无线传能LED的设计

2012年“TI”杯电子设计竞赛作品名称：无线传能LED参赛选手：摘要本设计是由能量发送单元和能量接收单元两大部分组成，能量发送单元包括振荡电路模块、驱动模块、功率放大模块和发射线圈模块，能量接收单元包括接收线圈模块和发光二极管模块。发射部分用直流12V电源供电，使用NE555产生振荡信号通过大功率场效应管进行放大，经线圈把能量传输到次级对LED进行供电。关键词：无线发射接收能量AbstractThedesignisreceivedbytheenergytransmissionunitandenergyunitcomposedoftwoparts,theenergytransmissionunitincludesoscillationcircuitmodule,thepoweramplifiermoduleandtransmitcoilmoduleenergyreceivingunitreceivingcoilmoduleandlight-emittingdiodemodule.ThelaunchispartofDC12Vpowersupply,usetheNE555oscillationsignalthroughthepowerFETamplification,throughthecoil,theenergytransfertothesecondaryLEDpowersupply.Keywords:wirelesstransmittingandreceivingenergy1、方案论证与比较1.1振荡电路方案一：采用有源晶振产生振荡信号，频率稳定性好，但是电路较复杂。方案二：采用NE555与RC构成的振荡器，频率在一定的范围内可调，电路简单而且省电。综上所述：因为系统要求的频率不高，考虑简洁及成本。因此选择方案二比较合适。1.2驱动电路方案一：利用tlp250进行驱动。光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1.5A。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力。光耦TLP250输入阈值电流IF=5mA(max)；电源电流ICC=11mA(max)；电源电压(VCC)=10～35V；输出电流IO=±0.5A(min)；开关时间tpLH/tpHL=0.5μs(max)。方案二：利用FAN3100FAN3100驱动芯片与PWM控制器及功率MOSFET组合可设计出各种高频、大功率开关电源。该电路是两输入驱动器，可以实现同向和反向输入逻辑。如图：PWM波可以实现正向输入和反向输入。方案三：利用IR2110驱动电路IR2110包括：逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂侧输出和下桥臂侧输出。逻辑输入端采用施密特触发电路，提高抗干扰能力。最大输出电流达到2A，上桥臂电压可以达到惊人的500V。综上所述：方案一和方案二电路简单，但是还需要复杂的自举电路。因为若要上桥臂导通，则上桥臂的栅极电压要大于源级电压，可导通时的源级电压也达到电源电压。这时就要用到自举电路把栅极电压抬高到更高的电压。方案三中用到的IR2110可以通过在外电路上加一个自举电容实现自举电路的功能。光耦器件虽然隔离功能较为出色，但速度慢，如果加一个高频信号，延迟时间较长。大大了简化电路。光耦器件的成本较高，IR2110芯片较便宜。因此我们选择方案三。1.3功率放大方案一：采用一般的放大电路进行放大，功耗小，但是不能放大高频信号。方案二：采用大功率开关场效应管作为功放元件，管耗较大，但是具有开关功能。综上所述：由于系统要求实现开关功能，因此使用大功率三极管放大信号。因此选择方案二满足要求。1.4接收电路方案一：对电容进行快速和慢速充电。方案二：在一定的距离内带动负载。综上所述：方案二的效果比较明显，容易观察。因此选择方案二比较好2、系统实现与分析2.1系统框图2.2单元电路设计2.2.1振荡电路模块使用NE555构成无稳态多谐振荡电路，产生一个占空比约为50%的方波信号，振荡频率约为33KHz。电源供电模块振荡电路功放电路发射线圈接收线圈LED2.2.2驱动电路模块开关稳压电源中的功率开关管要求在关断时能迅速关断，并能维持关断期间的漏电流近似等于零；在导通时要求能迅速导通，并且维持导通期间的管压降也近似等于零。开关管趋于关断时的下降时间和趋于导通时的上升时间的快慢是降低开关晶体管损耗功率，提高开关稳压电源效率的主要因素。要缩短这两个时间，除选择高反压、高速度、大功率开关管以外，主要还取决于加在开关管栅极的驱动信号。我们需要在开关管的栅极加一个电流足够大的信号，以便使栅极的电容快速充放电，减小功率管的能量消耗。输出波形也有要求：1.驱动波形的正向边缘一定要陡，幅度要大，以便减小开关管趋于导通时的上升时间；2.在维持导通期间内，要能保证开关管处在饱和导通状态，以减小开关管的正向导通管压降，从而降低导通期间开关管的集电极功率损耗；3.当正向驱动结束时，驱动幅度要减小，以便使开关管能很快地脱离饱和区，以减小关闭储存时问；4.驱动波形的下降边缘也一定要陡，幅度要大，以便减小开关管趋于截止时的下降时间。参数选择：自举电容满足公式：c2Q/(vdd-10-1.5),本电路选1uf。2.2.3功放电路模块功率元件一般采用IGBT和MOSFET，一般高频中小功率情况下用场效应管，大功率情况下用IGBT，本电路在高频中小功率情况下，采用MOSFET管IRF3205。栅极高电平导通，低电平截止。2.2.4能量传输模块在初级线圈部分串联一个电容，形成串联谐振电路，次级线圈部分并联一个电容，形成并联谐振电路。串联谐振电路中的阻抗最小且呈纯阻抗，电路中的电流最大，线圈周围的磁感应量大；通过耦合线圈的磁感应量也大，相应的感应电流也大，能量从初级传送到了次级，为后续电路提供能量，实现了无线传能的目的。用电感表测出线圈的电感为245uH，根据公式LCf21得nFLfC1004122，(其中KHzf33)3、测试结果分析3.1振荡电路测试将12V直流电源加在在振荡电路中NE555上，经测试输出口产生一个振幅为12V，频率为33KHZ的振荡方波。3.2驱动电路与功率放大电路测试将12V直流电源加在电路中，在输出口测试产生一个振幅为7V，频率为33KHz的振荡方波。3.3负载电路测试测试方法：测试负载功率电阻上的电压有效值，电压有效值的平方除以阻值就是负载上的功率，即输出功率。输入功率可以通过稳压电源上电压乘以电流求出。效率为输出功率除以输入效率。测试结果：在2欧功率电阻上上检测出5V的电压，输出功率12.5W。输入电压6V，输入电流3A。经计算，该电路传送效率为69.4%50%,满足题目的基本要求。线圈传输距离为5cm5mm，但距离较远时，LED灯亮度明显降低。总结：本电路实现了无线传能的功能，但效率不很高，相信随着技术的进步，无线传能的效率会越来越高，我们就可以构建一个能量网，给在其中的电子产品充电，那就使社会变得更美好。结束语经过我们小组成员的努力，我们基本实现了题目的基础要求，但是题目中的保护功能我们没有实现，让我们认识到了理论上的不足，在这个过程中我们小组中每一位成员都付出了很多，但我们学到很多知识，也收货了很多快乐，同时也让我们认识到了团队合作的重要性。在以后的学习过程中我们要继续保持认真的态度，并加强理论知识的巩固，在学习中感受快乐，快乐中进步。