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【我是工程师】本科生毕业设计之——基于A4WP“无线电能传输”装置制作与设计

来源：作者：发布时间：2018-06-08 09:49:30 浏览量：

留个楼备用留楼有什么用？

论文贴上来让我们学习学习

论文还没开始，刚确定题目。我会一点一点写给大家，写的不好，还请老师们指正，我乐于学习的支持
老F一直这么给力

题目先确定：

基于A4WP谐振式无线电能传输装置制作与设计

大家可以先把实现想法说说，由于这个我原来做过类似的，当时参加电子设计大赛，制作时间紧，比较匆忙，这次要更优化一些。

大家有什么实现的想法和要实现的功能说说，大家一起讨论。能实现的我尽量加上去。

输入电压可不可以是220v整流以后的310v直流，，，，，，，理论是相通的。无线电能传输：目前有三大组织，WPC,PMA,A4WP。这三家的资料百度上有，大家可以先了解一下。PMA和A4WP已经宣布要“在一起”了。相当于老二和老三合作，一起和老大干仗。目前，无线电能传输没有普及原因之一也是其标准上不统一。随着PMA和A4WP的结合，加快了标准的制定统一。

占座支持！

无线充电有电磁感应型和电磁共振型?

你做的属于哪种？

WPC有Qi标准。

A4WP是Rezence.

我的这个基于A4WP的，谐振的。后续有可能加上通讯，智能化。

等看下文~ 坐等楼主讲解，今后发展一大趋势是的，发展不错，但是看多方面影响。好的哎呦、我浩哥哥的毕业设计都拿出来了额！那必须赞一个！恩，正好分享给大家。

摘要

随着电子信息产业的快速发展,科技产品日新月异，手机、平板、电脑的样貌不断蜕变，但电源线却一直存在，不仅使用起来不方便，也对产品发展造成一些防水、防尘、充电接触点（孔）保护等限制。无线充电技术浮出水面，然而无线充电要普及，关键是“标准统一”及“大量布建”。目前全球无线充电三大阵营分别由WPC（WirelessPowerConsortium）,PMA(PowerMattersAlliance)以及A4WP（AllianceforWirelessPower）组成。WPC的无线充电技术基于电磁耦合，制定了Qi标准，也是三大组织中最早成立，目前最大的无线充电组织。但其传输距离短，且难做到多装置同时充电。而A4WP使用技术为磁共振，制定了Rezence标准，于2014年与PMA策略合作。同时，此谐振式技术容许长距离充电，可将充电板嵌入木头、塑料等材质，并同时为多个装置充电。

本文基于A4WP谐振式无线电能传输装置，利用电源侧的线圈产生交变磁场，耦合到负载侧的线圈，进而将电能传递给负载。当输入直流电压U1=15V，输入直流电流0.9A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，发射线圈与接收线圈间距离为148cm。该系统具有显示功能和超声波测距，测量发射线圈与接收线圈距离，同时可直接为手机充电。

关键词：无线充电，A4WP，Rezence，谐振式，手机充电

这是省赛论文的节奏啊。。。。这是省赛论文的节奏啊。。。。这是优化提升的版本。

其实大家都在说无线充电器可以省了线，但是其实最终还不是要有AC电源输出部分带一条DC线，然后再连接到无线充电器部分。在我看来根本就没有将线省掉，而且手机还是得要放在无线充电器上面，当我们要边充电边玩的时候，还要将无线充电器一起拿起来，不但没省掉线，而且还增加了累赘，同时还浪费了更多的电能。

我一直在想，是否可以将无线充电器的发射端直接做到AC电源里呢？然后这样就真正的将线省掉了，而且DC线同时也有损耗。但是问题就是当无线充电器的发射端直接做到AC电源里面，那我们将AC电源插在排插上，给手机充电的时候，手机离充电器的距离肯定会比较远，在这么远的距离，又如何能保证能充电以及转换效率？

个人的一点拙见，欢迎大家吐槽

恩，是的，现在的产品都是这种短距离的，都是基于Qi的。

但是A4WP有着这种优点，极大的提升了距离，克服遮挡物体，而且可以同时给多个设备充电。

但其缺点也明显:辐射是大问题。

提升了距离，但是产品尺寸是不是大了很多呢？

怎么可能？补充一点：功率也是极大的提升。也就是相同线圈，A4WP要完虐Qi。

那我想请问一下，以现在的手机充电器来讲的话，如果用A4WP来做的话，体积会做到多大呢？以及现在是否有人在做？或者成熟的方案呢？

现在A4WP还没有自己的产品出现在市场，出来的都是Qi的。但是，PMA和A4WP结合了，就意味着，老二和老三合伙干老大。看看这场战争的最后胜利者吧。其实，成品大量出货，协议一样，规则统一，用户大量出货就好了。兄弟，我也觉得未来，手机充电器，笔记本充电器是个非常大的市场。抢占先机才是王道啊。问题是辐射啊，辐射怎么办？？？？？后续会将关于辐射的问题。谢谢。如果想进入生活，辐射的问题一定是要被解决的。

http://www.rezence.com/media/news/a4wp-announces-expansion-rezence™-standard-50-watts-include-tablets-pcs-and-peripherals

