本實(shí)用新型涉及無(wú)線電能傳輸裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置及其調(diào)諧方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在生活中充滿了電線，尤其是手機(jī)的數(shù)據(jù)線，而且數(shù)據(jù)線長(zhǎng)時(shí)間用還容易斷，從而造成的極大的資源浪費(fèi)。無(wú)線電能傳輸是一種通過空間電磁場(chǎng)耦合進(jìn)行電能傳輸?shù)募夹g(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是不需要插拔，使用簡(jiǎn)單方便；不會(huì)產(chǎn)生電火花，可以在易燃易爆的工業(yè)環(huán)境中使用；可以在水中進(jìn)行能量傳輸，可以應(yīng)用到海洋裝備等水下應(yīng)用中。伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，無(wú)線電能傳輸技術(shù)越來越備受關(guān)注，而在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上小功率的無(wú)線電能傳輸裝置普遍效率偏低，電路有時(shí)也不是很穩(wěn)定，這極大的增加了損耗，反而得不償失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，所要解決的技術(shù)問題為：提供一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸?shù)难b置。使用本實(shí)用新型，只需較少且常見的較為便宜的電器元件焊接到電路中及諧振調(diào)試即可，具有容易推廣的優(yōu)勢(shì)。

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置，包括發(fā)射端和接收端，所述發(fā)射端包括直流電源、全橋逆變電路、升壓電路、發(fā)射線圈、第一諧振電容，驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)射端單片機(jī)，所述接收端包括接收線圈、第二諧振電容，整流濾波電路、電流檢測(cè)電路、以及接收端單片機(jī)；所述直流電源的輸出端經(jīng)所述升壓電路后，與所述全橋逆變電路的直流輸入端連接，所述發(fā)射端單片機(jī)的信號(hào)輸出端與所述驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，所述驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與所述全橋逆變電路的信號(hào)輸入端連接，所述全橋逆變電路的交流輸出端串接所述發(fā)射線圈和第一諧振電容；所述整流濾波電路的交流輸入端串接接收線圈和第二諧振電容，所述整流濾波電路的直流輸出端外接負(fù)載，電流檢測(cè)電路的信號(hào)采集端與負(fù)載電阻連接，信號(hào)輸出端與接收端單片機(jī)連接，電流檢測(cè)電路用于檢測(cè)負(fù)載電阻的電流值并輸出到接收端單片機(jī)；所述發(fā)射端單片機(jī)用于根據(jù)所述電流檢測(cè)電路檢測(cè)到的電流值，調(diào)整輸出到驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)頻率和占空比。

所述升壓電路包括場(chǎng)效應(yīng)管V1、二極管D1、電阻R1和滑動(dòng)變阻器RX，直流電源的正端經(jīng)電阻R1、二極管D1和滑動(dòng)變阻器RX后與地連接，場(chǎng)效應(yīng)管V1的漏極與二極管D1的陽(yáng)極連接，場(chǎng)效應(yīng)管V1的源極接地，場(chǎng)效應(yīng)管V1的柵極與發(fā)射端單片機(jī)的信號(hào)輸出端連接。

