基于MAX887的无线开关电源

摘要：无线电源是通过电磁波进行电力传输,从而省去了连接电源线和电源插座的麻烦的一种新型电源。本无线电源分为无线发射部分和接收部分，充分结合了磁耦合技术和开关电源技术。该电路使用了低门限电压的场效应管，从而可以使用低功耗的施密特触发器来产生驱动信号，降低了发射电路的损耗。该电路在实验过程中以开关电源推挽式结构为原型，改进得到一个附加了LC串联谐振回路的反激式结构，在同等工作频率、工作电压的状态下，得到了比推挽式结构更高的效率和输出功率。在10V电源供电下，线圈零距离耦合时效率达到了46.25%，输出功率为1.6598W，输入功率为3.59W。能接收到电能时两线圈的距离范围为0-3㎝。具有给电池充电的功能，同时采用YJD128C-1液晶显示其输出电压, 具有良好的人机界面。

关键词：无线，磁耦合，发射，接收，推挽。

Abstract: The loop coupling wireless power supply is make use of the electromagnetism wave to transfer the electric power, accordingly taking out connecting to electrical source wire and electrical outlet. This simple wireless power supply can divide into wireless transmit part and receive part, taking full advantage of the loop coupling theory and switch power supply technic. The circuit use the low-gate voltage MOSFET, thereby the schmit flip-flop can be used to produce the drive signal, reducing the transmit circuit’s wastage. During the testing process, the circuit use the on-off power supply’s pull and push structure as prototype, gaining a additional LC in series resonance circuit, which is also a opposite sharp structure. In the same frequency，and in the work state of work voltage, receiving even more high efficiency and output power. Under the power supply of 10V, zero-distance efficiency reach 46.25%, output power is 1.6598W, input power is 3.59W. And the distance range is 1 to 3 ㎝when the receive loop can receive the power. Besides the system can charging the battery, measuring and displaying the output voltage and power, therefore achieving the nice interface between machine and man.

Key words: wireless, loop coupling, transmit, receive, push and pull. 

1.系统设计

1.1设计要求

   该无线电源要求发射部分功率在5W以下时,输出功率至少在1W以上，其最大效率能达到40%以上。无线接收部分要求能稳定带负载，并且具有给电池充电的功能。同时还要求能够显示输出电压。

  1.2总体设计方案

1.2.1设计思路

无线电源的电能传输是依靠两个线圈的电磁耦合。这两个耦合线圈与在开关电源中的高频变压器的功能相同。用耦合线圈代替高频变压器是可行的，但效率会很低，传输的功率及效率会随着距离的增大而减小。线圈耦合原理图如图1.2.1所示。

图1.2.1 线圈耦合原理图

1.2.2方案论证与比较

⑴PWM信号发生的方案论证与选择

方案一: 采用施密特触发器。施密特触发器5V供电时产生方波的峰值不超过5V，这就需要使用低门限电压的场效应管。同时，施密特触发器的输出电流不能带动场效应管，需要外接图腾柱。但总体功耗比PWM调制芯片要低。此处采用六通道施密特触发器CD40106,利用其中一个通道产生方波。CD40106应用原理图如图1.2.2所示。通过调节电位器的大小来改变输出方波的频率。

图1.2.2 CD40106应用原理图

方案二：采用SG3525芯片。专用PWM产生芯片内部集成有PWM产生电路，外围电路简单，且产生PWM信号的精确度高，可以减小谐波误差的产生。由于SG3525具有直接驱动功率场效应管的能力,并具有内部基准源和运算放大器和欠压保护功能，因此其外围电路很简单。

方案比较：基于以上分析，出于对功耗和效率的考虑，选用方案一。

    ⑵电路拓扑结构的方案论证与选择

    方案一：采用半桥式拓扑结构。半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次侧，这导致电流峰值增加，因此半桥电路只在500W或更低输出功率场合下使用。半桥式拓扑结构原理图如图1.2.3所示。

图1.2.3 半桥式拓扑结构图

        方案二：采用推挽式拓扑结构。推挽电路是两不同极性晶体管输出电路无输出变压器（有OTL、OCL等）。是两个参数相同的功率 BJT 管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推挽式拓扑结构原理图如图1.2.4所示。

