【正文】 為實(shí)部與虛部的形式如下：一次側(cè)阻抗為：補(bǔ)償電容值的選擇同樣有兩種方式，考慮副邊諧振時(shí)，此時(shí)C2與式（226)具有相同 的形式，Z,與式（227)具有相同的形式，也即，當(dāng)補(bǔ)償電容使副邊諧振時(shí)，補(bǔ)償電容的串聯(lián)與并聯(lián)對(duì)電路其他部分的影響是一樣的。即，不論是否存在并聯(lián)補(bǔ)償電容，不論電 路是否處于諧振態(tài)，均不影響系統(tǒng)的電壓增益特性。 由式（23)可知，原邊串聯(lián)補(bǔ)償電容C,后，一次側(cè)的等效阻抗更新為如下式所示:忽略線圈的寄生電阻，設(shè)1=〃2=0,負(fù)載阻抗4 =凡+_/^，上式（27)整理如下：補(bǔ)償電容使電路工作于諧振狀態(tài)，據(jù)此上式的虛部應(yīng)為0。下文分析時(shí)，均采用互感模型來仿真可分離變壓器。充電平臺(tái)應(yīng)該是一 個(gè)無傾斜的平面，鋰電池負(fù)載置于平面之上，所以可分離變壓器的原邊線圈應(yīng)設(shè)計(jì)為平面 線圈。的值為定值 時(shí)，傳輸效率與工作頻率之間存在如下關(guān)系：頻率越大，效率越高；頻率越小，效率越低。矣是線圈的自感，A/為互感，j” /2分別為流經(jīng)線圈的電流，I)39。在T型等效電路中，描述漏感的量為。 有磁芯的，根據(jù)磁芯形狀，又分為EI型、UI型、C型、0型等。另一種更簡(jiǎn)單的控制方法為，不再在原邊增設(shè)反饋電路，原邊電路自始至終工作在特 定狀態(tài)，通過在副邊增設(shè)調(diào)壓電路，保證對(duì)負(fù)載的可靠供電。 如上圖所示，電路由可分離變壓器分為兩個(gè)部分，一個(gè)供電回路，一個(gè)用電回路。本文的特定負(fù)載為鋰電池，需要特定大小的直流充電電流，副邊所接收到的 交流電能還需要經(jīng)過整流濾波電路，穩(wěn)壓控制電路等的處理，才能供給負(fù)載使用。 電能的傳輸不再依賴于導(dǎo)線的排布，徹底消除了開關(guān)電弧、火花等，尤其在供用電領(lǐng)域， 完全消除了傳統(tǒng)輸電方式所帶來的上述弊端。2) 為使副邊線圈電路易于集成，電路拓?fù)鋺?yīng)盡可能簡(jiǎn)單，鋰電池充電過程采用充電管理 芯片bp2057完成，副邊需要體積小巧的調(diào)壓電路穩(wěn)定輸出。2) 設(shè)計(jì)單負(fù)載鋰電池充電平臺(tái)，系統(tǒng)采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，在副邊加入充電管理芯片，根據(jù)鋰 電池充電外特性，將充電過程劃分為三個(gè)階段，進(jìn)而確定工作頻率、電壓增益等系統(tǒng)參數(shù)。（來源：桑菲）1. 3本文主要工作及難點(diǎn)分析 在遵守世界無線充電聯(lián)盟（WCP)所制定的“”下， 設(shè)計(jì)出可以同時(shí)給多個(gè)便攜電子設(shè)備鋰電池充電的無線充電平臺(tái)，要求可實(shí)現(xiàn)各個(gè)負(fù)載的 解耦控制，即單個(gè)負(fù)載的工作狀態(tài)不會(huì)對(duì)其他負(fù)載或者系統(tǒng)的穩(wěn)定工作構(gòu)成影響。有學(xué)者[9]提出以PCB螺旋線圈為能量傳輸裝置，采用并聯(lián) 補(bǔ)償，副邊添加充電管理芯片。國(guó)內(nèi)的研究集中在原副邊電路拓?fù)?、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)分 析、可分離變壓器性能分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等方面，在實(shí)驗(yàn)室條件下制作中小功率樣機(jī), 但尚未見到相關(guān)的成熟產(chǎn)品和應(yīng)用投入市場(chǎng)[5】。另外一家名為WildCharge的公司也開發(fā)出了類似的產(chǎn)品[8]。/。國(guó)外對(duì)充電平臺(tái)的研宄文獻(xiàn)相對(duì)較少，所 涉及的理論與大功率充電電路理論一致，關(guān)于無線充電的研宄多見于一些研宄機(jī)構(gòu)和公 司，都有相關(guān)研究成果發(fā)表問世。