基于E类功放的无线电能传输装置设计

基于E类功放的无线电能传输装置设计
【摘要】无线电能传输装置以能量变换为基础，通过磁共振方式传输能量。

前级采用软开关的E类功放和最适频率调节电路，将直流电逆变为交流电并通过空心线圈发射能量，最适频率自动调节保证系统效率达到最高。

后级LC串联谐振，经过整流电路为负载提供能量。

E类拓扑能够实现最高效率的无线能量传输，可以有效的解决物联网中的各种传感器供电的问题，摆脱大量电池更换的烦恼，本系统更能方便的实现单点发射、多点接收的功能，整个系统电路简洁，稳定可靠，克服传统有线传输方式的弊端，在改善能量供应方式上突显出强大优势。

【关键词】E类功放;最适频率调节;高效率;无线电能传输
一、引言
与传统的电力传输不同，无线电能传输（Wireless Power Transmission，WPT）也称无线电力传输或无线功率传输。

它通过能量转换和空间辐射来实现。

WPT 主要通过电场耦合、电磁感应、磁共振、无线电波四种方式来实现非接触式的电能传输，被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。

近年来国内外各研究机构（如日本产学研国际中心，英国剑桥SplashPower 公司），相继研发出了短距离无线供电产品。

美国的Powercast公司开发出的无线充电技术，可为各种耗电量相对较低的电子产品（如手机、汽车零部件）充电或供电。

Powercast公司计划推出数百万个无线充电器。

该技术得到如此青睐，虽然目前在远距离、高效率仍处于瓶颈，但不久的将来一定会攻克，无线电能传输将开辟人类的一个新纪元。

在理解无线电能传输的基础上，本装置采用E类功放完成能量转换，发射与接收线圈以磁共振方式传输能量，非接触式地为负载提供电能，以满足摆脱移动设备电源线的束缚，实现电能无线传输的愿望。

二、基本原理
系统电路整体框图如图1所示，主要由前级能量变换装置（和最适频率自动调节电路）通过空心线圈将能量传送，和后级采用同样空心线圈的接收能量装置并对能量进行合理转化两部分组成，两个分离的电气部分通过磁共振方式实现能量无线传输。

本系统可分为4个模块组成，下面分别详细介绍每个模块：
图1 系统电路整体框图
（一）能量变换模块
E类功率放大器[1]是一种高效率的软开关类功放，理想开关管的电流波形和电压波形没有重叠，不消耗功耗，所以理想E类功放的效率可达100%。

E类功
率放大电路前、后半周期原理图如图2所示，当开关管导通时谐振频率：品质因数：
开关管断开时：
品质因数：
E类逆变器的开关频率总是要满足，对应的有。

L1为射频扼流圈（一般取值大于10倍的L2），L2、C2构成串联谐振回路（本系统L2采用空心线圈），C1是场效应管输入电容，为分布电容和外界电容的总和（见图2）。

（二）无线传输模块
发送、接收模块采用相同的LC谐振频率以磁共振的方式进行能量传输，相比其他方式，磁共振无需线圈间的位置完全吻合，即可实现能量高效长距离传输。

LC谐振有串、并联两种形式。

由于发送模块前级连接E类功放，所以发射模块只能采用LC串联形式，接收模块则可以有两种谐振方式，理论分析，接收模块采用并联LC谐振方式则后级近似为恒流源，采用串联LC谐振方式则后级近似为恒压源。

图2 E类功放前（左）、后（右）周期原理图
（三）最适频率自动调节模块
采用磁共振方式无线传输，理论上需将开关频率、发射、接收谐振频率一致，但实际中，由于空心线圈、电容等器件误差的存在和环境等因素的影响，经过实验证明，开关频率需略低于发射、接收谐振频率，效率才会达到最高点。

结果证实，当发射模块的功率达到最大时，系统的效率最高。

因此，本系统采用MCU 检测电路中的电压、电流，通过闭环控制自动寻找最适的开关频率使得效率达到最，省去了接收模块的MCU检测模块，进一步防止了效率的损失。

（四）整流、滤波、斩波模块
接收模块经LC谐振回路将发射模块的能量接收，要根据不同负载的需求，选取适当的整流、滤波、斩波电路[2]。

不同的后级整流电路，因寄生电容等参数的存在，将改变接收模块的LC谐振频率，从而影响磁共振的无线传输效率[3]。

图3 前级硬件原理图
三、硬件电路实现
前级硬件原理图如图3所示，系统由15V直流电输入，通过L1、L2、C1、C2以及MOS构成的E类功放电路实现从直流到交流的逆变，L2、C2组成的谐振回路分别取值为72uH、11nF，L2采用0.1*200的李兹线绕制成直径为20cm 的空心线圈，C2采用2个22nF的100V耐压值的CBB电容串联，其串联后耐压值增加一倍，电容值为11nF，经计算可知，系统
的谐振频率约为179KHz。

扼流电感L1采用铁硅铝材质的磁环，绕制成1mH 的电感。

本设计采用TI公司的低功耗MCU--MSP430F6638控制UCC27211 MOS 驱动器驱动MOS（CSD19531，VDS为100V，Id为105A，Rds（on）为7.7mΩ）。

旁路电容C1的容值将决定电路的工作状态，如果逆变器工作在最优状态，其输出功率为最大值。

结合MOS的寄生电容和经过多次测量得知此设计最佳工作状态下的C1的值为22nF。

一般而言，线圈工作的工作频率需要略低于其固有频率，而开关频率本系统采用通过输入20mΩ的采样电阻进行电流采样，INA282将采样的差分信号放大50倍送往MCU，MCU处理输入功率变化信息，不断调节驱动MOS的PWM频率至最适点，闭环控制使效率达到最高。

后级硬件原理图如图4所示，接收谐振电路L3、C3与发射谐振电路L2、C2取值、取材完全相同，目的是确保谐振频率点完全相同。

后级经过全桥整流、电容滤波后给负载供电。

图4 后级硬件原理图
四、仿真与测试
用MATLAB-Simulink仿真[4]，对于不同的C1值仿真出现截然不同的结果，最终确定C1的最合适值为22uF，不同C1值对于的发射线圈波形见图5。

图5 不同C1值对应发射线圈波形
本系统在无线传输距离为10cm、输入直流电压为15V、接收端输出直流电流为0.5A时，硬件改变引起频率自调节，整机效率最高可达75%。

并可以点亮10个1W串联的白色高亮LED，也能够实现单点发射、多点接收的功能。

整机测试数据如表1所示。

表1 整机效率测试数据
自调节频率（KHz）187 188 189 190 191 192
输入电压（V）15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0
输入电流（A）0.50 0.52 0.61 0.57 0.51 0.59
输出电压（V）10.23 11.15 13.75 12.66 10.41 13.02
输出电流（A）0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50
效率（%）68 71 75 74 69 73
五、结语
本系统由基于E类功放的能量变换模块、无线发送、接收模块、最适频率自动调节模块和整流、滤波、斩波模块四部分组成，实物测试结果表明该电路可以高效率的实现无线电能传输，并能够实现单点发射、多点接收的功能。

本设计为无限供电技术的进一步推广与应用奠定良好基础，为物联网的进一步发展提供支持，当人类解开电线的束缚时，我们将迎来一个全新的世界。

参考文献
[1]董佳兴，薛新.高效E类功率放大器的设计[J].通信对抗，2006.
[2]王兆安，黄俊. 电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2004.
[3]眭聿文.负载网络参数对E类放大器输出电压的影响安徽理工大学学报（自然科学版）[J].2004.
[4]张志涌.精通MATLAB6.5版[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.。