图1.2.4 推挽式拓扑结构图

方案比较：半桥式拓扑结构的发射线圈只需要一个，但是需要两路PWM信号进行驱动，并且需要绕制驱动变压器或者使用半桥驱动芯片。推挽式拓扑结构发射线圈需要两个，也需要两路PWM信号驱动，但不需要另加驱动电路。出于成本和制作方便的考虑，初制时使用推挽式拓扑结构。

1.2.3 系统组成

  该系统分为无线发射部分、线圈耦合、无线接收和显示部分。其系统框图如图1.2.5所示。

图1.2.5 无线电源系统框图

2. 单元硬件电路设计

2.1发射部分电路的设计

在调试的过程中，发现取出推挽式电路的另外一边的开关管后输出效率比原来的高，于是最终发射部分原理图如图2.1.1所示。、、、、、、为零电压电容（ZVC），起到零电压关断的功能，降低开关损耗。、、、与、构成并联谐振回路，使得线圈中的波形有软的性质，更好地传递能量，并起到一定的吸收作用。

图2.1.1 无线发射部分原理图

2.2接收部分电路的设计

 接收部分原理图如图2.2.1所示。接收线圈经过两个快恢复二极管整流后，经过一个LC低通滤波器，去掉高频分量得到直流电压，为保护负载，再在负载两端并上一个3.9V稳压管稳压到3.9V以免电压过高烧坏负载。PFC电感计算公式如下：

                                                (2.2.1) 

                                                      (2.2.2)      

式中,为电流连续工作状态下的电感临界值，单位为µH。为输出电压，单位为V。为占空比。为输出功率，单位为W。为开关频率，单位为Hz。

图2.2.1 无线接收部分原理图

2.3发射线圈和接收线圈的绕制方法

  初制发射线圈时，采用两根直径为0.46㎜的漆包线绕20圈，线圈直径为120㎜，电感值为96µH。在实际调试后，最终确定电感值为41µН，线圈直径为120㎜，匝数为13匝。和均为发射线圈。，为接收线圈,与发射线圈的电感值相同。

2.4驱动电路的设计

 驱动电路原理图如图2.4.1所示。驱动电路采用施密特触发器CD40106构成频率可调的方波发生电路。由于采用的是低门限电压的场效应管，考虑到单纯直流方波驱动会使得驱动信号为低电平时有可能不为零（使得场效应管工作在放大区或轻微导通），所以外接图腾柱扩流后接一个驱动变压器，把直流驱动信号变为交流，这样就不会出现上述情况，从而提高了效率。

图2.4.1 驱动电路图

2.5 驱动变压器的绕制

 驱动变压器的绕制比较关键，如果取值不合适就会使得驱动波形失真，从而导致场效应管不能完全导通，这会增加开关损耗。驱动变压器的初级绕组可采用以下公式进行估算。

                                           （2.5.1）

式中，为有效磁心面积，单位为；为最大磁通密度，单位为T。                                          

 在实际测量调整后，初级绕组为11匝。为了是场效应管尽可能的完全导通，驱动变压器的次级绕组为初级的2倍，提高了驱动电压。

2.6 充电电路的设计

   依据电池充电原理,将无线电源输出端电压降压到3.3V,再给最大电压为3.3V的电池充电。MAX887是最大占空比达到100%、低噪声、降压型、PWM 的DC-DC转换器。该电路为BUCK电路拓扑结构，其效率可达到95%。其中为储能电感,当频率为300-400kHz时，电感的取值为33µH。输出电压的计算公式如下。是500kΩ精密可调电位器，此处的大小为165kΩ。

                                                (2.6.1)

式中， =165kΩ， =100kΩ，计算得出输出电压为3.3V。                                     

图2.6.1 充电电路原理图

3. 软件设计

3.1 ADC0832转换电路的设计

   ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。它体积小，兼容性强，性价比高。正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、

DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。ADC0832工作时序图如图3.1.1所示。

图3.1.1 ADC0832工作时序图

    ADC0832的接线原理图如图3.1.2所示。ADC0832的接线图比较简单，将D0和DI短接，CLK，和D0分别与STCC52 单片机的端口连接。CH0和CH1分别为电压输入通道0和通道1，此处用到通道0来测量无线电源输出的电压。