这个是Rezence的链接。

你的QQ多少啊？方便加你聊聊吗？

好的，站内信给你目前很多专家都认为基于磁耦合的无线电能存在的辐射对人体是没有影响的，为何你要强调辐射问题是存在最大的问题辐射问题是大家所争论的，说法不一。每个文献都有每个文献的观点，现在还没有形成共识吧。看应用条件吧。 A4WP中规定的6.78MHZ是可以商用的标准，安全性已经保证。等后面的料~加油！~

Abstract

Withtherapiddevelopmentofelectronicinformationindustry,productofscienceandtechnologychangerapidly,mobilephone,tabletcomputer,theappearanceofcontinuoustransformation,butthepowerlinehasbeenexist,notonlytheuseisinconvenient,alsocausedsomewaterproof,dustproof,chargingcontactpointforproductdevelopment(hole)protectionlimit.Wirelesschargingtechnologyemerged,however,wirelesschargingtopopularize,thekeyis"unifiedstandard"and"alotofthefabricconstruction".ThecurrentglobalwirelesschargingthreecampsrespectivelybyWPC(WirelessPowerConsortium),PMA(PowerMattersAlliance)andA4WP(AllianceforWirelessPower)composition.WirelesschargingtechnologybasedonWPCelectromagneticcoupling,Qistandard,anditisalsothethreelargestorganizationestablishstheearliest,thelargestwirelesschargingorganization.Butthetransmissiondistanceisshort,anddifficulttoachievemultidevicewhilecharging.A4WPuseoftechnologyformagneticresonance,Rezencestandard,in2014incooperationwiththePMAstrategy.Atthesametime,theresonanttechniqueallowslongdistancecharging,chargingplatecanbeembeddedinthewood,plasticandothermaterials,andatthesametimeanumberofchargingdevice.