國(guó)外對(duì)感應(yīng)耦合電能傳輸?shù)睦碚撗芯考悍浅３墒?，系統(tǒng)化，研究熱點(diǎn)集中在原副邊電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及可分離變壓的設(shè)計(jì)方面。相比而言，感應(yīng)稱合電能傳輸（Inductive Power Transfer)的研宄和應(yīng)用最為廣泛[3】。隨著搭載Android、ios操作系統(tǒng)的智能機(jī)的全面普及，便攜電子設(shè)備的無線充電 已經(jīng)醞釀在即，谷歌、蘋果、三星等公司均已經(jīng)發(fā)布新產(chǎn)品無線充電藍(lán)圖。磁諧振式目前仍處于理論探索階 段，不是本文研宄的重點(diǎn)。近年來，越來越多的電子產(chǎn)品走進(jìn)了我們的生活，隨著智能手機(jī)的普及，iphone、ipad、 mp3等更是隨身攜帶，相關(guān)的電能供應(yīng)，即充電問題都是通過電線插頭連接插座來進(jìn)行的。尤其在用電領(lǐng)域，更是通過開關(guān)、插座等裝置在電源和用電設(shè)備之間構(gòu)成完整 的導(dǎo)體回路來使用電能。這三種 基于不同原理的技術(shù)在傳輸距離上分別對(duì)應(yīng)著近、中和遠(yuǎn)距離。本文的研究方向集中在感應(yīng)耦合無線電能傳輸方式， 文中提及的無接觸電能傳輸，如無特殊說明，一般均指感應(yīng)耦合式。日 本計(jì)劃在2020年建造試驗(yàn)型太空太陽(yáng)能發(fā)電站，美國(guó)也準(zhǔn)各在國(guó)際空間站上采用C波段 頻率進(jìn)行微波無線電能傳輸試驗(yàn)測(cè)試【4】。該公 司還將無接觸供電技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)游船的水下驅(qū)動(dòng)裝置[7】。在中小功率應(yīng)用方面，主要是集中于消費(fèi)類電子設(shè)備的無線充電，能量發(fā)射線圈安裝 在充電平臺(tái)中，能量接收線圈集成在手機(jī)等電子設(shè)備終端。 Pre (來源：Palm)以色列Powermat公司在面向新聞界舉行的CES 2009會(huì)前發(fā)布會(huì)上，公開演示了該公 司的非接觸充電系統(tǒng)。該技術(shù)將能量發(fā)射線圈制成PCB線圈嵌 入印刷電路底板[8]，使用一枚薄板減薄了傳輸電力的線圈部分，可以嵌入手機(jī)等薄型設(shè)備, 還能制成像鼠標(biāo)墊般的薄板狀充電臺(tái)。（來源：iSuppli) 5中國(guó)大陸地區(qū)對(duì)無線電能傳輸?shù)难绣称鸩奖容^晚，目前仍主要集中在理論研宄上。利用感應(yīng)耦合無線電能傳輸方式實(shí) 現(xiàn)相同的傳輸效率，[4】。在2011年無線充電技術(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體驗(yàn)會(huì)上， 桑菲、海爾等中國(guó)企業(yè)向大家展示了集成應(yīng)用Qi標(biāo)準(zhǔn)的電子產(chǎn)品。根據(jù)此研宄目標(biāo)，可將本課題的主要研宄工作細(xì)分如下：1) 構(gòu)建低功率感應(yīng)耦合式無線充電系統(tǒng)的電路拓?fù)?，?duì)可分離變壓器進(jìn)行特性分析，根 據(jù)充電平臺(tái)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)原副邊感應(yīng)耦合線圈，對(duì)其磁場(chǎng)特性進(jìn)行分析。全橋變換器采用ZVZCS軟開關(guān)技術(shù)，并詳 細(xì)分析了 ZVZCS下的原邊電路的工作原理。2感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)溲芯?傳統(tǒng)的電能傳輸方式，是利用金屬導(dǎo)線、插頭和插座等將電源和負(fù)載連接起來，構(gòu)成 一個(gè)完整的電流回路，從而傳輸和消費(fèi)電能。