图3.1.2 ADC0832原理图

3.2 液晶显示电路的设计

开发仿真软件使用Keil uVision2，C语言编程。采用YJD128C—1（汉字图形点阵液晶显示模块），可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及X256点阵显示RAM（GDRAM），显示内容为128列×行。该模块有并行和串行两种连接方法，在本设计中采用并行连接方法。该部分利用STCC52单片机来控制液晶显示，显示输出电压。在电路中液晶D0～D7数据口接单片机的P0口，LCD—E、LCD—RS、LCD—RW 、LCD—RST、LCD—PSB、LCD—BUSY分别接单片机的P3.2、P3.0、P3.1、P3.5、P3.3、P0.7口。

程序流程图如图3.2.1所示。具体程序在附录4列出。

图3.2.1 程序流程图

4.系统测试

4.1 测试使用的仪器

测试仪器与使用设备如表4.1.1所示。

表4.1.1 测试仪器与设备

⑴ 耦合线圈零距离传输功率及效率测试

在确定了发射部分电路的情况下，还要经过调试确定无线电源得到最大效率时CD10406输出方波的频率值。由于施密特触发器产生得方波频率波动不够稳定，经过测试，当方波频率在67-70kHz的范围内时达到最大效率46.25%。

1）输入输出功率定义

       电源的输入功率是指电源的输入端的电压和电流的乘积。电源的输出功率是指在电源输出端接入负载后，电源输出端两端的电压和电流的积。

                                        (4.2.1)

2）测试方法

调节改变方波输出电路的频率到67-70kHz,并将发射线圈和接收线圈完全耦合。

测量电路如图4.2.1所示。

图4.2.1 测试方法图

3）测试结果如表4.2.1所示。

表4.2.1测试结果

 其中输入1是VCC，为10V。输入2为CD40106的供电电压VDD，大小为5V。

⑵ 距离范围的测试

当发射线圈与接收线圈之间的距离发生变化时,磁场强弱也会变化,因此输出电压的大小也会随着改变。即当发射线圈与接收线圈之间距离增大时，磁场变弱，输出电压减小。以距离步进1㎝的高度，测得不同的电压、电流及功率的大小如下表4.2.2所示。

表4.2.2 距离范围的测试

利用电池充电原理，在无线电源接收输出部分接上一个最大电压为3.3V的可充电电池。该电池初始电压小于1V,不能点亮LED点阵，经过约3分钟后用万用表测量电池两端电压，电池电压值为3.3V，并能点亮LED点阵。

⑷ 多组输出的测试

使用多个接收线圈与同一发射线圈同时耦合，可带多组负载并增加输出功率。基本框图如图4.2.2所示。

图4.2.2  多组输出测试基本框图

    测试结果如表4.2.3所示。从测量数据可以看出在不同的测量方式下各负载的输出功率值相近，存在一定误差，但误差不大。负载直流电机1和直流电机2完全相同，但接收线圈的匝数与线径不同。其中接收线圈1的线径为0.7㎜,匝数为18匝，接收线圈2线径为0.46㎜,匝数为13匝。由此可知，当接收线圈的线径和匝数越大，能接收到的电流越大。

图4.2.3 多组输出测试结果

                                                        (4.2.2)

相对误差计算公式如下。

                                                   (4.2.3)

4.3 结果分析

对以上结果进行分析，得到不同的发射线圈都匹配一定的频率使得传输效率达到最高。改变输出功率可以从频率和发射线圈入手。在现有的基础改进时，可以从继续降低开关管的开关损耗入手，使用软开关技术。并增加无损吸收电路，把漏感消耗的能量利用起来。

5. 结论 

   本设计分为无线发射和无线接收部分，采用磁耦合技术实现了无线传输电能的功能。经过了反复地调试，最终确定了各个元器件的值。很好地实现了所有的功能，包括发挥部分。在效率上超过了题目规定的35%，达到了46.25%。输入功率在效率最高时也达到了1.6W，超过了题目规定的1W。发射功率为3.58W，低于题目规定的5W，实现了低功率传输的功能，并且能进行多组输出，各组之间影响不大。但是本设计仍然还有很大改进的空间，需要进一步研究与探索，以使传输效率达到更高。无线电源传输需求非常明朗，目前有关的建制技术已经解决，现在所必须努力的就是大规模将该技术从百万瓦级和毫瓦级应用向可携式运算、消费和通讯设备领域扩展。

参考文献

[1] 黄智伟.无线发射与接收电路设计[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.

[2] 徐德宏.开关电源设计指南[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3] 黄智伟.基于NI Multisim 的电子电路计算机仿真设计与分析[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4] 张肃文.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,2004.