Keywords:wirelesscharging,A4WP,Rezence,resonant,mobilephonecharging

果断支持支持一下。

开题报告CH.doc

开题报告出来了。大概先弄一下，以后会更改优化，老师急着催。

支持一下坐等楼主讲解，今后发展一大趋势

过来顶一下啊，呵呵，版主418要来吗

4.18是什么啊？会议么？？ LED照明行业交流会，你应该问下丽丽这么好啊，非常想参加，不过我现在在杭州呢，人在杭州，身不由己啊。

没事啊，可以找丽丽要点会议上的PDF

摘要………………………………………………………………XX

ABSTRACT……………………………………………………………XX

一、绪论……………………………………………………………XX

（一）课题背景及意义………………………………………………………XX

（二）无线能量传输技术研究现状…………………………………………XX

1.国外研究现状…………………………………………………………XX

2.国内研究现状…………………………………………………………XX

3.商用发展现状…………………………………………………………XX

（三）本文研究的目的和意义………………………………………………XX

（四）课题来源………………………………………………………………XX

（五）本文的研究内容………………………………………………………XX

二、引言……………………………………………………………XX

三、方案分析与论证………………………………………………XX

（一）系统分析………………………………………………………………XX

（二）方案的论证……………………………………………………………XX

1.方案一推挽拓扑………………………………………………………XX

2.方案二半桥拓扑………………………………………………………XX

3.方案三全桥拓扑………………………………………………………XX

四、原理分析计算与电路的设计…………………………………XX

（一）驱动信号源的产生电路………………………………………………XX

1.方案一模拟器件………………………………………………………XX

2.方案二单片机…………………………………………………………XX

3.方案三石英晶体振荡器………………………………………………XX

（二）驱动电路………………………………………………………………XX

1.SG3525芯片介绍……………………………………………………XX

2.IR2110芯片介绍……………………………………………………XX

3.电路仿真结果…………………………………………………………XX

（三）发射模块………………………………………………………………XX

1.升压电路………………………………………………………………XX

2.串联谐振电路…………………………………………………………XX

3.发射线圈选择…………………………………………………………XX

（四）接收模块………………………………………………………………XX

1.整流电路………………………………………………………………XX

2.并联谐振电路…………………………………………………………XX

3.接受线圈选择…………………………………………………………XX

（五）充电模块………………………………………………………………XX

1.方案一BUCK拓扑……………………………………………………XX

2.方案二BOOST拓扑…………………………………………………XX

3.方案三BUCK-BOOST拓扑…………………………………………XX

（六）显示模块………………………………………………………………XX

1.方案一数码管…………………………………………………………XX

2.方案二1206液晶屏……………………………………………………XX

3.方案三12864液晶屏…………………………………………………XX

（七）测量模块………………………………………………………………XX

1.方案一红外测距………………………………………………………XX

2.方案二超声波测距……………………………………………………XX

五、软件设计………………………………………………………XX

（一）MUC介绍………………………………………………………………XX

（二）单片机功能实现………………………………………………………XX

1.GPIO输入输出………………………………………………………XX

2.EXTI外部中断………………………………………………………XX

3.LPOWER低功耗………………………………………………………XX

4.TIMER定时器…………………………………………………………XX

5.CLK时钟………………………………………………………………XX

6.ADC模数转换…………………………………………………………XX

六、测试结果与误差分析…………………………………………XX

（一）硬件测试………………………………………………………………XX

（二）测试数据………………………………………………………………XX

（三）实物照片………………………………………………………………XX

1.整体照片………………………………………………………………XX

2.发射部分………………………………………………………………XX

3.接受部分………………………………………………………………XX

4.充电部分………………………………………………………………XX

5.测距部分………………………………………………………………XX

6.显示部分………………………………………………………………XX

（四）误差分析………………………………………………………………XX

结语…………………………………………………………………XX

参考文献……………………………………………………………XX

致谢…………………………………………………………………XX

附件…………………………………………………………………XX

今天确定了下目录，把产品大体介绍下。接下来就是每个部分的论述。看到了目录，大家估计可以想象出来这都是由什么东西构成的。

高材生就是不一样,顶楼主~~~~~~

不知道楼主打算设计的输入电压是多少？

高一点电压输入的难度会不会大一点点，比如100v，300v。。。。。。。

高压对于学生来说比较危险。所以学生一般都会倾向于作低压设计，因为经验不足的缘故吧。

不过楼主是高才生的节奏~~~~

楼主：前途大大滴好啊！专业选的不错，前景更不错！！！！哈哈，非常感谢。不过我没有去研发，做了FAE。以后多跟您们学习。辉煌兄去哪做FAE了以后就用你们公司的产品了哇，这么好啊，哈哈。我会给您们提供最好的服务 FAE好啊，解决客户各种问题，技术上要求蛮高！感觉更多是的是去怎么学习问题，差不多当成半个销售了。是的，您说的对，高压对于学生来说是危险的，经验不足是软肋。而且也要考虑成本的。学校更侧重于理论，没有什么实际的经验，您们都是我的老师。高才生是真不敢当的。不敢当不敢当。这个输入电压为直流15V输入。高一点的输入电压会有难度，不过理论上是行得通的。器件选择会有很大的难度，成本也相当的高了。谐振时候的电压幅值会很高的，后续我会把实验的谐振波形抓出来分享给大家。

一、绪论

（一）课题背景及意义

（二）无线能量传输技术研究现状

1.国外研究现状

2.国内研究现状

3.商用发展现状

（三）本文研究的目的和意义

（四）课题来源

（五）本文的研究内容

二、引言

三、方案分析与论证

（一）系统分析

（二）方案的论证

1.方案一推挽拓扑

2.方案二半桥拓扑

3.方案三全桥拓扑

四、原理分析计算与电路的设计

（一）驱动信号源的产生电路

1.方案一模拟器件

2.方案二单片机

3.方案三石英晶体振荡器

（二）驱动电路

1.SG3525芯片介绍

2.IR2110芯片介绍

3.电路仿真结果

（三）发射模块

1.升压电路

2.串联谐振电路

3.发射线圈选择

（四）接收模块

1.整流电路

2.并联谐振电路

3.接受线圈选择

（五）充电模块

1.方案一BUCK拓扑

2.方案二BOOST拓扑

3.方案三BUCK-BOOST拓扑

（六）显示模块

1.方案一数码管

2.方案二1206液晶屏

3.方案三12864液晶屏

（七）测量模块

1.方案一红外测距

2.方案二超声波测距

五、软件设计

（一）MUC介绍

（二）单片机功能实现

1.GPIO输入输出

2.EXTI外部中断

3.LPOWER低功耗

4.TIMER定时器

5.CLK时钟

6.ADC模数转换

六、测试结果与误差分析

（一）硬件测试

（二）测试数据

（三）实物照片

1.整体照片

2.发射部分

3.接受部分

4.充电部分

5.测距部分

6.显示部分

（四）误差分析

结语

参考文献

致谢

附件

先确定轮廓，之后就是一点一点往里填内容。

一、绪论

（一）课题背景及意义

尼古拉•特斯拉是最早提出无线能量传输构想的，他的目标是从自然界获取无穷无尽的电能，经过转换使用无线方式进行远距离输送，为此他搭建了特斯拉铁塔（TeslaTower）实验平台，用于研究将电力无线输送至全球各地，由于资金匮乏最终未能如愿，特斯拉虽然没有成功，但却给后世留下了宝贵的遗产，启发人们去不断探索。

随着科学技术的发展，基于特斯拉无线能量传输的构想，很多欧美学者展开研究工作，20世纪60年代，PeterGlaser提出了利用微波将太阳能从卫星输送到地面的想法【1】，70年代，利用电磁感应原理的电动牙刷研制成功，并在美国问世【2】，此后，随着消费类电子产品、大功率器件不断更新换代，以电磁感应原理为主的非接触充电技术得到更多的关注与应用，90年代，新西兰奥克兰大学成立研究中心，主要研究滑动式无线能量传输系统并获得重大进展【3】，21世纪初，美国麻省理工学院（MIT）研究人员提出了强耦合电磁共振原理，并实验成功引起世界注目【4】，随后几年，诸多国家掀起了无线能量传输技术的研究热潮。

