某電壓力鍋的無線供電模塊設(shè)計案例根據(jù)無線通信的傳輸原理，可以將無線電能傳輸方式分為三類拓撲：第一類：電磁感應(yīng)，如圖3-1所示，電磁感應(yīng)因為線圈之間有一定的間隙，所以在傳輸過程中會出現(xiàn)一定的漏感，造成了能量損失，因此傳輸效率不高。而且此種方式對線圈重合度以及間隙距離有很高的要求，若重合度不夠或者間隙距離過大，那么就會因能量損失導致傳輸效率迅速下降。一般來說，這種無線傳輸方式最佳的傳輸距離是0-2cm，如圖3-2所示，無線充電器就是這種方式，但是傳輸條件苛刻，傳輸功率低，且發(fā)熱高，所以沒有應(yīng)用到其他領(lǐng)域[28]。圖3-1電磁感應(yīng)方式能量傳輸圖3-2電子產(chǎn)品無線充電第二類：電磁波輻射，如圖3-3所示，電磁波輻射工作時，將市電輸入微波轉(zhuǎn)換裝置，然后轉(zhuǎn)換為微波光束，以微波光束的形式進行傳輸，接著將微波光束輸入到天線端并經(jīng)過天線發(fā)射模塊進行發(fā)射，在另一端，使用天線接收模塊進行微波光束的接收，接收以后將此微波輸入到微波轉(zhuǎn)換裝置模塊進行整流，供負載使用[29]?；谖⒉ü馐膫鬏斣恚浔仨毷侵本€輸入與輸出，因此需要將無線發(fā)射模塊和無線接收模塊進行對準[30]，且中間不能有遮擋，這樣才能有效的進行能量傳輸；傳輸使用的信號為高頻信號，此會對普通生物造成危害[31]，因此該方案廣泛的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，比如衛(wèi)星太陽能，太空衛(wèi)星等。圖3-3電磁輻射方式傳輸原理第三類：磁耦合共振，其采用磁場諧振的方式進行傳輸，可以理解為電磁感應(yīng)方式的加強版，其比電磁感應(yīng)有更長的傳輸距離，可以達到數(shù)米，并且不受到方向限制[32]。因其采用諧振傳輸，所以只對諧振頻率一致的物體產(chǎn)生影響，所以安全性極高。同時此為發(fā)射狀傳輸，對送電線圈和受電線圈的位置要求不高[33]，大大簡化了實現(xiàn)裝置的可制造性，具有良好的居家應(yīng)用前景。在分體電壓力鍋中，無線供電主要應(yīng)用在鍋蓋上，其特點是傳輸間距小，一般不超過2cm，傳輸功率小，通常為1-5W，因此本產(chǎn)品采用電磁感應(yīng)原理進行能量傳輸，傳輸?shù)挠行Ь嚯x為0.5-1.5cm。在電磁感應(yīng)原理中，有不同的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3-4所示。圖3-4電磁各種拓撲結(jié)構(gòu)SS型和SP型：這兩種設(shè)計主要用于電壓型耦合，因為輸入源的電壓是不變的，而通過這個電路輸出的電流會不斷的變化，在大功率系統(tǒng)或負載不斷變換的系統(tǒng)中應(yīng)用。PS型和PP型：這兩種設(shè)計主要用于電流型耦合，因為輸出源的電流是不變的，而輸入的電壓會不斷的變化，因此主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)，以及負載穩(wěn)定，不會變化的場合[34]。對于分體式的壓力鍋，其輸入電壓保持不變，而其負載會受到不同模塊的工作時間差異而不同，可使用SS型和SP型。SS型和SP型結(jié)構(gòu)負載平均功率與負載的關(guān)系，SS型結(jié)構(gòu)成反比，而SP結(jié)構(gòu)關(guān)系比較特別，先增大再緩慢減小[35]。所以，本文研究的分體式壓力鍋采用了兩種設(shè)計方案，低成本的1W設(shè)計和高成本的5W設(shè)計；低功率1W的方案設(shè)計使用SP拓撲，而高功率5W的方案設(shè)計采用SS拓撲，這樣就可以最大程度的兼顧成本設(shè)計與效率輸出；從目前的壓力鍋實際調(diào)試數(shù)據(jù)來看，SP拓撲的電壓增益要比SS拓撲高，優(yōu)化參數(shù)如表3-1所示。表3-14種模式下的優(yōu)化參數(shù)拓撲CMSS1RPSL4SP1LPPωωL按照5V-1W設(shè)計，SS拓撲和SP拓撲對比方案如圖3-5所示，根據(jù)優(yōu)化參數(shù)調(diào)整后，如圖3-6所示。實際使用R=100，得到SS最優(yōu)耦合系數(shù)0.25；實際耦合系數(shù)0.5，得到SP最優(yōu)耦合系數(shù)0.13;實際耦合系數(shù)0.064。1W方案軟件控制頻率在137-166kHz之間，默認頻率是143kHz。原端保證諧振頻率在137kHz的左邊，保證右邊控制區(qū)間可以單調(diào)增/減。因此實際方案采用100nF貼片電容，頻率大概為135kHz（考慮線圈誤差，會去到138kHz，影響較?。┝硗饪紤]電容值的偏差，原邊諧振頻率會變化，以90nF為參數(shù)，其諧振頻率大概142k。副邊保證在區(qū)間內(nèi)的耦合效率，通過測試發(fā)現(xiàn)，選擇電容為88nF比100nF效率更優(yōu)，其諧振頻率143k。圖3-5Ls=14uHLp=14uH的SS與SP對比圖3-6優(yōu)化參數(shù)測試電壓為1V，測試頻率為100kHz，對5W方案進行測試（Lp=21.18uH，Ls=51.4uH，Rp=0.16，Rs=1.13），測試結(jié)果如表3-2所示。表3-25W方案測試結(jié)果間距接法1接法2MK感量阻值感量阻值1.236.51.17146.81.6927.580.784.841.91.18131.91.5722.500.646.449.01.19116.31.4916.830.488.051.61.20107.51.4411.480.389.657.41.21100.21.4010.700.3011.260.71.2295.21.389.630.2512.861.51.2291.81.367.080.2014.465.01.2289.61.336.150.1716.066.71.2387.61.325.230.15按照12V-5W設(shè)計，R=28.8；實際使用2.5WR=57.6，得到SS最優(yōu)耦合系數(shù)0.065；實際耦合系數(shù)0.09，得到SP最優(yōu)耦合系數(shù)0.11，實際耦合系數(shù)0.08，圖3-7Ls=24uHLp=54uH的SS與SP對比如圖3-7所示，SP拓撲在高負載情況下對耦合系數(shù)要求比較高，所以此時效率可能較差。按照目前系統(tǒng)2.5W功率的要求，也可以評估使用SP拓撲，這樣在低負載的情況下，效率可以得到提升。實際上，5W方案軟件控制頻率在103-144kHz之間，默認頻率是123kHz。原端保證諧振頻率在103的左邊，保證右邊控制區(qū)間可以單調(diào)增/減。因此實際方案采用100nF貼片電容，頻率大概為103kHz（考慮線圈誤差，會去到105kHz，影響較?。Ａ硗饪紤]到實際使用時不同電容之間的電容值偏差，此會導致原邊諧振的頻率發(fā)生變化，假設(shè)參數(shù)為90nF，則