[5] 康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京:高等教育出版社,2006.

[6] 康华光.电子技术基础数字部分[M].北京:高等教育出版社,2006.

附录1 使用说明

   ⑴接好电源后就可以工作。由于未稳压的接收部分的输出电压有可能会很高，所以未稳压接收部分接负载时要先测量输出电压的值，以免损坏负载。

   ⑵工作频率为67-70kHz,不会对人体造成损害。

附录2 主要元器件清单

附录2表1 主要元器件清单

(1)电路原理图

①发射接收部分原理图。

附录3 图1发射接收部分原理图

②充电电路原理图

附录3图2 充电电路原理图

③单片机及外围电路原理图

附录3图3 单片机及外围电路原理图

(2)印制板图

①发射部分顶层图

附录3图4发射部分印制板顶层图

②发射部分底层图

附录3图5发射部分印制板底层图

③ 发射部分元件布局图

附录3图5发射部分印制板元件布局图

③接收部分印制板底层图

附录3图6接收部分印制板底层图

④ 接收部分印制板元件布局图

附录3图7接收部分印制板元件布局图

⑤ 充电电路印制板底层图

附录3图8充电电路印制板底层图

⑥ 充电电路印制板元件布局图 

附录3图9 充电电路印制板元件布局图

⑦ 单片机及外围电路印制板底层图

附录3图10 单片机及外围电路印制板底层图

⑧ 单片机及外围电路印制板元件布局图

附录3图11 单片机及外围电路印制板元件布局图

附录4  程序清单

程序清单

文件名：AD128.C

功能：实现AD采样并将输出电压显示到液晶128上。

最后修改时间：2009年5月28日

#include

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

#define _Nop()  _nop_()

#define  nop()  _nop_()

sbit ADC0832_CLK = P1^1; /*定义ADC控制端口*/

sbit ADC0832_DIO = P1^0;

sbit ADC0832_CS = P1^2;

sbit RS = P3^0;   //H=data; L="command"; /*定义LCD端口*/

sbit RW = P3^1;   //H=read; L="write";

sbit  E = P3^2;   //input enable;

sbit PSB= P3^3;   //H=并口; L="串口";

sbit RST= P3^5;   //Reset Signal 低电平有效

sbit busy=P0^7;   //lcd busy bit

#define lcd_data_port P0

///////////////////以下是LCD128驱动程序//////////////////////////////

void lcd_delay(uchar ms) /*LCD128 延时*/

{

    uchar j;

    while(ms--){

for(j=0;j<250;j++)

            {;}

        }   

}

 void lcd_busy_wait(void)

{

   P0 = 0xff;

   RS = 0;

   RW = 1;

   E = 1;

   while(busy==1);

   E = 0;

}

void lcd_command_write(uchar command) /*LCD128 命令字写入*/

{

    lcd_busy_wait();

    RS = 0;

    RW = 0;

     E = 0;

    lcd_data_port = command;

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    E= 1;

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

   E = 0;     

}

void lcd_system_reset() /*LCD128 初始化*/

{

    RST = 1;

    PSB = 1;  

    lcd_delay(20);

    lcd_command_write(0x30);

    lcd_delay(100);

    lcd_command_write(0x30);

    lcd_delay(50);

    lcd_command_write(0x30);

    lcd_delay(10);

    lcd_command_write(0x01);

    lcd_command_write(0x06);

    lcd_command_write(0x0c); 

    lcd_data_port = 0xff; /*释放数据端口*/                              

}

void lcd_char_write(uchar x_pos,y_pos,lcd_dat) /*LCD128 字符写入*/

{

    uchar xy_pos;

    if((x_pos>=8)||(y_pos>=4) ) return; /*X位置超出显示范围退出*/

    if(y_pos==0)         xy_pos = 0x80 + x_pos;

    else if(y_pos==1) xy_pos = 0x90 + x_pos; /*计算转换地址*/

    else if(y_pos==2) xy_pos = 0x88 + x_pos;

    else if(y_pos==3) xy_pos = 0x98 + x_pos;

    lcd_command_write(xy_pos);/*命令字写入*/

    lcd_busy_wait();

    RS = 1;

    RW = 0;

    lcd_data_port = lcd_dat;

    E= 1;