传统的电能传输方式存在很多不足之处。现今人们生活水平不断提高，日常用品如手机、电脑、相机、Pad等电子产品日新月异，带给我们享受的同时，各种电源线、电源插头插座也带给了我们困扰，而且，电线的老化，插头插座的磨损，都会引起电击现象，对人们的生命财产安全造成威胁，特别是在一些大功率应用的工业场合如井下作业、石油采炼等，接触中即使再微弱的火花都会造成难以估量的损失，还有一些特殊环境如深山、野外、森林等，深埋地下或者暴露于空气中的输电线受到灰尘、雨水的侵蚀，久而久之必会损坏，对生活对工程产生很多不利的影响，其维护修缮费用也会极其高昂。在这些场合，如果使用无线供电方式，就能消除潜在的安全隐患，因为无线能量传输技术能够在非接触的情况下将电能输送过去，这样得以保证系统安全、可靠以及灵活的运作。

现今无线能量传输方式主要分为三类：电磁感应技术、电磁共振技术、电磁辐射技术。这三种技术采用的原理不同，传输距离也有很大差异，分别对应着近、中、远距离。

电磁感应技术（InductivelyCoupledPowerTransfer）现已比较成熟，它是由原边线圈通电产生磁场，而副边线圈必须处于这一磁场之中才能有效传输能量，因此传输距离相对较近（数十毫米之内），属于近场无线能量传输技术，但电能传输的效率却很高，能够达到99%，工作频率较低，一般在几十KHz。电力传输过程中使用的变压器就是最直接的应用，变压器原副边线圈实际并未相接，通过互感耦合来实现能量的传递，这种技术要求发射端和接收端的位置保持固定，两侧线圈一旦出现位移情况，那么传输的稳定性以及效率都会骤然下降。

电磁共振技术(MagneticResonantWirelessPowerTransfer)基于相同频率的振荡电路，只要振荡器设计合理，那么相隔一定距离（共振波长范围内）产生共振，能量通过电磁场为媒介相互传递，亦属于近场无线能量传输技术，传输距离相对较远（数十厘米到数十米），效率高，频率一般在MHz，因为共振波长数倍于振荡器尺寸，所以能量在传输过程中能够绕开或者穿透附近非磁性物体，不受其影响，也不具有特定的方向，并且磁场对周围人和其它生物几乎没有相互作用，安全性得以保证。

电磁辐射技术利用微波（MicrowavePowerTransfer）或者平行激光束（LaserPowerTransfer）实现能量的定向传输，属于远场无线能量传输技术，传输距离最远（数千米），由于空气吸收以及电能光能之间的相互转换，导致传输效率非常低，频率最高，一般在GHz，这类点对点传输要求接收装置与发射装置之间不能有障碍，而且激光和微波对生物体会造成不同程度的伤害。【5】

结合以上分析，由于电磁共振技术可分为电场共振式和磁场共振式，而电场会产生电动势容易引发危险，磁场与外界几乎没有作用，因此本文选择磁场共振式技术研究无线能量传输的机理特性。2006年，MIT明确提出了磁共振式无线能量传输技术，又称磁耦合谐振式无线能量传输技术，并从理论到实验都进行了验证，之后引起了世界关注，随后几年，此项技术发展迅速，众多欧美国家投入大量资金研究这一领域用于产品化，从电脑、手机等小功率电子产品到钻井平台、电动汽车等大功率设备，逐步渗透到方方面面。

可以这样概括，实现无限能量传输将会使人们的生活发生翻天腹地的变化：人们可以在出入公共场所时，将随身携带的电子设备通过预先安装在环境中的能量补给设备进行充电，从而无需携带各种充电器接口，更不需要为有线的公共供电设备而发愁；在医疗领域，设备的无线供电能力将成为一种极具吸引力的概念，因为患者绝对不愿意在体内更换电池，从而减轻了患者的痛苦；电池已不再是必需品，中国目前正在进行汽车试验，所研制的汽车带有庞大的电容，可以在每个站点或者停车场充电，所充电量足以让其行驶到下一个充电点；家庭中，各种家用电器也可以摆脱杂乱无章的电线，人们可以更加自如的摆放家用电器，消除电力线这个障碍。【6】

本文将在前人研究的基础上，加入创新，进一步缩小发射端和接收端的装置尺寸，进一步提升传输功率和传输效率，同时可直接为现今智能手机充电。实现电子设备间的无线能量传输，从而省去传统的传输电缆，达到随时随地获取能量，方便应用电子设备，节省能量传输成本的目的。

（一）无线能量传输技术研究现状

这项新型技术主要是用来传输电能，由于其非接触的特征，决定了在众多领域有着非常广泛的应用前景。传输功率以及传输距离在不同应用场合相差较大，从毫瓦级到千瓦级再到兆瓦级，从毫米级到厘米级再到数米级，无线能量传输技术已经应用到生物医学、交通运输、家用电器、水下设备、电池充电等多方面，很多公司已经将其商业化。【7】

1.国外研究现状

基于前人对于无线输电领域的研究工作，一些国家对于此项技术的研究都取得了一定的成绩。目前，无线能量传输研究方面，美国、日本处于领先地位，几乎占据了整个无线能量传输产品开发的前沿，这些国家的研究成果在无线能量传输的材料选取，传输效率及作用距离等方面各有其自己的特色与优势。

日本东京大学在麻省理工研究的基础上，重点研究了不同线圈结构下传输效率、谐振特性、阻抗匹配等问题，并分析了系统传输特性随耦合系数、传输距离、工作频率、线圈内阻等参数的变化情况，研制出可以给电动汽车充电的展示装置，传输功率在100W左右，传输距离为20cm，效率达到96%。【8】

