CN206595775U - 一种无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电力电子领域，尤其涉及一种无线电能传输装置。实现电能无线传输驱动负载工作。该装置包括：单片机，采用MSP430芯片；数字频率合成器，与所述单片机连接，用于产生可调频的高频正弦信号；驱动变换电路，与数字频率合成器的输出端连接将高频正弦信号进行放大再转换为四路PWM波；发送线圈，用于与驱动变换电路输出连接后，产生发送信号；接受线圈，用于接收发送线圈的信号并经过接受电路将信号整流、滤波、升压；LED驱动电路，将接受线圈的信号转化为电能输出，为负载提供电能。本实用新型无线电能传输装置提出一种新型电能传输方式，为某些用电设备因为导线束缚所带来的不便提供了一种解决方案。

Description

一种无线电能传输装置

技术领域

本实用新型属于电力电子领域，尤其涉及一种无线电能传输装置。实现电能无线传输驱动负载工作。

背景技术

随着电力工业革命的日益深化，各式各样的新型能源传播方式层出不穷，同时，各类用电设备的驱动电路技术日趋成熟。但大多数的能源传输及应用都建立在有线用电的基础上，这大大限制了使用时期的操作范围，并且使设备成本负担加大。

目前，无线电能传输技术还大多处在研究阶段，并且其应用领域还在不断拓展：照明、太阳能电站以及航空航天系统等都将成为无线电能传输的新领域。近年来，一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备都需要电池和充电，电源电线频繁地拔插，既不安全，也容易磨损；一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一，这样即造成了浪费，也形成了对环境的污染；而在特殊场合下，如矿井和石油开采中，传统输电方式在安全上存在隐患；孤立的岛屿、工作于山头的基站，很困难采用架设电线的传统配电方式。在上述情形下，无线输电研究便愈发显得重要和迫切。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种无线电能传输装置，通过无线电能传输及LED驱动，减少能量损耗，提高电能传输距离和效率。

本实用新型是这样实现的，一种无线电能传输装置，该装置包括：

单片机，采用MSP430芯片；

数字频率合成器，与所述单片机连接，用于产生可调频的高频正弦信号；

驱动变换电路，与数字频率合成器的输出端连接将高频正弦信号进行放大再转换为四路PWM波；

发送线圈，用于与驱动变换电路输出连接后，产生发送信号；

接受线圈，用于接收发送线圈的信号并经过接受电路将信号整流、滤波、升压；

LED驱动电路，将接受线圈的信号转化为电能输出，为负载提供电能。

进一步地，所述驱动变换电路包括对信号进行放大处理的放大模块，所述放大模块采用LM7121型号芯片。

进一步地，所述驱动变换电路包括比较模块，所述比较模块与放大模块的输出端连接，包括两个并联的比较器，一个比较器的输入接入同相端，并在反相端上连接有滑动变阻器，另一个比较器的输入接反相端，通过调节滑动变阻器调节两个比较器的输出信号反相且留有合适的死区时间。

进一步地，所述驱动变换电路包括有驱动放大电路，所述驱动放大电路的输入端连接比较模块的输出，所述驱动放大电路包括连接在输入端的光耦作为隔离元件，光耦输出至一MOS管驱动芯片，通过MOS管驱动芯片产生驱动MOS管的PWM波，所述MOS管驱动芯片连接MOS管。

进一步地，所述驱动放大电路为四个，分别连接一个MOS管，四个MOS管组成桥路，同一桥臂的两个开关管互补导通,斜对角相对的两个开关管同时导通,通过控制四个MOS管的开通与关断，在输出侧产生幅值等于输入电压的交流方波电压，输出侧构成LC并联谐振电路，其中LC并联谐振电路的线圈为发送线圈。

进一步地，所述发送线圈与接收线圈直径为20cm，采用多匝线圈多股导线并联结构，线圈的端口导线并联电容。

进一步地，所述LED驱动电路包括由电容C2、二极管D2、MOS管Q1构成的Buck降压电路；与MOS管Q1连接的控制器及外围电路电阻R12、电阻R13、电阻R14以及电容C4；电流反馈调节电路，由两个串联的第一运算放大器U7与第二运算放大器U8及其外围电路构成，其中Buck降压电路对输入电压进行降压，通过连接LED为LED工作提供电源，PWM波电路内置于控制器芯片中，由控制器芯片输出管脚引出，通过改变PWM波占空比改变Buck降压电路的MOS管Q1开断频率，从而改变输出电压，反馈电阻R1连接在MOS管Q1上，用于将电流信号转换为电压信号，并与参考电压进行比较，当输出电流较小，反馈电阻R1采集电压低于参考电压时，经过电流反馈调节电路处理使输出电压增大，经过放大电路U9进行放大后作用于控制器输入电压比较端，与恒流驱动所设置的参考电压进行比较，使控制器输出端控制PWM波占空比增大，从而使输出电流增大达到设定的恒定值；当输出电流增大时，作用过程时上述过程的逆过程。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型无线电能传输装置提出一种新型电能传输方式，为某些用电设备因为导线束缚所带来的不便提供了一种解决方案；采用闭环恒流LED驱动变换控制，提高负载供电的稳定性和相同传输距离下输出功率的可调性；采用电磁耦合谐振实现电能传输方式并优化参数，采用合适传输距离并兼顾适当的系统效率，同时加上各级电能变换装置采用低功率损耗元件，从而提高了整个装置的传输距离和效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的装置模块框图；

