒介，不向外辐射电磁能，所以电磁波长远大于传输距离(λ>>d)。中距离无线能量传输的距离传输范围大体为几十厘米到几米，因此能量传输系统典型频率 f 范围为0.5~25MHz 最好。

四方案实现与测试

根据上章原理，运用multisim仿真实现方案的设计。

（一）系统整体电路

图12非接触供电系统电路原理总图

（二）系统各部分电路

非接触供电系统由电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射、接收线圈和高频整流滤波电路五部分组成。

高频振荡电路

图14晶体振荡器仿真

图15 高频功率放大电路

图16 功率放大器仿真

图17高频整流滤波电路

图18整流前后对比

（三）仿真结果

（1）最大输出功率≥5W：

图20

输出最大功率大于5W，符合实验要求。

（2）供电部分输入36V以下的直流电压，具有向多台电器设备非接触供电的功能：

图21

以2V左右的直流电压，向两个LED灯非接触供电，符合要求。

（3）在输出功率≥1W的条件下，转换效率≥15%：

图22

由上可知输出功率大于1W,此时的转换效率约为38%>15%,符合要求。（四）实物

图23