2006年，美国麻省理工首先提出了磁共振式无线能量传输技术，团队成员使用两个空间螺旋状线圈作为发射端和接收端，隔着障碍物将两米外的一个60W灯泡点亮，谐振频率在9.9MHz附近。其后，美国威斯康辛大学设计了能够传输220W的无线装置，但是距离缩短至30cm，传输效率却明显提升。【9】

匹兹堡大学主要研究医学领域，他们利用无线能量传输技术为可植入式设备提供非接触充电，主要也是基于麻省理工强耦合磁共振原理，由于是应用于医学，属于小功率能量传输，因此，发射端和接收端螺旋状线圈尺寸都较小，特别是接收端只有几十毫米乃至几毫米，完全适合医学植入使用，但是传输效率很低，距离在90mm时传输效率为22.3%。【10】

国际上还有很多知名大学或者组织机构致力于此项技术的研究，不列颠哥伦比亚大学主要研究小功率领域，他们利用电路耦合理论，经过一系列计算得出能够反应系统传输特性的表达式，包括传输功率、传输效率等，并进行了优化分析；华盛顿大学和卡内基梅隆大学利用电路耦合理论并结合实验分析验证了频率分叉现象，即在不同谐振补偿结构下，不同参数条件下，谐振频率点会出现分叉，从一到二或者二到一；三菱电机研究所则通过研究电磁材料，通过增大耦合系数的方式，提高能量传输功率和效率。【11】

2.国内研究现状

国内也有部分科研机构致力于无线能量传输技术的开发，主要研究方向为实现手机及笔记本电脑等小型电子设备的自动供电，从而摆脱对于固定终端供电设备的依赖，动态的进行电能补给，提高人们的生产生活质量。

上海交通大学电子与信息研究中心研发了基于无线能量传输技术的用于医学内诊镜的微型机器人。传统的内诊镜需要传输线来供给能量和传输信号，同时随着传输线进入体内长度的增加会对微型探测设备起到阻碍作用，不但对于医务人员操作困难，也会让患者在诊断过程中十分痛苦，难以忍受，有时还会对人体肠道内部造成损伤。而基于无线能量传输技术的内诊镜就解决这方面的问题。【12】香港理工大学与匹兹堡大学研究人员一起合作，主要从事用于传感器和医疗设备小功率无线传输设备的研究；华南理工张波教授及其团队利用电路理论建立互感耦合模型，分析了传输效率最大化所具备的条件，以及系统各参数的变化对传输特性的影响；【13】中山大学和东南大学研究人员在麻省理工的基础上，研制出一系列能够传输功率的无线装置；【14】此外，天津工业大学、河北工业大学、浙江大学、四川大学的研究人员都致力于此项技术的应用研究，并建立了良好的理论基础，但各自研制的无线能量传输装置普遍存在传输功率小、传输效率低的问题，仍亟待解决。

目前，国内对于无线能量传输研究还比较少，能量的有效传输距离及接受效率都是首要解决的问题。实现高效长距离能量传输还面临着极大的挑战，随着科研水平的不断提高，及国内外科技交流的不断加深，实现无线能量传输必有广阔的前景。

3.商用发展现状

2008年，无线供电联盟（WirelessPowerConsortium，简称WPC）成立，旨在制定一套通用标准。2010年，WPC发布了第一个标准，主要针对传输功率在5W以下的电子产品，又称“Qi”标准，规范了无线充电装置的设计标准，不同厂商开发的电子产品如需无线供电功能就必须按照此标准统一设计处理，这样有利于无线能量传输技术的推广以及无线充电装置的通用化，目前新的“Qi”标准正在酝酿。【15】

2009年，美国Witriciy公司在TED全球大会上展示了给液晶电视无线供电的技术，2010年，继Witriciy公司之后，中国的海尔集团在美国CES展览会上也推出了液晶电视无线供电技术，因为舍去了输电线和信号线，俗称“无尾电视”。【16】

新西兰奥克兰大学主要研究滑动式非接触供电技术，包括电动汽车、井下设备、起重机等，目前，传输功率能做到200KW，传输效率高达85%以上；【17】德国奥姆富尔公司建造的IPT测试系统，长400m，气隙为120mm，功率达150KW，载人电动列车也已试验成功；【18】

2011年，东京车展上三菱汽车公司也推出了能够无线供电的电动汽车，充电装置传输功率3kW，传输效率高达90％以上，并且接收端和发射端能够存在一定的位移，水平方向和垂直方向均可偏离20cm。

除此之外，还有日本丰田公司、美国WiTricity公司、中国的比亚迪公司、上汽公司等都在积极研究电动汽车非接触充电技术，并推出了相应的电动汽车系列，相信在不久之后，无线能量传输技术会不断完善，应用领域也会更加广泛。

（一）本文研究的目的和意义

我国人口众多，电力需求大，电子设备应用普遍。手机，笔记本电脑都远远超过其他国家数量。然而，手机和笔记本电脑这样被誉为现代化的快捷电子设备还是要拖着长长的电线，给我们的生活有时会带来不便。实现无线能量传输将会使人们的生活发生翻天覆地的变化。无线能量传输技术在国外已经发展到一定程度，在很多领域已经研制出可以应用产品并且商业化，而在国内，此项技术尚属于起步探索阶段，明显落后于欧美国家，相对于传统输电方式，无线能量传输技术所具有的优势使之在诸多场合得以应用，发展无线能量传输技术已经是未来所需。