所述驅(qū)動(dòng)電路包括第一IR2110驅(qū)動(dòng)器、第二IR2110驅(qū)動(dòng)器、二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9；所述全橋逆變電路包括場(chǎng)效應(yīng)管Q1、場(chǎng)效應(yīng)管Q2、場(chǎng)效應(yīng)管Q3、場(chǎng)效應(yīng)管Q4，場(chǎng)效應(yīng)管Q1的漏極和場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極連接后與滑動(dòng)變阻器RX的一端連接，場(chǎng)效應(yīng)管Q3的源極和場(chǎng)效應(yīng)管Q4的源極連接后與滑動(dòng)變阻器RX的另一端連接，場(chǎng)效應(yīng)管Q1的源極與場(chǎng)效應(yīng)管Q3的漏極連接后與所述第二IR2110驅(qū)動(dòng)器的VS輸出端連接，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極與場(chǎng)效應(yīng)管Q4的漏極連接后與所述第一IR2110驅(qū)動(dòng)器的VS輸出端連接；所述第一IR2110驅(qū)動(dòng)器的HO輸出端經(jīng)電阻R2后與場(chǎng)效應(yīng)管Q4的柵極連接，所述第一IR2110驅(qū)動(dòng)器的LO輸出端經(jīng)電阻R3后與場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極連接，所述第二IR2110驅(qū)動(dòng)器的HO輸出端經(jīng)電阻R4后與場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極連接，所述第二IR2110驅(qū)動(dòng)器的LO輸出端經(jīng)電阻R5后與場(chǎng)效應(yīng)管Q3的柵極連接；二極管D2與電阻R6串聯(lián)后并聯(lián)在電阻R2的兩端，二極管D3與電阻R7串聯(lián)后并聯(lián)在電阻R3的兩端；二極管D4與電阻R8串聯(lián)后并聯(lián)在電阻R4的兩端；二極管D5與電阻R9串聯(lián)后并聯(lián)在電阻R5的兩端，二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5的陰極連接在靠近驅(qū)動(dòng)電路的一端。

所述第一諧振電容與發(fā)射線圈串聯(lián)后，一端連接在所述場(chǎng)效應(yīng)管Q1的源極與場(chǎng)效應(yīng)管3的漏極之間，另一端連接在所述場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極與場(chǎng)效應(yīng)管Q4的漏極之間。

所述的一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置，還包括與接收端單片機(jī)連接的顯示器，所述整流濾波電路包括全橋整流電路和濾波電路，所述電流檢測(cè)電路包括電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13和運(yùn)算放大器V2，所述整流濾波電路的直流輸出正端經(jīng)負(fù)載電阻R、電阻R10后與所述整流濾波電路的直流輸出負(fù)端連接，電阻R11的一端連接在負(fù)載電阻R和電阻R10之間，另一端與運(yùn)算放大器V2的同相輸入端連接，運(yùn)算放大器V2的反向輸入端經(jīng)電阻R12接地，運(yùn)算放大器V2的輸出端經(jīng)電阻R13后與接收端單片機(jī)的信號(hào)輸入端連接，顯示器用于顯示電流值。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、本實(shí)用新型的一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置，在接收端設(shè)置電流檢測(cè)電路，通過電流檢測(cè)電路能實(shí)時(shí)檢測(cè)接收端的電流值，并通過改變發(fā)射端單片機(jī)內(nèi)編寫的程序中的頻率和占空比的數(shù)值來改變驅(qū)動(dòng)電路的輸出信號(hào)，進(jìn)一步達(dá)到控制并調(diào)整接收端輸出電流的目的，可以使提高無(wú)線電能傳輸裝置的轉(zhuǎn)換效率；

2、本實(shí)用新型的一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置，在發(fā)射端設(shè)置有升壓電路，通過發(fā)射端單片機(jī)來控制升壓電路中的場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)，可以提高全橋逆變的效率，是電路達(dá)到阻抗匹配從而達(dá)到最佳諧振，進(jìn)而提高傳輸效率；

3、本實(shí)用新型的一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置，使用的電器元件較為常見，價(jià)格實(shí)惠，具有容易推廣的優(yōu)勢(shì)。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提出的一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置的系統(tǒng)框圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提出的一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置的升壓電路圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提出的一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置的驅(qū)動(dòng)電路圖；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提出的一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置的全橋逆變電路圖；