也就是說，負(fù)載端和電源端在機(jī)械上仍連在一起，負(fù)載端和電源端不存在相對(duì)位 移。補(bǔ)償電容容量的選擇跟補(bǔ)償方式也有關(guān)，依據(jù)電路的工作頻率，適當(dāng)選擇補(bǔ)償電容值, 使能量傳輸電路工作在LC諧振狀態(tài)或準(zhǔn)諧振狀態(tài)，此時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)最大，接近于 1，傳輸效率最高。這是無線電能傳輸系統(tǒng)的主電路框圖，不同應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)的電路組成會(huì)不一樣，控 制電路也不相同。通常來講，單邊式和雙邊式都能達(dá)到 控制要求，從控制精度來看，雙邊式更有優(yōu)勢(shì)，但電路更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本高。變壓器二次側(cè)折算后，常用T型等效電路表示。將可分離變壓器等效為兩個(gè)具有 $磁耦合關(guān)系的線圈，當(dāng)一、二次側(cè)繞組相對(duì)距離變化或中心偏移或相對(duì)位置變化時(shí)，表 現(xiàn)為耦合系數(shù)即互感值的變化。整理得出可知，一次側(cè)相當(dāng)于電源，二次側(cè)相當(dāng)于負(fù)載，整個(gè)二次回路對(duì)一次側(cè)電路的影響可 以用一個(gè)等效阻抗$來表示，見下式。，這種變壓器完全由兩組螺旋線圈耦合而成，直 觀上更像互感繞組。它直接決定了繞組的傳輸效率和系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，在多負(fù)載應(yīng)用場(chǎng) 合，原邊線圈的性能直接決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。補(bǔ)償電路是通過增加補(bǔ)償電容C,使之與線圈的等效電感L 構(gòu)成LC諧振電路，從而提高傳輸能力，增大功率因數(shù)。 分析原邊單邊并聯(lián)補(bǔ)償特性。可以看出，原邊 k諧振只有在副邊電路滿足一定條件下才可能實(shí)現(xiàn)，而且，補(bǔ)償電容值不唯一，導(dǎo)致系統(tǒng)出 現(xiàn)多個(gè)諧振點(diǎn)，即頻率分叉現(xiàn)象。所以，無線傳輸?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)，一般采用雙邊補(bǔ)償 方式，單邊補(bǔ)償只做理論性研究，或者用于負(fù)載固定的特殊場(chǎng)合，這里不再贅述。此種補(bǔ)償方式適用于恒流負(fù)載場(chǎng)合，如充電回路。二次繞組電流比一次繞 組電流滯后一定相位角，滯后角度與二次側(cè)電路品質(zhì)因數(shù)相關(guān)。 PP補(bǔ)償時(shí)，副邊電路與SP補(bǔ)償時(shí)一致，由上文分析結(jié)果可知，副邊阻抗Z2與式(238)有相同形式，忽略繞組寄生電阻后，解得副邊補(bǔ)償電容值為(：2=—|一，為最簡(jiǎn)形式。雙邊補(bǔ)償時(shí)，原邊的并補(bǔ)電容將 極大地使相關(guān)參數(shù)的計(jì)算復(fù)雜化，而且均與線圈寄生電阻相關(guān)，忽略時(shí)造成較大計(jì)算誤差。，只考慮負(fù)載為純電阻情況。輸入w,為正弦交流電壓，有效值為[/,，有u39。在正負(fù)半周，輸入電流方向相反且波形對(duì) 稱，平均值為0，即直流分量為0。通常情況下，為避免同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，造成橋臂直通短路，將 一組開關(guān)管設(shè)置死區(qū)時(shí)間，這樣輸出方波占空比不再為50%，即輸出交流電流中不可避免 要出現(xiàn)直流分量。首先，檢測(cè)電池剩余電壓，當(dāng)?shù)陀?最低充電電壓閾值()時(shí)，進(jìn)入預(yù)充電過程，即conditioning,此時(shí)充電形式為t旦流充電，只是充電電流很小，約為正常充電電流（RegulationCurrent)的10%， 較小的充電電流同時(shí)也減小了外部電路的熱損耗，電池電壓隨著充電進(jìn)行近似線性升高， ，預(yù)充電過程結(jié)束。