本课题研究的目的和意义在于实现电子设备间的无线能量传输，从而省去传统的传输电缆，达到随时随地获取能量，让人们应用电子设备更加便捷，享受优质的生活。

（一）课题来源

本课题来源于“2014年TI杯黑龙江省电子设计大赛F题”，该题目要求设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置。

保持发射线圈与接收线圈间距离x=10cm、输入直流电压U1=15V时，调整负载使接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。

输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。

本课题在电子设计大赛题目之后做出创新改进，增加了超声波测距以及直接可为智能手机充电功能。深入研究系统的距离和效率问题。

（一）本文的研究内容

本课题重点研究在提高效率的同时尽可能增加传输距离。利用磁共振式原理，无线能量传输系统的各项机理特性，并设计一套无线能量传输装置，进行实验，获得需要的结论，最终达到预期的要求，主要研究内容包括以下几个方面：

1)串联-并联拓扑结构下，整个系统的理论计算，并将结果作对比分析，包括工作频率、电感大小、谐振电容容值，负载值等对传输特性的影响。

2)对于给定的输入电压，提高传输时谐振电压幅值，最大化的提高系统传输功率。

3)根据理论结果，设计驱动信号、驱动电路、LC谐振、半桥结构、整流电路，充电电路等软硬件部分。

4)展开实验，主要研究在某一谐振频率附近磁共振式系统的各项传输特性，包括工作频率、电感大小、谐振电容容值，负载值等变化带来的实际影响，并与所得理论结果进行对比验证。

百度，知网,搜狗，谷歌找了好多资料，好麻烦啊。资料搜集很繁琐，引用了很多文献，论文的资料，供大家来参考。有些地方也许是某些大佬来总结的，小弟先拿来借用学习了。谢谢。

连发三张图，大家观察出来什么了么？

啦啦啦啦啦啦，我来啦，顶下啊波形不一样啊，为啥呢是的，波形不一样。

你是用模拟软件做出来的吗

saber，第一张图是谐振么？97.7uH和前级滤波电容形成谐振能说明下原理么？

无标题

psim做了下仿真，我也不太明白，有高人做下解释么电路的品质因数Q该怎么计算呢？稍后就会更新出来，谢谢关注。楼上有心了，发生谐振了，后续会解释这一现象。楼主请教下，你这个图的开关频率和谐振频率怎么不一样啊？

投票正式开始，投出的每一票都至关重要，最终大奖花落谁家?我们拭目以待...扫描

点击：

该参赛作品编号为NO.8

二、引言

电磁共振式又称WiTricity技术）是由麻省理工学院（MIT）物理系、电子工程、计算机科学系，以及军事奈米技术研究所（InstituteforSoldierNanote-

chnologies）的研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物体间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。和所有的能量传输方式一样，无线能量传输必须解决的三个问题是传输效率，传输功率和传输距离。本文从这三个方面展开实验性探索与研究。旨在实现大功率、远距离、高效率的能量传输。

本文研究时会采取分部调试，逐一讨论各个方案的特点与优势，最终完成整套无线能量传输系统的设计工作，并不断优化和改进，保证系统大功率下能够稳定高效的传输能量。最后将对整个传输系统作具体的实验研究，包括不同传输距离，不同耦合系数，不同工作频率，不同负载值下系统的传输特性，并且对发射端和接收端有相对位移时系统能量传输的变化情况进行了特定研究。

三、方案分析与论证

（一）系统分析

谐振式无线电能传输装置大体包括：驱动信号源的产生，驱动电路，发射模块，接受模块。其驱动信号源大致可分为模拟器件产生，单片机产生PWM以及石英晶体振荡器三类。驱动电路为了提高信号的驱动能力往往需要加入驱动芯片使系统可以正常的运行。发射模块中谐振电路尤其重要，可分为并联谐振和串联谐振，本文中发射模块采用串联谐振。接受模块与发射模块耦合的重要性至关重要，耦合良好是系统能否传输大功率，高效率的重要保证。

（一）方案的论证

1.方案一推挽拓扑

推挽变换器的拓扑结构如图所示。该变换器结构简单，通过两个开关管的交替导通实现能量的传递。推挽变换器中的变压器是双向励磁，相同尺寸的磁芯，推挽变换器可以比正激变换器传输更大的功率，利用率高。在工作过程中，输入回路中只有一个开关管的导通压降，产生的导通损耗相对较小，因此特别适用于输入电压较低的电源系统。但是该变换器存在磁偏的问题，电路必须具有良好的对称性，否则容易引起直流偏磁导致磁芯饱和。开关管理论上承受两倍的输入电压，但由于漏感的存在，开关管关断时的电压尖峰大于该值。所以要求变压器必须紧密耦合，以减小漏感，另外对开关管的耐压也提出了新的要求。

优点：结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。

缺点：变压器带有中心抽头，而且开关管的承受电压较高；由于变压器原边漏感的存在，功率开关管关断的瞬间，漏源极会产生较大的电压尖峰，另外输入电流纹波较大，因而输入滤波器的体积较大。

