可植入式磁耦合谐振无线电能传输系统研究

时间：2024-05-04

刘新竹，程欣

（武昌工学院信息工程学院，湖北武汉，430000）

1 总体方案设计

可植入磁耦合谐振无线电能传输系统包括振荡模块和驱动模块、发射线圈和接收线圈、整流模块和滤波模块。其中高频振荡电路为系统提供高频振荡脉冲信号，驱动电路对信号进行放大处理，整流电路和滤波电路是对接收端接收的信号进行处理并最终输出到负载。发射线圈和接收线圈是具体进行电磁能量的传输部分。系统总体设计框图如图1 所示。

图1 系统总体设计框图

当系统的发射电路模块与接收电路模块所产生的谐振频率相同，并且发射端在特定的谐振频率下产生信号传输所需的交变电磁场，发射部分的元器件在这个交变磁场下可以产生自谐振。当接收端让发射装置距离越来越近的时候，接收装置随着发射装置产生自谐振，接收装置不断集合能量，之后传输给负载，从而实现了电能的无线谐振传输。

2 硬件电路设计

■2.1 振荡模块设计

振荡模块使用基于NE555定时器组成的高频振荡电路，来产生较高的频率且具有占空比的振荡信号。要使得振荡模块输出高频振荡信号，就要求555 定时器工作在非稳态的方式下。

在设计电路时，对555 定时器的1 引脚进行接地处理，2 引脚连接到一个0.001μF 的电容并且连接到地。3 引脚作为高频振荡电路的输出，为之后的驱动电路部分提供PWM信号。将3 引脚的外部连接到元件指示LED 灯的负极，指示LED 灯的正极上拉1000Ω 的电阻到VCC，当看到灯光的闪烁，表明555 定时器产生了PWM 信号。4 引脚接到高电平，在电路正常工作的情况下，无需对555 定时器进行重置。5 引脚外接一个100 000pF 的电容然后连接到地。6 引脚与2 引脚一样处理，连接到同一个0.1μF 的电容到地。7 引脚是放电端，将它连接到电位器2 的划片上。8 脚作为电源输入端，将它连接到VCC 上。

从图2 可以看出，高频振荡信号是从555 芯片的引脚3 输出。在接通电源后电容C1 就会被充电，当电压上升到VCC 的三分之二时，输出电压低电平，与此同时，三极管被导通，此时电容放电使其电压下降，当电压下降达VCC的三分之一时，输出电压就变为了高电平。电容放电所需时间tpL其计算公式表达如下：

图2 高频振荡电路接线原理图

其中，R2-电位器2 的取值，其范围在0 到10kΩ 之间；C-电容C1 的电容值。

当放电结束后，555 定时器内部三极管被截止，电容C1 又会被充电，所需时间tpH其计算公式表达如下：

其中，R1-电位器1 的取值，其范围在0 至10kΩ 之间；C-电容C1 的电容值。

在电路的输出端可以获得周期矩形波信号，它的振荡频率计算公式表达如下：

通过公式计算及查阅相关资料，得出振荡电路输出信号。

从图3 可以看出，输出的信号是高低电平相间的方波信号。如要调节占空比，可以通过改变电路中的两个电位器R1 和R2 的阻值的大小。

图3 高频振荡电路波形图

■2.2 驱动模块设计

本系统的驱动部分采用功率放大器IRF640N 和并联谐振回路构成。驱动电路连接图如图4 所示。

图4 驱动电路连接图

从图4 可以看出，将由高频振荡电路产生的高频振荡信号接入IRF640N 的栅极g 极，将s 极源极连接到地起到保护元件的作用，d 极漏极接入到并联谐振回路的负端中去。这样就完成了IRF640N 的电路连接。并联谐振回路是将两个电容并联之后，再与耦合线圈并联，就构成了可以产生谐振的并联谐振回路。

在并联谐振电路中，如果电容器电流与线圈的电流是相等的，达到并联谐振的状态。在此电路中，除了LC 并联部分以外，其他部分对能量消耗的影响不大。

■2.3 线圈模块设计

在无线电能系统中，传输工作效率、传输功率和传输距离等因素与设计适宜的线圈存在非常密切的关联。该部分在整个系统中主要起到的功能是将电能转化为交变磁场能量，再将空间中交变磁场能量变换成接收端的电能。图5 为收发线圈实物图。