TS：溫度檢測(cè)輸入端。COMP：充電速率補(bǔ)償輸入端。（或雙鋰電池）充電電 路，電路結(jié)構(gòu)為高壓側(cè)電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)。 補(bǔ)償電路采用SS補(bǔ)償方式，副邊整流電路為橋式電路，輸出端并聯(lián)濾波電容。的變化區(qū)間為：[16Q，160Q]。感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率通常在幾十kHz到幾百 kHz之間，根據(jù)頻率與傳輸效率的關(guān)系，頻率越大，傳輸效率越高，同時(shí)考慮開關(guān)管的開 斷能力和開關(guān)損耗，以及電路中電容、電感承受的電壓應(yīng)力，頻率又不能過大，參考世界 無線充電聯(lián)盟給出的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定本系統(tǒng)PlOOkHz。芯片內(nèi)部由一個(gè)壓控振蕩器，一個(gè)源級(jí)跟隨器，兩個(gè)相 位比較器構(gòu)成。VCO的輸出在4號(hào)管腳，可以直接或者通過一個(gè)分頻器與比較器的輸入3號(hào)管腳相連。C1A：電容Cl的A連接點(diǎn)。SIGNin：信號(hào)輸入端。頻率捕獲范圍（2fc)定義為鎖相環(huán)最初狀態(tài)未入鎖情況下入鎖時(shí)輸入信號(hào)的頻率范 圍。a) 給出f0:，用f0決定R1和C1的取值。min R1 R1/R2的比值為f^/f的函數(shù) 本文在研宄時(shí)取VDD為+5V,取第2種情況，其中確定f0為100kHz，fl為60kHz, 則 fmin 為 40kHz, fmax 為 160kHz。電路采用鎖相環(huán)構(gòu)成頻率跟蹤電路時(shí)，考慮到原副邊的補(bǔ)償方式為SS，此時(shí)電路很 可能出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象[32】，設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí)應(yīng)予以避免。1=1，則上述問題等價(jià) 于令方程(lP)A4+(165?？紤]負(fù)載取值范圍為[20Q,200Q]，則應(yīng)有 0uL2〈。與式（317)聯(lián)立，即得：o。在不同階段，系統(tǒng)原、副邊電路工作狀態(tài)有很大的不同?？刂齐娐返碾娫磁c主電路電源相互獨(dú)立，前者的上 電過程簡(jiǎn)單，無需控制，瞬間完成，此時(shí)鎖相環(huán)由于自激輸出最高頻率，即主電路的開關(guān) 管以最高頻輪流開斷，該頻率與鎖相環(huán)外圍電路參數(shù)有關(guān)。在本文設(shè)計(jì)的單負(fù)載鋰電池充電系統(tǒng)中，充電過程由充電管理芯片bq2057 實(shí)現(xiàn)，充電的順利完成需要充電芯片的供電電壓穩(wěn)定可靠，同時(shí)副邊電路具有500mA的 載流能力。鋰電池在充電時(shí)，電壓不一定耗盡，即充電初始狀態(tài)不一定為預(yù)充電，可能直接進(jìn)入 恒流充電階段，也可能直接進(jìn)入恒壓蓄電階段。該階段為充電的主要階段，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)， 這與充電速率和電池容量有關(guān)。將上述互補(bǔ)信號(hào)接入由RC、二極管組成的延 時(shí)電路。相差180176。針對(duì)充電電路包含多種狀態(tài)的特點(diǎn)，本文提出了單負(fù)載時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電流的控制思路。由圖可見，原邊恒壓時(shí)，負(fù)載等效阻抗越小時(shí)，傳輸功率越小，負(fù)載等效阻抗越大時(shí)， 傳輸功率越大。當(dāng)原邊電流改變時(shí)，副 邊所有能量接收機(jī)構(gòu)的感應(yīng)電壓為盡=7171。