如图为串联谐振软开关推挽电路，该电路建立在推挽电路的基础上，包括MOSFET开关管（T1、T2），串联谐振电路（L-C），输出整流器，输出电容(Co)和负载（RL）。旁路电容（CT1、CT2）利用MOSFET开关管漏源极间的寄生电容，串联电感（L）利用变压器的副边的漏感。电路工作开关频率选择在低于并接近谐振电路（L-C）的谐振频率。

2.方案二半桥拓扑

半桥结构如图所示，它是两个功率开关器件以图腾柱的形式相连接，以中间点作为输出，提供方波信号。这种结构在PWM电机控制、DC-AC逆变、电子镇流器等场合有着广泛的应用。上下两个管子由反相的信号控制，当一个功率管打开时，另一个关断，这样在输出点Out就得到电压从0到电源输入电压的脉冲信号。由于开关延时的存在，当其中的一个管子栅极信号变为低时，它并不会立刻关断，因此一个管子必须在另一个管子关断后一定时间方可开启，以防止同时开启造成的电流穿通，这个时间成为死区时间。

该变换器的变压器双向励磁，利用率高，不存在变压器的偏磁问题，开关管相对较少，成本低。半桥变换器的不足在于存在直通问题，需要复杂的隔离型驱动或者非隔离的浮地驱动电路，可靠性低。开关管承受的最大电压为输入电压，开关管电压应力相对较低。半桥电路相较全桥电路具有成本低、控制相对容易的优势，但是由于半桥电路的变压器输入电压仅为约正负(1/2)Vin,相对全桥电路当输入电压输出电压相同时，传递相同的功率半桥电路原边开关管承受的电流应力要比全桥电路大得多（约为两倍），半桥电路一般应用于中小功率（1KW以下）场合。

如图为半桥串联谐振，原边为半桥串联谐振，副边为半桥并联谐振。

如图说明，串联谐振电路与并联谐振电路，其等效阻抗值跟工作频率值的关系是不一样的。串联谐振电路，工作在谐振频率时候，等效阻抗值最小；并谐振电路，工作在谐振频率时候，等效阻抗值最大。当驱动信号和LC的谐振频率一样的时候，线圈两端的电压会变成正弦波而且幅值很高。而半桥谐振拓扑又可以成为天然的软开关，提高系统效率。

3.方案三全桥拓扑

全桥变换器如图所示，该变换器的变压器双向励磁，利用率高，能够传输高的功率等级，易采用软开关工作方式。开关管承受的最大输入电压为输入电压，电压应力低。全桥变换器的不足在于结构复杂，功率器件较多，成本高；控制及驱动发杂，可靠性低，需要多组隔离性驱动电路或者非隔离的浮地驱动电路；变换器磁芯存在直流偏磁现象，桥臂存在直通危险。在工作过程中，输入回路中有两个开关管的导通压降，所以并不适合输入电压较低的电源系统。全桥变换器一般应用在工业大功率场合。

如图为移相全桥软开关变换电路，零电压全桥软开关变换电路是在全桥硬开关PWM变换电路的基础上发展起来的，它综合了PWM控制技术和软开关技术的优点，在大范围内实现恒频PWM控制，而在功率器件换流期间实现零电压开关，降低了功率开关器件的应力，减小了开关损耗，降低了干扰，提高了系统的可靠性。特别是采用功率MOSFET作为功率开关器件的变换器中，全桥开关变换电路是目前很有吸引力的软开关电路拓扑。其缺点是成本高，驱动信号复杂，稳定性差。

综上所述，我们选择方案二。半桥谐振拓扑结构具有成本低，驱动信号相对容易，可提供更高的功率和效率。

四、原理分析计算与电路的设计

（一）驱动信号源的产生电路

驱动信号源对于此系统来说尤其重要，驱动信号的稳定性，可靠性是本设计的核心之一。驱动信号的产生又分为很多种，有用模拟器件产生，也可以有单片机来产生PWM信号控制占空比来驱动，还可以用石英晶体振荡器来产生。

1.方案一模拟器件

SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。如下图为驱动信号的产生电路。

2.方案二单片机

单片机扩展AD，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，输出PWM波，直接控制电源的工作。这种方式单片机介入电源工作最多。这种方式是最彻底的单片机控制开关电源，但对单片机的要求也最高，要求单片机运算速度快，而且能够输出足够高频率的PWM波，这样的单片机价格非常高。

3.方案三石英晶体振荡器

石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。但在本设计中要求频率可变，随时可调，故不选用。

综上所述，我们选择方案一，用SG3525来产生PWM波。

（二）驱动电路

在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。

光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十kHz。电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快（脉冲的前沿和后沿），原副边的绝缘强度高，dv/dt共模干扰抑制能力强。但信号的最大传输宽度受磁饱和特性的限制，因而信号的顶部不易传输。而且最大占空比被限制在50％，信号的最小宽度又受磁化电流所限。脉冲变压器体积大，笨重，加工复杂。美国IR公司生产的IR2110驱动器。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。

