NFC接收线圈越小越好

 

▌01 无线功率传送

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1.实验背景

在 全国大学生智能车竞赛 竞速组中的节能信标组对于无线功率发送的指标有两个：

• 发送频率设定为200kHz；
• 发送峰值功率限定为100W;

其中发送频率设定为200kHz，比起传统的工业100W 无线功率传输系统 中所使用的100kHz提高了，主要目标是：

• 降低对于接收线圈体积的要求，比如 苹果手机无线充电器的频率 是大约365kHz；
• 降低无线导航对于感应线圈要求，提高接收的灵敏度；

在前天的 无线传输系统功率LCC功率补偿系统设计 设计中，采用了95kHz的发送频率，实现了大约50W，76%的传送效率。今天测试将发送的频率修改到200kHz，重新进行测试方案的可靠性。

• 《无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定（征求意见稿）》.pdf

2.测试条件

（1）传送与接收线圈

传送与接收线圈仍然使用在 100W无线电耦合功率测试实验 中 使用多股Litz线制作的耦合线圈 ，它的基本参数：

几何参数：

线圈直径：17厘米；

匝数：9匝

电气参数：

电感：L=29uH

静态直流电阻：R0=0.0866欧姆

两个接收线圈互感：M=9.5uH

（2）高频功率驱动模块

高频驱动模块使用在 100W无线电耦合功率测试实验 中制作的模块。信号源采用 DG1062 可编程信号源产生5V，200kHz的方波信号。功率电源采用 DH1766 数控电源，它可以提供高达32V，10A的直流输出。

^{▲ 高频功率驱动电路模块}

 

▌02 LCC网络设计与制作

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根据 无线传输系统功率LCC功率补偿系统设计 中的设计方法设计LCC补偿网络参数。

1.设计条件

• 输出负载：$R_L = 10\Omega$，对应全桥整流后的阻抗为：$R_{LB} = {8 \over {\pi ^2 }} \times 10 = 8.106\,\,\Omega$
• 工作频率：$f_0 = 200kHz$；
• 两个线圈相距2.5厘米是互感量：$M_{12} = 9.5\mu H$；
• 功率输出：$P_0 = 50W$；

通过计算，副边到原边的反射电阻：$R_{ref} = {{\left( {\omega M} \right)^2 } \over {R_{LB} }} = {{\left( {2\pi \cdot f_0 \cdot M_{12} } \right)^2 } \over {R_{LB} }} = 17.582\Omega$

• $U_{bus} = 24V$，实际基波有效值：$U_1 = 10.804V$；
• 原边→副边→全桥整流的能量传递效率：$\eta _{total} = 0.8$

在原边反射电阻上的功率：$P_{ref} = {{P_0 } \over {\eta _{total} }} = {{50} \over {0.8}} = 62.5W$

流经反射电阻的电流：$I_0 = \sqrt {{{P_{ref} } \over {R_{ref} }}} = \sqrt {{{62.5} \over {17.582}}} = 1.885A$

2.LCC网络参数

对称T-型网络电抗：$X_P = {{U_1 } \over {I_0 }} = {{10.804} \over {1.885}} = 5.732\,\,\Omega$

T-型网络左手电感：$L_P = {{X_P } \over {2\pi \cdot f_0 }} = {{5.732} \over {2\pi \times 200 \times 10^3 }} = 4.56\mu H$

T-型网络下支电容：$C_{PP} = {1 \over {2\pi \cdot f_0 \cdot X_P }} = {1 \over {2\pi \cdot 200 \cdot 10^3 \cdot 5.732}} = 0.1388\mu F$

T-型网络右手电容：$C_{PS} = {1 \over {2\pi f_0 \left( {2\pi f_0 L_0 - X_P } \right)}} = 25.9nF$

对比 无线传输系统功率LCC功率补偿系统设计 ，将两组设计参数列写如下：

元器件	参数1(95kHz)	参数2(200kHz)	实际取值
T型网络左手电感Lp	4.56uH	4.56uH	5.16uH
T型网络右手串联电容Cps	114.8nF	25.9nF	23.5nF
T型网络下支并联电容Cpp	615nF	138.8nF	141nF