图5 收发线圈实物图

本设计采用直径为1mm 的铜芯漆包线，按照直径为16cm 的圆环形状，缠绕四圈而制作成的接收和发射线圈，进行测量得到电感约18μH 左右。对于不同种类和组成方式的线圈，其电感量的计算公式不同，本系统在设计线圈时，线圈电感L 的大小计算公式表达如下：

其中，N-线圈匝数；μ0-真空磁导率，其值为4π×10-7H/m；r-线圈半径；a-线圈导线半径。

线圈之间的电容计算公式表达如下：

其中，a-线圈导线半径；r-线圈半径；h-收发线圈圆心之间的距离。

■2.4 整流滤波电路设计

使用耦合线圈无线传递的是交流信号，而可植入式无线电能传输的输出需要的是较为平滑的直流电。这就要求把接收到的交流电转换成可以给予输出端使用的直流电。

整流滤波电路采用单相桥式整流电路，选择的是1N4007 整流二极管来组成接收模块的单相桥式整流电路。单相桥式整流电路可以把电流流动方向在电磁场交替变化的环境中变成只有一个方向的脉冲直流电。

滤波电路要求具有较大的电容，需要选择电容容量较大的电解电容作为滤波电路的滤波电容。在电路中，还可以吸收交流电源输出电流波动和串扰。设置滤波电容将使电子电路的性能更加稳定，减少交流纹波对电子电路的干扰。滤波电容的选取计算公式表达如下:

图6 整流滤波电路设计图

其中，C-滤波电容的取值；T-周期，单位为秒，与频率f 是倒数关系。

■2.5 电源指示模块设计

从图7 可以看出，电源指示模块由输入端口、滤波电容、电阻和LED 灯构成，其中输入端口是用来输入5～15V 的电压为电路提供电能。100μF 的电容C9 是用来滤去杂波和防止串扰现象的，C9 的正极接到电路的正端，负极接到电路的负端。LED 灯是用来指示有电源输入，1000Ω 的电阻R2是用来保护LED 灯。

图7 电源指示模块设计图

3 无线电能传输系统测试

从图8 可以看出，当系统通电时，电源指示灯LED1就会被点亮，表示电路接收到了初始电信号，开始工作。LED2 是可以检测到振荡信号的存在，会有闪烁的现象发生。

图8 系统实物图

（1）线圈间距离对耦合谐振强度的影响

从图9 可以看出，当系统中线圈在同一平面中心距离为8cm 时，输出端的两个串联在一起的LED 灯会被点亮，表示接收端接收到了发射端传输的电信号，系统正常工作。

图9 系统中线圈距离为8 厘米时实物图

当系统中线圈在同一平面中心距离为5cm 和3cm 时，输出端的两个串联在一起的LED 灯的亮度提升了，表示接收端接收到发射端传输的电压和电流在增大，说明线圈间距离减小时耦合谐振的强度也在增加。当系统中线圈在同一平面中心距离为12cm 和15cm 时，输出端的两个串联在一起的LED 灯的亮度降低了，表示接收端接收到发射端传输的电压和电流在降低，说明线圈间距离增大时耦合谐振的强度在减小。

（2）线圈位置偏移对电能传递的影响

从图10 可以看出，当系统中线圈位置有偏移时，输出端的两个串联在一起的LED 灯的依旧可以被点亮，但是由于有偏移角度的存在，会让灯光亮度有所下降。表示即使位置偏移，系统可以继续传递电能。

图10 系统中线圈位置偏移较小和较大时实物图

（3）系统中线圈间加障碍物对电能传递的影响

从图11 可以看出，当系统中线圈中间加入了障碍物时，输出端的两个串联在一起的LED 灯的亮度与没有障碍时亮度相差不是特别明显，表示即使存在阻碍物，系统仍旧可以继续传输电能。

图11 系统中线圈间加障碍物实物图