图2是本实用新型实施例提供的全桥驱动电路的电路原理图，图2-1为放大模块与比较模块的电路图，图2-2为驱动放大模块的电路原理图。

图3是本实用新型实施例提供的发送线圈和接收线圈示意图。

图4是本实用新型实施例提供的LED驱动电路原理图。

图5是本实用新型实施例提供的LED驱动电路参考电压及芯片供电电源电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1，本实施例提供的无线电能传输装置，包括：AD9854型号的数字频率合成器、MSP430型号的单片机、驱动变换电路、发送线圈与接收线圈、LED驱动电路。以及在接收线圈、LED驱动电路的接受电路，MSP430单片机产生控制信号控制数字频率合成器，通过采用MSP430F149电路板提供各类放大芯片和运放的+5V电源；数字频率合成器用于产生可调频的高频正弦信号，驱动变换电路将数字频率合成器产生的高频正弦信号进行放大再转换为四路PWM波以驱动全桥电路工作；发送线圈与接收线圈采用多匝线圈多股导线并联结构绕制于圆形亚克力管外侧，通过电磁耦合谐振实现电能的无线传输；接收电路实现整流、滤波、升压，这里的接受电路采用常规的电路即可实现此功能，本属于本实用新型保护范畴，且本领域技术人员可以根据现有技术中能够实现，此处不再赘述。LED驱动电路提供较为稳定的IRF恒压源；LED驱动电路将接收到电能转换为能量输出，为LED灯正常工作提供恒流电源，验证无线电能传输系统性能。

参见图2，为全桥驱动变换电路的电路原理图，驱动变换电路包括信号放大模块、比较模块、驱动放大模块，比较模块与放大模块的输出端连接，包括两个并联的比较器，一个比较器的输入接入同相端，并在反相端上连接有滑动变阻器，另一个比较器的输入接反相端，通过调节滑动变阻器调节两个比较器的输出信号反相且留有合适的死区时间。参见图2-1，AD9854产生的高频信号Vi作放大模块的输入，放大模块U1采用LM7121运算放大器，采用同相放大的方式，输出即为图2-1中VF1。再将VF1经过比较模块，比较模块采用两个比较器(U2、U3)组成，这两个比较器均采用LM7121运算放大器，一个比较器U2的输入接同相端，另一个比较器U3的输入接输出，调节滑动变阻器(R3、R4)，使输出信号V1和V2反相且留有合适的死区时间。之后将V1和V2接入相同的驱动放大模块。

参见图2-2，驱动放大电路的输入端连接比较模块的输出，驱动放大电路包括连接在输入端的光耦作为隔离元件，光耦输出至一MOS管驱动芯片，通过MOS管驱动芯片产生驱动MOS管的PWM波，所述MOS管驱动芯片连接MOS管。

驱动放大电路为四个，分别连接一个MOS管，四个MOS管组成桥路，同一桥臂的两个开关管互补导通,斜对角相对的两个开关管同时导通,通过控制四个MOS管的开通与关断，在输出侧产生幅值等于输入电压的交流方波电压，输出侧构成LC并联谐振电路，其中LC并联谐振电路的线圈为发送线圈。

以一个驱动放大电路为例，包括6N137光耦U4、TC4420型号的驱动放大芯片U5、IRF540型号的MOS管、谐振电容C1、发送线圈L1。驱动放大模块主要器件为光耦U4和驱动放大芯片U5。光耦U4达到隔离电路、提高电路抗干扰能力的作用。驱动放大芯片U5是一款高速的MOS管驱动芯片，用以产生驱动MOS管的PWM波，MOS管采用IRF540。Vg1、Vg2、Vg3、Vg4均为不同电源作用下的相同的驱动电路产生，图中省略了Vg2、Vg3、Vg4的驱动电路，即一共产生四组PWM驱动信号，以驱动全桥电路的MOS管。全桥电路中同一桥臂的两个开关管互补导通,斜对角相对的两个开关管同时导通,通过控制四个开关管的开通与关断,就可以在输出侧产生幅值等于输入电压的交流方波电压,输出侧构成LC并联谐振电路，就可以产生有效值等于输入电压的正弦电压。逆变电路的输出要为磁耦合谐振式无线电能传输的发送线圈供电，工作频率达到MHz级别。

参见图3，为发送线圈和接收线圈示意图，采用LC并联谐振耦合方式，线圈采用线圈采用多股导线并联多匝线圈结构来增大线径达到减小趋肤效应、提高线圈固有频率的作用。十股导线去除绝缘层，端口导线并联高频电容，两个LC网络有着近似相同的电抗参数以保证网络可以发生谐振实现能量的最大的效率传输，当接收线圈接收到能量后，进行整流滤波、升压电能变换传递至LED驱动变换电路供给负载工作。