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提出的一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置的接收模塊和電流檢測(cè)電路圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例；基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置，包括發(fā)射端和接收端，所述發(fā)射端包括直流電源、全橋逆變電路、升壓電路、發(fā)射線圈、第一諧振電容，驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)射端單片機(jī)，所述接收端包括接收線圈、第二諧振電容，整流濾波電路、電流檢測(cè)電路、以及接收端單片機(jī)；所述直流電源的輸出端經(jīng)所述升壓電路后，與所述全橋逆變電路的直流輸入端連接，所述發(fā)射端單片機(jī)的信號(hào)輸出端與所述驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，所述驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與所述全橋逆變電路的信號(hào)輸入端連接，所述全橋逆變電路的交流輸出端串接所述發(fā)射線圈和第一諧振電容；所述整流濾波電路的交流輸入端串接接收線圈和第二諧振電容，所述整流濾波電路的直流輸出端外接負(fù)載，電流檢測(cè)電路檢測(cè)所述整流濾波電路的直流輸出端的電流值，電流檢測(cè)電路的信號(hào)輸出端與接收端單片機(jī)連接；所述發(fā)射端單片機(jī)用于根據(jù)所述電流檢測(cè)電路檢測(cè)到的電流值，調(diào)整輸出到驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)頻率和占空比，直至所述電流檢測(cè)電路檢測(cè)到的電流值達(dá)到最大值。

具體地，如圖2所示，所述升壓電路包括場(chǎng)效應(yīng)管V1、二極管D1、電阻R1和滑動(dòng)變阻器RX，直流電源的正端經(jīng)電阻R1、二極管D1和滑動(dòng)變阻器RX后與地連接，場(chǎng)效應(yīng)管V1的漏極與二極管D1的陽(yáng)極連接，場(chǎng)效應(yīng)管V1的源極接地，升壓電路的端口11連接著發(fā)射端單片機(jī)MSP430的信號(hào)輸出端，場(chǎng)效應(yīng)管V1的柵極與發(fā)射端單片機(jī)的信號(hào)輸出端連接。通過發(fā)射端單片機(jī)設(shè)置程序給升壓電路中的MOS管輸入信號(hào)，再進(jìn)一步調(diào)試電路中的滑動(dòng)變阻器可以使電路達(dá)到阻抗匹配，可以使輸出到發(fā)射線圈的交流電壓更加接近電源的輸入直流電壓，進(jìn)而可以提高全橋逆變電路的逆變效率。

具體地，如圖3和圖4所示，所述驅(qū)動(dòng)電路包括第一IR2110驅(qū)動(dòng)器、第二IR2110驅(qū)動(dòng)器、二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9；所述全橋逆變電路包括場(chǎng)效應(yīng)管Q1、場(chǎng)效應(yīng)管Q2、場(chǎng)效應(yīng)管Q3、場(chǎng)效應(yīng)管Q4。

圖3中驅(qū)動(dòng)電路的四個(gè)波形輸出端口3、4、5、6分別與圖4中全橋逆變電路中的③、④、⑤、⑥端口相連接。圖3中驅(qū)動(dòng)電路中的端口7、8分別與全橋逆變電路中的連接發(fā)射線圈L1和第一諧振電容C1的端口⑦、⑧相連；而升壓電路的9、10端口分別連接著全橋逆變電路的⑨、⑩端口；也就是說，場(chǎng)效應(yīng)管Q1的漏極和場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極連接后與滑動(dòng)變阻器RX的一端連接，場(chǎng)效應(yīng)管Q3的源極和場(chǎng)效應(yīng)管Q4的源極連接后與滑動(dòng)變阻器RX的另一端連接，場(chǎng)效應(yīng)管Q1的源極與場(chǎng)效應(yīng)管Q3的漏極連接后與所述第二IR2110驅(qū)動(dòng)器的VS輸出端連接，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極與場(chǎng)效應(yīng)管Q4的漏極連接后與所述第一IR2110驅(qū)動(dòng)器的VS輸出端連接；所述第一IR2110驅(qū)動(dòng)器的HO輸出端經(jīng)電阻R2后與場(chǎng)效應(yīng)管Q4的柵極連接，所述第一IR2110驅(qū)動(dòng)器的LO輸出端經(jīng)電阻R3后與場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極連接，所述第二IR2110驅(qū)動(dòng)器的HO輸出端經(jīng)電阻R4后與場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極連接，所述第二IR2110驅(qū)動(dòng)器的LO輸出端經(jīng)電阻R5后與場(chǎng)效應(yīng)管Q3的柵極連接；二極管D2與電阻R6串聯(lián)后并聯(lián)在電阻R2的兩端，二極管D3與電阻R7串聯(lián)后并聯(lián)在電阻R3的兩端；二極管D4與電阻R8串聯(lián)后并聯(lián)在電阻R4的兩端；二極管D5與電阻R9串聯(lián)后并聯(lián)在電阻R5的兩端，二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5的陰極連接在靠近驅(qū)動(dòng)電路的一端。