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    E=0;

    lcd_data_port = 0xff; /*释放数据端口*/

}

     void lcd_char_write1(uchar x_pos,y_pos,lcd_datH,lcd_datL) /*LCD128 字符写入*/

{

    uchar xy_pos;

    if((x_pos>=8)||(y_pos>=4) ) return; /*X位置超出显示范围退出*/

    if(y_pos==0)         xy_pos = 0x80 + x_pos;

    else if(y_pos==1) xy_pos = 0x90 + x_pos; /*计算转换地址*/

    else if(y_pos==2) xy_pos = 0x88 + x_pos;

    else if(y_pos==3) xy_pos = 0x98 + x_pos;

    lcd_command_write(xy_pos);

    lcd_busy_wait();

    RS = 1;

    RW = 0;

    lcd_data_port = lcd_datH;

    E= 1;

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    E=0;

    lcd_data_port = 0xff; /*释放数据端口*/

    lcd_busy_wait();

    RS = 1;

    RW = 0;

    lcd_data_port = lcd_datL;

    E= 1;

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    _Nop();

    E=0;

    lcd_data_port = 0xff; /*释放数据端口*/

}

////////////////以上是LCD128驱动程序////////////////////////////

////////////////以下是ADC0832驱动程序////////////////////////////

uchar ADC0832_Read(uchar ch)

{

    /*读取ADC的 CH 通道电压值，ADC作为2路单独电压输入*/

    uchar i;

    uchar ADC_buff=0;

    ADC0832_CS = 1;

    ADC0832_DIO = 1;   /*启动位*/

    ADC0832_CLK = 0;

    ADC0832_CS = 0;

    nop();

    ADC0832_CLK = 1; 

    nop();

    ADC0832_CLK = 0;

    ADC0832_DIO = 1;  /*送 SGL/DIF 位 */

    nop();

    ADC0832_CLK = 1;

    nop();

    ADC0832_CLK = 0;

    if(ch==0) ADC0832_DIO = 0;  /*送转换通道值*/

    else ADC0832_DIO = 1;

    ADC0832_CLK = 1;

    nop();

    ADC0832_CLK = 0;

    nop();  

    ADC0832_DIO = 1; /*释放DIO端口，转由ADC控制*/

for(i=0;i<8;i++)

{        

        nop();

        ADC0832_CLK = 0;

        nop();

        ADC0832_CLK = 1;

        nop();

        if(ADC0832_DIO==1) ADC_buff=ADC_buff+1;  /*读取8位数据*/

        ADC_buff=ADC_buff<<1;            

        }

    nop();

    nop();

    ADC0832_CS = 1;

    ADC0832_CLK = 1;

    return ADC_buff;  /*返回转换值*/    

}

   unsigned int ADC0832da_to_Volage(unsigned char da)

{

    /*将输入的数据转换成方便的电压值*/

    /*转换公式 volage=da*Vref/255 其中Vref为4.95 */

    unsigned int Volage;

    float tt;

    tt=da*4.95/255;

    Volage= tt*100+0.5; /*对结果进行4舍5入*/

    return Volage;    

}

////////////////以上是ADC0832驱动程序/////////////////////

/*1MS为单位的延时程序*/

void delay_1ms(uchar x)

{

    uchar j;

    while(x--){

for(j=0;j<125;j++)

            {;}

        }   

}

///////////////////////////////主程序//////////////////////////////

uchar num_to_char_table[]={"01234567abcdef"};

uchar table0[]={"  无线电源  "};

uchar lcd_128_v_table1[]={"电压:  .    V"};

void main()

{

    uint  adc_v_buff1;

    uchar adc_db_buff1;

    uchar i;

    delay_1ms(1);

    lcd_system_reset();/*LCD初始化*/

for(i=0;i<7;i++) lcd_char_write1(i,0,table0[i*2],table0[i*2+1]);

for(i=0;i<7;i++) lcd_char_write1(i,1,lcd_128_v_table1[i*2],lcd_128_v_table1[i*2+1]);

    while(1)

        { 

        adc_db_buff1 = ADC0832_Read(0);

        adc_v_buff1 = ADC0832da_to_Volage(adc_db_buff1);

        lcd_char_write(3,1,num_to_char_table[adc_v_buff1/100]);

        lcd_char_write(4,1,num_to_char_table[adc_v_buff1%100/10]);

        lcd_char_write(5,1,num_to_char_table[adc_v_buff1%10]);

        delay_1ms(200);

        }

}