可以看出左手电感Lp的参数没有改变，

可以看到，Lp与工作频率无关。根据1.设计条件中的U1,M12,Pref,Rlb参数可以确定Lp的大小就是4.56uH。

对于LCC中的并联电容Cpp，它的计算公式为：
$C_{PP} = {1 \over {2\pi \cdot f_0 \cdot U_1 }}\sqrt {{{P_{ref} \cdot R_{LB} } \over {\left( {2\pi f_0 M_{12} } \right)^2 }}} = {{\sqrt {P_{ref} \cdot R_{LB} } } \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 M \cdot U_1 }}$

可以看到它与频率的平方成反比，当频率从95kHz→200kHz，对应的比率$r = 2.015$，经过换算对应的电容有615，变成615/r² =138.8nF。

对事LCC中的串联电容，它的取值为：

这与频率f0²成反比。

通过验证，上面的表格数值都满足与频率变化的关系。

3.LCC实际参数

电感仍然采用环形磁环绕制，实测大约为5.07uH;

^{▲ 环形磁环使用双股Litz（200股，φ=2mm)绕制}

手边有47nF C0G电容；Cps 采用两个47nF串联，容值为23.5nF；Cpp采用三个47nF串联，容值大约为141nF。

4.制作LCC补偿电路¹

（1）电路设计

^{▲ LCC补偿电路原理图}

^{▲ 快速制版制作LCC补偿PCB}

（2）焊接制作LCC网络

^{▲ 焊接之后的LCC补偿电路}

电路参数：

Lpp=5.147uH

Cpp=142.2nF

Cps=23.27nF

 

▌03 测试实验

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1.空载电流测试

测试条件：

• 工作电压：Ubus =12V。
• 频率扫描范围180kHz ~ 220kHz。

（1）测试LCC空载电流

^{▲ 频率与空载工作电流}

（2）修正Cps

分别使用5.6nF, 2.2nF并联在两个47nF上，理论计算修正长辈的Cps为：

$C_{ps$

^{▲ 并联修正电容}

经过修正之后的空载电流频率曲线：

^{▲ 不同频率下工作空载电流}

使用两个5.6nF与47nF并联，休整之后的电容为：

$C_{ps$

经过修正之后的空载电流频率曲线：

^{▲ 不同频率下的工作空载电流}

2.带载实验

（1）接收桥电路与串联谐振电容

计算接收谐振电容：
$C_{ss} = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 200 \times 10^3 } \right)^3 \times 29 \times 10^{ - 6} }} = 21.83nF$

^{▲ 接收桥整流电路与串联谐振电容}

使用四个5.6nF电容并联获得C01共有23nF。

^{▲ 接收整流桥与串联谐振电容}

（2）转换功率

桥整流负载电阻：RL=10Ω。

测量数据：

输出直流电压：Uout=17.1V

电源电压：Vbus=24V ，电流：Ibus=1.86

计算结果： $P_{IN} = U_{bus} \cdot I_{bus} = 24 \times 1.86 = 44.64W$

输出功率： $P_{OUT} = U_{OUT}^2 /R_L = 17.1^2 /10 = 29.24W$

转换效率： $\eta = P_{OUT} /P_{IN} = 29.24/44.64 = 65.5\%$

3.频率与功率和效率

（1）负载10Ω

^{▲ 不同频率下的功率与效率}

测量数据：

输出直流电压：Uout=19.23V

电源电压：Vbus=24V ，电流：Ibus=2.19

工作频率：195kHz

计算结果： $P_{IN} = U_{bus} \cdot I_{bus} = 24 \times 2.19 = 52.56W$

输出功率： $P_{OUT} = U_{OUT}^2 /R_L = 19.23^2 /10 = 36.98W$

转换效率： $\eta = P_{OUT} /P_{IN} = 36.98/52.56 = 70.36\%$

（2）负载电阻7Ω

测量数据：

输出直流电压：Uout=17.1V

电源电压：Vbus=24V ，电流：Ibus=2.93

工作频率：195kHz；

计算结果： $P_{IN} = U_{bus} \cdot I_{bus} = 24 \times 2.93 = 70.32W$

输出功率： $P_{OUT} = U_{OUT}^2 /R_L = 17.1^2 /7 = 41.77W$

转换效率： $\eta = P_{OUT} /P_{IN} = 41.77/70.32 = 59.39\%$

（3）负载电阻5.16Ω

测量数据：

输出直流电压：Uout=15.6V

电源电压：Vbus=24V ，电流：Ibus=3.7

工作频率：195kHz；

计算结果： $P_{IN} = U_{bus} \cdot I_{bus} = 24 \times 3.7 = 88.8W$

输出功率： $P_{OUT} = U_{OUT}^2 /R_L = 15.6^2/5.16 = 47.1628 W$

转换效率： $\eta = P_{OUT} /P_{IN} = 47.16/88.8 = 53.1\%$

 