其中，二極管D2、D3、D4、D5具有使場(chǎng)效應(yīng)管V1快速關(guān)斷的作用，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷時(shí)內(nèi)部的電容開始放電，可以通過這四個(gè)二極管快速放電，加快MOS管的關(guān)斷，而與四個(gè)二極管并聯(lián)的四個(gè)電阻R2、R3、R4和R5則起到了限流的作用，可以通過這幾個(gè)柵極電阻來對(duì)MOS管內(nèi)部柵極電容的充放電產(chǎn)生限流作用，進(jìn)而調(diào)節(jié)MOS管的開關(guān)速度。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路的低壓輸出端產(chǎn)生高電位、高壓輸出端產(chǎn)生低電位時(shí)，可以輸出方波，相反的，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路的低壓輸出端產(chǎn)生低電位、高壓輸出端產(chǎn)生高電位又可以產(chǎn)生方波。在全橋逆變電路中因?yàn)棰莺廷凼峭瑸榉讲ǖ母叨嘶蛘叩投耍芎廷奘峭瑸榉讲ǖ母叨嘶蛘叩投?，進(jìn)而使該電路產(chǎn)生對(duì)角的兩端同時(shí)開斷，來使輸入逆變電路的直流電變?yōu)榻涣麟娡ㄈ刖€圈和諧振電容中，使流入的交流電為正負(fù)VCC數(shù)值的電壓從而達(dá)到兩倍VCC數(shù)值的電壓輸入線圈中來提高效率。

進(jìn)一步地，如圖4所示，所述第一諧振電容C1與發(fā)射線圈L1串聯(lián)后，一端連接在所述場(chǎng)效應(yīng)管Q1的源極與場(chǎng)效應(yīng)管3的漏極之間，另一端連接在所述場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極與場(chǎng)效應(yīng)管Q4的漏極之間。

進(jìn)一步地，本實(shí)施例的一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置還包括與接收端單片機(jī)連接的顯示器，所述整流濾波電路包括全橋整流電路和濾波電路，如圖5所示，所述電流檢測(cè)電路包括電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13和運(yùn)算放大器V2，所述整流濾波電路的交流輸入端串接接收線圈L2和第二諧振電容C2，所述整流濾波電路的直流輸出正端經(jīng)負(fù)載電阻R、電阻R10后與所述整流濾波電路的直流輸出負(fù)端連接，電阻R10的一端經(jīng)電阻R11與運(yùn)算放大器V2的同相輸入端連接，運(yùn)算放大器V2的反向輸入端經(jīng)電阻R12接地，運(yùn)算放大器V2的輸出端經(jīng)電阻R13后與接收端單片機(jī)MSP430的P6.1端口連接，顯示器用于顯示電流值。通過電流檢測(cè)電路和接收端單片機(jī)可以檢測(cè)負(fù)載端電流的穩(wěn)定性，然后通過改變發(fā)射端單片機(jī)程序中編寫頻率和占空比的數(shù)值來調(diào)控頻率和占空比，可以使電流使接收端的負(fù)載電阻中的電流穩(wěn)定到一個(gè)數(shù)值。具體地，單片機(jī)連著1602顯示器，可以顯示與負(fù)載電阻串聯(lián)的小電阻流過的電流即輸出電流，然后通過更改發(fā)射端單片機(jī)程序中編寫頻率和占空比的數(shù)值，來控制和改變負(fù)載兩端輸出電流，或者改變負(fù)載兩端電阻值的大小來改變電流進(jìn)而改變功率提高效率。