1.SG3525芯片介绍

SG3525是电压型PWM控制器，它的输出级采用推挽电路，双通道输出，每一通道的驱动电流最大值达500mA,能够直接驱动功率MOSFET。其工作频率可高达400K，具有欠压关断，可编程软启动等特点。其内部集成了精密基准电源，误差放大器，带同步功能的振荡器，脉冲同步触发器，图腾柱式输出晶体管，PWM锁存器，软启动电路，关断电路和欠压锁定电路。由于它简单，可靠及使用方式灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，因而被广泛用于开关电源，电机调速等控制电路中。

SG3525各引脚功能说明：

1脚：误差放大器的反相输入端；

2脚：误差放大器的同相输入端；

3脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率fS要低一些；

4脚：振荡器输出；

5脚：振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2～150kΩ；

6脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率fs＝1／CT（0.7RT+3R0）,R0为⑤脚与⑦脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容范围为0.001～0.1μF；

7脚：振荡器放电端，用外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0～500Ω；

8脚：软启动端，外接软启动电容，该电容由内部Uref的50μA恒流源充电；

9脚：误差放大器的输出端；

10脚：PWM信号封锁端，当该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁，该脚主要用于故障保护；

11脚：A路驱动信号输出；

12脚：接地；

13脚：输出集电极电压；

14脚：B路驱动信号输出；

15脚：电源，其范围为8～35V；

16脚：内部＋5.1V基准电压，基准电压调整器是输出为5.1V,50mA，有短路保护的电压调整器。它供给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。

SG3525振荡电容，电阻以及放电电阻的选择：选择放电电阻

,震荡电阻选择滑动变阻器502，震荡电容CT=1nF。,

开关频率freq=1/2*fosc。

1.IR2110芯片介绍

IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，DIP14脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=±50V/ns，15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。

IR2110的内部功能框图如图所示。由三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱动电源的数目。

3.电路仿真结果

如图所示，SG3525外围电路接好后，输出了两路相差180°的方波，震荡一脚也出现了锯齿波，驱动频率和理论值相符。

（三）发射模块

1.升压电路

谐振电压幅值与基础电压有关，基础电压越大，就可以提高谐振电压幅值。提高谐振电压幅值，有利于无线发射和接收的传输效率，传输功率以及传输效率。在基础电压一定的前提下，采用升压电路可以极大的改善装置的效果。如图，为BOOST电路的拓扑结构图。

Boost升压电路的英文名称为“theboostconverter”,或者叫“step-upconverter”,是一种开关直流升压电路，它能够将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也成为直流——直流变换器（DC-DCConverter）。直流-直流变换器通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。

充电过程：BOOST在充电的过程当中，开关闭合（mos管导通）时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入时直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感离储存了一些能量。

放电过程：当开关管断开（mos管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高宇输入电压了，升压完毕。

升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。

2.串联谐振电路

串联谐振（Seriesresonance），是指在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性的这种现象。

RLC串联电路如图所示，改变电路参数L、C或电源频率时，都可能使电路发生谐振。

请问那个谐振角频率和谐振频率是不是写错了，是不是少一个根号？？？

3.发射线圈选择

发射线圈有多种选择，可以选择为多层同心铜芯线圈以及单层同心圆铜芯平面线圈等。经过测试多层同心圆铜芯平面线圈制作的装置传输效率更高，线圈之间的距离X达到更大，且双层同心圆铜芯平面线圈制作误差小，性能稳定，所以我们最终选择了多层同心铜芯线圈。

（一）接收模块

接收端要求直流电流，而接收线圈与电容谐振后得到高频的交流电流，因此必须整流，得到直流电流。在接收端并联谐振电路接收能量比串联谐振电路接收能量要好很多。

1.整流电路

如下图为半波整流，半波整流是指利用二极管的单向导电性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。

没有滤波电容时输出直流电压为:

其输出电压小，为了提高能量传输功率，此方法并不采用。

如下图为全波整流，全波整流是一种对交流整流的电路。在这种整流电路中，在半个周期内，电流流过一个整流器件（比如晶体二极管），而在另一个半周内，电流流经第二个整流器件，并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。全波整流整流前后的波形与半波整流所不同的，是在全波整流中利用了交流的两个半波，这就提高了整流器的效率，并使已整电流易于平滑。因此在整流器中广泛地应用着全波整流。在应用全波整流器时其电源变压器必须有中心抽头。无论正半周或负半周，通过负载电阻R的电流方向总是相同的。全波整流输出电压的直流成分增大，脉动程度减小，但变压器需要中心抽头、制造麻烦，本装置并不适合。

如下图为桥式整流，二极管导通时给电容充电,二极管截止时电容向负载放电;滤波后输出电压Uo的波形变得平缓,平均值提高。与半波整流基本相同，但在半个周期内U2对C充电一次，电容对负载放电时间缩短，输出电压波形更加平滑。有负载时输出电压：Uo=1.2U2。无负载时输出电压：Uo=根号2倍U2。故我们选择桥式整流来作为我们的输出整流电路。

2.接受线圈选择

接收线圈有多种选择，可以选择为多层同心铜芯线圈以及单层同心圆铜芯平面线圈等。经过测试多层同心圆铜芯平面线圈制作的装置传输效率更高，线圈之间的距离X达到更大，且双层同心圆铜芯平面线圈制作误差小，性能稳定，所以我们最终选择了多层同心铜芯线圈。

敢不敢在中间放铁片。

放过的，只要不挡严，都可以的