参见图4，为LED驱动变换电路的电路原理图，包括Buck降压电路由图中电容C2、二极管D2、MOS管Q1构成；UC3843芯片外围电路，由电阻R12、R13、R14、电容C4等构成；电流反馈调节电路，由运放OP07即图中第一运算放大器U7、第二运算放大器U8及其外围电路构成。其中Buck电路对输入电压进行降压，为LED工作提供电源。PWM波电路内置于UC3843芯片控制器U6中，由芯片输出管脚引出，通过改变PWM波占空比改变Buck电路MOS管开断频率，从而改变输出电压。UC3843芯片外围电路通过设定好的参数来确定电路工作适用于的频率范围。反馈电阻R1是高功率型电阻，用于将电流信号转换为电压信号，并与参考电压进行比较，当输出电流较小，反馈电阻采集电压低于参考电压时，经过差分比较电路即图中第一运算放大器U7、第二运算放大器U8处理使输出电压增大，经过放大电路U9进行放大后作用于控制器U6输入电压比较端，与恒流驱动所设置的参考电压进行比较，使控制器U6芯片输出端控制PWM波占空比增大，从而使输出电流增大达到设定的恒定值；当输出电流增大时，作用过程时上述过程的逆过程。反馈电压采集实时信号，故采用此电路可以达到控制电流的目的。参考电压及芯片供电电路稳度直接关系到电流的恒定，故采用稳压芯片配合外部电路效果最佳。

参见图5，为LED驱动电路参考电压及芯片供电电源电路原理图，分为两部分。第一部分由主芯片U10、电容C3、电容C4、电阻R51、电阻R52构成，利用LM317AH芯片良好的稳压性能产生芯片供电电压。第二部分由主芯片U11、电容C5、电容C6、电阻R53、电阻R54构成，产生LED驱动比较参考电压。实际制作中，电阻R4采用滑动变阻器装置，便于调节参考电压大小，从而改变LED工作电流，最终达到改变亮度目的。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无线电能传输装置，其特征在于，该装置包括：

单片机，采用MSP430芯片；

数字频率合成器，与所述单片机连接，用于产生可调频的高频正弦信号；

驱动变换电路，与数字频率合成器的输出端连接将高频正弦信号进行放大再转换为四路PWM波；

发送线圈，用于与驱动变换电路输出连接后，产生发送信号；

接受线圈，用于接收发送线圈的信号并经过接受电路将信号整流、滤波、升压；

LED驱动电路，将接受线圈的信号转化为电能输出，为负载提供电能。

2.如权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述驱动变换电路包括对信号进行放大处理的放大模块，所述放大模块采用LM7121型号芯片。

3.如权利要求2所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述驱动变换电路包括比较模块，所述比较模块与放大模块的输出端连接，包括两个并联的比较器，一个比较器的输入接入同相端，并在反相端上连接有滑动变阻器，另一个比较器的输入接反相端，通过调节滑动变阻器调节两个比较器的输出信号反相且留有合适的死区时间。

4.如权利要求3所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述驱动变换电路包括有驱动放大电路，所述驱动放大电路的输入端连接比较模块的输出，所述驱动放大电路包括连接在输入端的光耦作为隔离元件，光耦输出至一MOS管驱动芯片，通过MOS管驱动芯片产生驱动MOS管的PWM波，所述MOS管驱动芯片连接MOS管。

5.如权利要求4所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述驱动放大电路为四个，分别连接一个MOS管，四个MOS管组成桥路，同一桥臂的两个开关管互补导通,斜对角相对的两个开关管同时导通,通过控制四个MOS管的开通与关断，在输出侧产生幅值等于输入电压的交流方波电压，输出侧构成LC并联谐振电路，其中LC并联谐振电路的线圈为发送线圈。

6.如权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述发送线圈与接收线圈直径为20cm，采用多匝线圈多股导线并联结构，线圈的端口导线并联电容。

7.如权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述LED驱动电路包括由电容C2、二极管D2、MOS管Q1构成的Buck降压电路；与MOS管Q1连接的控制器及外围电路电阻R12、电阻R13、电阻R14以及电容C4；电流反馈调节电路，由两个串联的第一运算放大器U7与第二运算放大器U8及其外围电路构成，其中Buck降压电路对输入电压进行降压，通过连接LED为LED工作提供电源，PWM波电路内置于控制器芯片中，由控制器芯片输出管脚引出，通过改变PWM波占空比改变Buck降压电路的MOS管Q1开断频率，从而改变输出电压，反馈电阻R1连接在MOS管Q1上，用于将电流信号转换为电压信号，并与参考电压进行比较，当输出电流较小，反馈电阻R1采集电压低于参考电压时，经过电流反馈调节电路处理使输出电压增大，经过放大电路U9进行放大后作用于控制器输入电压比较端，与恒流驱动所设置的参考电压进行比较，使控制器输出端控制PWM波占空比增大，从而使输出电流增大达到设定的恒定值；当输出电流增大时，作用过程时上述过程的逆过程。