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基于电能谐振磁耦合无线供电的无线鼠标的设计与实施

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  • 更新时间2015-09-16
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葛彦军 GE Yan-jun;许坤 XU Kun;周盼盼 ZHOU Pan-pan;刘青松 LIU Qing-song

(嘉兴学院,嘉兴 314001)

摘要: 本文利用电能的谐振磁耦合传输原理,设计了一种电能无线传输的电路,给无线鼠标提供工作电源。装置包括发射部分和接收部分,从计算机USB取电,通过高频逆变电路,将直流电转换为高频交流电,通过发射线圈发射出去。接收线圈接收电能,整流滤波后为鼠标供电。

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关键词 : 谐振式磁耦合;无线鼠标;无线传输

中图分类号:TH215 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2015)26-0103-02

基金项目:本文得到嘉兴学院大学生重点创新计划(编号:851714044)的资助。

作者简介:葛彦军(1993-),男,浙江杭州人,嘉兴学院南湖学院电气专业学生,研究方向为电能的无线传输与电气控制。

0 引言

目前,大部分的无线鼠标的电源由电池提供,但电池的使用寿命短,更换频率快,这样会给使用者带来很大的麻烦,且造成环境污染,为了解决这一问题,本文使用谐振式电磁耦合方式,把电能无线传输运用到无线鼠标上,可为鼠标的正常工作提供持续能量。

1 谐振耦合电能无线传输原理

谐振耦合电能传输的原理是利用电磁感应原理实现电能传递,通过谐振耦合能量的方法是使两个线圈发生谐振,使能量从一个线圈传输到另一个线圈,即利用两个LC电路,一个作为电能的发送端,另一个作为电能的接收端,当高频激励信号的频率同发射回路与接收回路的频率相同时,两个LC回路处于谐振工作状态,发射回路的电流值达到最大值,线圈发射的功率最大,接收回路也获得最大功率。

2 系统总体方案

系统总体设计方案如图1中所示,发射部分和接收部分组成了无线电能传输系统。电能无线输电系统包括发射源、发射系统、接收系统、负载等部分,高频逆变电路、线圈组成了发射部分;另一线圈和整流滤波电路组成了接收部分。

电能从计算机中的USB接口获得+5V的电源(DC),通过自激振荡电路产生约100kHz的高频振荡电流,发射线圈将能量以电磁波的形式发射出去,接收线圈将电磁波接收,接收到的电流需要经过整流滤波电路,再有集成稳压芯片构成稳压电路,变换成鼠标工作所需的直流电(3.3V),给鼠标提供电源。由于鼠标工作时要实现自由动作,因此就会改变线圈之间距离,使磁路中存在很大的漏感,很低的耦合系数,这样系统的传输功率会受到限制,从而影响系统的正常工作和工作效率。谐振补偿电路用来消除传输系统中松耦合产生的影响。

3 电路设计与实施

发射端电路由高频调制、L1C1谐振、功率放大器构成。NE555构成振荡频率为100kHz的信号发生器,为发射电路提供激励信号,信号经光电耦合芯片隔离后驱动MOSFET的关断。光电耦合芯片采用HCNR201,其线性度可达0.05%信号带宽可大于1MHz。电路采用IRF540-N场效应管构成桥型逆变电路,同时可将谐振信号进行有效的放大,将信号提供给L1C1并联谐振电路。

接收端电路由L2C2谐振、整流电路、稳压电路构成。整个电路安装在鼠标中,整流电路即将交流电(AC)转化为直流电(DC)的装置,在本设计中采用了体积较小的集成桥式整流芯片MP6S(0.8A)进行整流,整流后经MC34063双极性集成芯片构成BUCK稳压电路,电路输出电压为3.3V。

4 线圈设计与实施

在能量的发射与接收中线圈起重要的作用,试验表明,线圈半径越大,传输距离越大,因此,线圈安要求尽量做的大一些,对于发射线圈,由于和发射电路一起安装在计算机的USB接口,线圈可以大一些,发射线圈用1mm的漆包铜线,绕制半径200mm,匝数10匝。对于接受线圈,由于鼠标内部空间的限制,所绕制的接受线圈应尽可能的小,并要求一定的体积内能输出最大的功率。漆包线直径越大,在相同的体积下匝数就会较少,直径越小,在相同的体积下匝数就会较多。通过实验,在匝数较多的情况下,线圈输出的电压越大,因此,设计中采用了直径为0.15mm的漆包铜线,匝数为6000匝,绕制半径10mm。

由于鼠标在工作中的自由运动,改变了两线圈的距离,影响了电能传输的效率,本设计中采用了并联电容的作为补偿电路以提高传输效率。

5 实验与结论

本设计方案确定后,首先利用PROTUS软件对方案进行了仿真,仿真结果表明了方案的可行性,然后,搭建了实际电路进行了实验测试,实验表明,该电路发射端与接收端相距50CM时,输出端输出电压最大可达8.8V,传输功率可达350MW。传输距离达到1.5米时,输出电压可达到3.5V。本设计完全可以满足无线鼠标的电源供电。

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