▌04 增加功率

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根据前面测量，输出实际功率始终小于50W，这与竞赛所需要的100W稍差很大。重新设计相应的参数。

1.设计参数

（1）已知条件

首先假设Cpp=47+220=267nF，也就是使用47nF与0.22uF并联。对应的基础电抗为：
$X = {1 \over {2\pi f_0 C_{PP} }} = {1 \over {2\pi \times 200k \times 0.267 \times 10^{ - 6} }} = 2.98\Omega$

那么Lp为：$L_P = {X \over {2\pi f_0 }} = {{2.98} \over {2\pi \cdot 200k}} = 2.37\mu H$

$C_{Ps} = {1 \over {2\pi f_0 \left( {2\pi f_0 L_0 - X} \right)}} = 23.78nF$

2.制作LCC器件

• 电感使用双股Litz绕制磁环6匝，电感Lp=2.64uH。

^{▲ 6匝电感；2.64uH}

’

• Cpp=47nF+220nF=267nF
• Cps=47/2=23.5nF

^{▲ 制作的LCC补偿网络}

3.空载测试

测试条件：

工作电压：Ubus=12V

扫频范围:180kHz ~ 220kHz

测量结果：

^{▲ 空载电流与工作频率}

4.带载测试

工作条件：

工作电压：Ubus =24V

负载电阻：Rload=10欧姆

工作频率：f0=200kHz

测量结果：

输出整流电压：Uout= 23.4V

电源电流：Iout=4.6A

输入功率： $P_{IN} = U_{BUS} \cdot I_{OUT} = 24 \times 4.6 = 110.4W$

输出功率： $P_{OUT} = U_o^2 /R_L = 23.4^2 /10 = 54.76W$

转换效率： $\eta = P_{OUT} /P_{IN} = 54.76/110.4 = 49.6\%$

^{▲ 不同频率下功率是与效率}

 

▌结论

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1.基本结论

通过实验测试了在200kHz下，两种LCC补偿网络对于无线电能功率传输特性。对比 中的结果可以看到此时无论是输出功率还是转换效率都下降了。

2.测试覆盖金属

将一块20×30厘米见方的铝板覆盖在发射线圈，会引起线圈工作电流的增加。在+24V工作电压下，增加的电流为：0.36A 。

^{▲ 覆盖金属铝板测试}

 

※ 附件

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1.空载电流与功率效率采集程序

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-02-13
#
# Note:
#============================================================

from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsstm32       import *

#------------------------------------------------------------
dg1062open()

fdim = linspace(180000, 220000, 100)

coutdim = []
voutdim = []

for f in fdim:
    dg1062freq(1, f)
    time.sleep(1)

    meter=meterval()
    voutdim.append(meter[0])

    curr = dh1766curr()
    coutdim.append(curr)

    printff(f, meter[0], curr)

    tspsave("MEAS", f=fdim, c=coutdim, v=voutdim)

#------------------------------------------------------------
dg1062freq(1, 200000)

plt.plot(fdim, coutdim)
plt.xlabel("Frequency(Hz)")
plt.ylabel("Current(A)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

#------------------------------------------------------------
'''
vout = 12
rload = 17.2

pin = [vout*c for c in coutdim]
pout = [v**2/rload for v in voutdim]
eff = [p1/p2*100 for p1,p2 in zip(pout,pin)]

plt.plot(fdim, pin, label='In Power')
plt.plot(fdim, pout, label='Out Power')
plt.plot(fdim, eff, label='Efficiency')
plt.xlabel("Frequency(Hz)")
plt.ylabel("Power Eff")
plt.grid(True)
plt.legend(loc='upper right')
plt.tight_layout()
plt.show()

'''
#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================