對(duì)于原邊，副邊相當(dāng)于一個(gè)等效反應(yīng)阻抗，其大小為只與原邊電路角^2頻率、互感值、副邊電路等效總阻抗有關(guān)。4. 上文在分析時(shí)，之所以得出恒流控制的結(jié)論，其出發(fā)點(diǎn)在于確保表不變，同時(shí)設(shè)定頻率和互感恒為定值。2. UC3875芯片使用介紹本文設(shè)計(jì)的鋰電池?zé)o線充電平臺(tái)最多可同時(shí)承載3個(gè)副邊回路，依此來推算原邊電路 的電壓等級(jí)，推算時(shí)將設(shè)定的電路參數(shù)列出如下：。下面分析 最大功率傳輸問題。當(dāng)上述兩個(gè)參數(shù)不變或者即使改變，但其相對(duì)關(guān)系從2泛2仍保持不變時(shí)，原邊電路工作狀態(tài)不變，可認(rèn)為從原邊看去，副邊無變化?？梢姡粋€(gè)副邊負(fù)載的變化，將影響副邊所有負(fù)載的功率，副邊電路之間仍存 在著間接的耦合關(guān)系[24】。鋰電池 的負(fù)載特性與上述推導(dǎo)結(jié)果相悖，可知，在分析多負(fù)載感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的功率傳 輸特性時(shí)，當(dāng)負(fù)載為充電鋰電池負(fù)載時(shí)，原邊電路不能采用恒壓源模型，應(yīng)采用恒流源模 型，如上式（48)所示。最后，在實(shí)驗(yàn)室條件下，制作出樣機(jī)，通過實(shí)測(cè)實(shí) 驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該套設(shè)計(jì)方案的可行性。端電壓峰值為60V，可知有效值為60/W = ,則 — 49 41V原邊電流有效值為= ，恰等于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)電流。延時(shí)器的延時(shí)時(shí)間，可由RC參數(shù)決定，R設(shè)置為可調(diào)電阻，延時(shí)電路與后續(xù)繼電器 共同決定了死區(qū)時(shí)間。折 算到原邊。即：可以先放置負(fù)載，再上電進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，也可以先上 電，使原邊進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，再放置負(fù)載。本文在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，采用理想化設(shè)計(jì)思路，g卩：當(dāng)副邊線圈置于原邊平面線圈有效區(qū) 域之上時(shí)，假定于任何位置，耦合系數(shù)均恒定，即兩線圈的互感保持不變，M = 24pH。所以，設(shè)定上電鎖頻階段，主電路直流電源電壓恒為+1V，即逆變交流電 壓為幅值為+1V的方波電壓，占空比接近50%，電路不會(huì)出現(xiàn)過高的空載電流，上電過程 結(jié)束，進(jìn)入鎖相階段。鋰電池置于充電回路后，副邊能量接收線圈置于原邊能量發(fā)送線圈的平面有效區(qū)域之 上，此時(shí)電路準(zhǔn)備完畢，系統(tǒng)需要上電開始工作。],。副邊電路作為受電端，電壓水平不能過高，可設(shè)定恒流充電時(shí)副邊線圈端電壓不超過10V，見下式（316), 低電壓水平也為充電電路的安全性提供了保證。yfc為耦合系數(shù)，實(shí)際情況下恒小分析上式分母，可知恒為正值，故上式等價(jià)于方程：于1，方程曲線在平面坐標(biāo)面上開口向上。忽略r2，上式重寫為：將第2章SS補(bǔ)償時(shí)己得出的公式重列如下，并記為式（37)。取 Rsf=470kfi,低通濾波器電阻為68kQ，電容為47nF。2. VCO有頻率偏移時(shí)。頻率捕獲范圍小于或等于頻率鎖相范圍。Vdd：電源電壓。Vss：接地端。 HEF4046B外部引腳圖引腳說明如下。兩個(gè)相位比較器的輸入一致，一個(gè)是共同的比較器輸入，另一個(gè)是共同的信號(hào)放大 器輸入。 先考慮副邊電路?；ジ兄档臏y(cè)定方法如下步驟。7805的輸入電壓應(yīng)高