基于SG3525的谐振式DC—DC无线电能传输模块的设计

    祖彦霞

    

    

    

    摘要：磁耦合谐振式无线电能传输具有传输距离远、效率大、功率高等特点，还能穿透障碍物传输，该技术的研究对于无线充电技术的发展具有重要意义。文章设计制作的磁耦合谐振式电能传输模块以SG3525芯片产生PWM控制的高频功率源，经物理上隔开的发射线圈与接收线圈实现无线能量的传输，接收电路再经整流和滤波，实现了DC-DC的无线电能传输。经测试，SG3525供电电压为15V且发射线圈与接收线圈间距为10厘米时，输出功率约为4W，传输效率约为46%；线圈间距最大为50cm时，仍可点亮LED灯。

    关键词：磁耦合谐振；SG3525；无线电能传输

    随着社会科学技术的飞速发展，人们的生活质量显著提高，各种可充电式电子产品普遍使用。传统的导线连接式充电设备有充电接口、插座等不便条件，急需找到一种更为方便的充电方式，于是无线电能传输技术应运而生。目前的无线供电技术按其原理大致可分为3类：感应耦合式、电磁波辐射式、磁耦合谐振式。磁耦合谐振式无论是在穿透性、安全性、传输方向性还是传输特性上面都具有较大的优势，这种传输方式成为国内外研究人士共同关注的热点，并具有良好的发展前景。

    1设计原理

    1.1磁耦合谐振技术

    磁耦合谐振技术是通过电磁耦合原理实现能量传输的，即让2个在一定距离范围内的、具有相同的谐振频率的物体产生共振。本装置由具有固有频率的2个收发线圈组成，当驱动信号频率与线圈的固有频率达到一致时，2个线圈就会发生谐振，谐振耦合回路的阻抗达到最小，这样便使得发射端的绝大部分能量通过谐振耦合传递到了接收端，完成了能量的传输。

    图1为磁耦合无线电能传输过程的示意图，系统能量转换的过程是先将电场能转化为磁场能，然后磁场能再转化为电场能。首先，高频输入信号由高频电源端产生后，先经过谐振电容，此信号将会在发射线圈发生电磁转换，由于中高频磁场的存在，收发线圈将会发生共振，最后，接收线圈的谐振回路再一次进行磁电变换后为负载供电，这样便实现了电能的无线传输。该系统的具体思想是：高频电源端产生一个和发射线圈、电容组成的谐振体的固有频率相同的高频输入信号，这时便产生了谐振，发射回路就将电能转换成分别储存在线圈电感和电容中的磁场能和电场能，而且大小相等，这时补偿电容和线圈电感周期性振荡的能量为平时工作频率的2倍。与此同时，将一个具有相同固有频率接收谐振体放置在发射端谐振体的磁场近区场范围内，由于互感耦合作用，接收线圈会产生一个相同频率的感应电流。这其实与用一个相同固有频率的外加激励源作用在接收谐振体而产生谐振是等价的。

    1.2本模块介绍

    系统输入直流15V电压，输出电压为8V，电流为0.5A。整个系统主要以SG3525为主控芯片，由PWM波产生电路、单管逆变电路、发射线圈、接收线圈、整流滤波电路和LED灯组成。当辅助电源给SG3525供电后，VT1及VT2输出相位相差180°的PWM波，产生的两路反向方波来控制MOSFET的导通与关闭，产生高频功率源，发射线圈通过磁耦合谐振将电能传送到接收线圈，经整流后给负载供电。系统整体框图2所示。

    2系统设计

    2.1发射模块

    （1）SG3525 PWM控制芯片。SG3525是一种单片集成PWM控制芯片。芯片内部包括软启动控制电路、欠压锁定电路、PWM锁存器。其特点是具有过流保护的功能，频率可以调节，并且还可以限制最大占空比，还有比较突出的一点就是其输出驱动的形式是推拉输出，从而使芯片的驱动能力有了很大提高。

    直流电源Vs从15脚接入后分成了两路，其一路加到了或非门；另外一路则被送到基准电压稳压器的输入端。振荡器的5脚和电容CT外接，6脚和电阻RT外接，而电阻RT和电容CT就决定了振荡器的频率。振荡器的输出也分为了两路，其一路以锯齿波形式输送到比较器的同相输入端，另外一路则以时钟脉冲的形式输送到双稳态触发器和2个或非门，误差放大器的输出则与比较器的反向输入端相连接。在比较器中，误差放大器的输出与锯齿波的电压进行对比，输出一个方波脉冲，此脉冲的宽度随误差放大器输出电压的高低而发生改变，随后将这一方波脉冲输送到或非门的其中一个输入端。而另2个输入端则连接的分别是双稳态触发器、振荡器锯齿波。双稳态触发器的2个输出是互补的，可以交替地输出高电平与低电平，再将PWM脉冲分别输送到三极管VT1和VT2的基极。而锯齿波的作用则是加入死区时间，以便保证三极管VT1和VT2是在不同时间导通的。这样三极管VT1和VT2就能够分别输出相位差是180°的PWM波。

    （2）PWM波的产生。PWM波的产生模块由辅助电源给SG3525提供+15V直流电压。16脚的基准电压为5.1V，其经电阻分压之后加在2脚，即误差放大器的同相输入端，电压反馈信号加在误差放大器的反向输入端，这样误差放大器就会产生一个放大的误差信号。而这一信号和频率幅值固定的产生于芯片内振荡器的锯齿波信号经PWM比较器后产生一个PWM信号，此PWM信号之后会通过位于芯片内部的数字电路，数字电路会将其处理成互差180°的两路PWM信号，这2个信号的频率是比较器中产生的PWM信号的1/2。随后这2个PWM信号会被芯片内部的电路进行放大处理，然后再分别从11脚以及14脚输出。如果输出电压发生改变，则芯片1脚上所获得的反馈电压会随之改变，位于芯片内部的误差放大器的输出也会发生改变。如此一来，PWM比较器所产生的PWM信号的占空比就会发生改变，从而引起11脚与14脚输出的PWM信号的占空比改变。故而，要使输出电压稳定，仅需采用合适的反馈电路。芯片15脚、12脚还有7脚分别与电源正端、大地以及电阻相连接，这样便构成了一个振荡器放电回路。还需要一个小电容与8脚相连以便实现软启动的功能。同时为了提高系统稳定性，9脚（PWM比较器补偿信号输入端）和l脚之间连接上接的电容电阻构成一个反馈网络。10脚外接高电平芯片输出将被禁止，这样起到过流保护的作用。

    （3）单管逆变。产生的两路反向方波控制MOSFET的导通与关闭，使其产生需要的高频功率源后，送到发射线圈。MOSFET驱动采用推挽方式，由于本设计采用推挽式功率变换电路，在输入回路中仅有一个开关的通态压降，产生的通态损耗较小，成本较低。电路结构如图3所示。

    2.2接收模块

    接收电路如图4所示，L3为接收线圈，通过并联谐振接收功率。C8，C9，C12，C13为电容，四个二极管构成整流桥，当接收线圈与C8，C9电容构成的谐振电路与发射线圈与电容构成的谐振电路产生共振时，开始进行无线电能的传输，通过整流桥后点亮LED灯。

    3结论

    本文提出了基于磁耦合谐振方式的DC-DC无线传输模块的设计，经实物测试，系统输出频率达到256KHZ，辐射间距为10cm时，输出功率接近4w，有效传输距离达0.5m。系统具有能耗低、效率高、电路简单和控制方便等特点，具有较好的可应用性。