本實(shí)用新型實(shí)施例還提供了一種小功率中距離磁耦合無(wú)線電能傳輸裝置的調(diào)諧方法，包括以下步驟：

（1）固定發(fā)射端和接收端線圈的匝數(shù)，不斷調(diào)試接收端的第二諧振電容的電容值，使在固定距離下，接收端的功率達(dá)到最大，記錄此時(shí)第二諧振電容的電容值C02；

（2）在第二諧振電容所在電路中串聯(lián)電容值大于C02的電容，若接收端的功率增加，則繼續(xù)串聯(lián)電容，并使串聯(lián)電容的電容值逐漸增加，直至接收端的功率逐漸增加到不再增加；

（3）不斷調(diào)試發(fā)射端的第一諧振電容的電容值，使在固定距離下，接收端的功率達(dá)到最大，記錄此時(shí)第儀諧振電容的電容值C01；

（4）在第一諧振電容所在電路中串聯(lián)電容值大于C01的電容，若接收端的功率增加，則繼續(xù)串聯(lián)電容，并使串聯(lián)電容的電容值逐漸增加，直至接收端的功率逐漸增加到不再增加；

（5）調(diào)節(jié)升壓電路中的滑動(dòng)變阻器的阻值，直至接收端的功率增加到不再增加。

其中，在調(diào)試接受端的諧振電容C2時(shí)，首先需要不斷地改變第一諧振電容的容值，使在固定距離下輸出功率達(dá)到最大，由于電容容值的不連續(xù)性，以及電路中電容、電感、品質(zhì)因素等的影響，當(dāng)該電容數(shù)值達(dá)到接近最適宜的值時(shí)，通過串聯(lián)更大電容值使可以使電路更加接近諧振，然后再串聯(lián)一個(gè)電容值更大的電容，例如電容值為C01的100倍的電容，可以讓總電容值變小一點(diǎn)點(diǎn)，然后再串聯(lián)一個(gè)電容值更大的電容，例如電容值為C01的200倍的電容，這樣多個(gè)電容值疊加串聯(lián)，可以精確改變電路的電容值，讓電路幾乎達(dá)到完全諧振，使電路達(dá)到效率最大。調(diào)試發(fā)射端的諧振電容C1也是再次用上面的方法使電路的效率達(dá)到最佳，直到該裝置在固定距離下稍微靠近或者離遠(yuǎn)輸出功率都會(huì)變低，這時(shí)再通過改變升壓電路中的滑動(dòng)變阻器可以進(jìn)一步提高逆變效率達(dá)到傳輸效率最高。當(dāng)電路通電后輸入功率9.2W輸出功率6W，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)65%左右。同時(shí)整個(gè)裝置電子元件簡(jiǎn)單，電路穩(wěn)定且成本較低，具有很好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值。

其中，可以通過電路仿真軟件來模擬實(shí)現(xiàn)調(diào)試第一諧振電容和第二諧振電容的電容值，同樣也可以通過電路仿真軟件來模擬實(shí)現(xiàn)在第一諧振電容和第二諧振電容所在電路中串聯(lián)更大電容。此外，也可以手動(dòng)增加電容值來進(jìn)行試驗(yàn)。此外，調(diào)整諧振的過程可以設(shè)置在通過發(fā)射端單片機(jī)來調(diào)頻率和占空比之后。

具體地，所述步驟（2）中，在第二諧振電容所在電路中串聯(lián)電容的電容值為C02的100~1000倍，所述步驟（4）中，在第一諧振電容所在電路中串聯(lián)電容的電容值為C01的100~1000倍。

此外，所述接收端的功率大小通過測(cè)量負(fù)載兩端的電壓或者測(cè)量負(fù)載中的電流來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。