实验研究信标无线电能输出功率的因素

简介：通过实验，探究前后两版信标无限输出功率的差异。1.原因分析在开始认为这种差异可能来自于MCU 的限流控制。通过仔细对比MCU对于不同的电流采集的数值，两种单片机（STM32F030以及XM1008）的ADC之间的差异无论是偏移量还是比率都相差很小。最后通过对比两个电路板的LCC补偿电路的参数，发现串联电感相差很大：电感值分别是：4.22uH, 4.86uH绕制电感所使用的磁环：一个T104-2,一个是T94-2绕制铜线粗细：一个是200股，一个小于200股；最终通过替换对比发现更换了Ls之后，输出功率以及能量传输效率都会大大提高。因此影响无线电能传输的原因不在于MCU的差异，而是在于两个电路板上所使用的LCC中的电感不同。2.修改建议建议将电路板的LCC电感重新绕制，使得它的电感量达到4.6 ~ 4.8uH之间。尽量采用大的T104-2磁环进行绕制。

关键词： LCC，无线充电，智能车，节能信标组

▌01 节能组输出功率限制

在 第十六届全国大学生智能车竞赛 室内比赛中有节能信标组。信标对外提供无线充电功能。 它采用150kHz的交流电磁耦合方式，限制最大输出功率50W 。

1.输出功率限制基本原理

节能信标采用半桥MOS管方波输出方波信号，使用LCC网络补偿驱动电感约为29

     μ 
    
   
     H 
    
   
  
    \mu H 
   
  
</span><span class="katex-html"><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.87777em; vertical-align: -0.19444em;"></span><span class="mord mathdefault">μ</span><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.08125em;">H</span></span></span></span></span>发送线圈。</p>

通过一个0.03Ω的电流采样电阻，通过 AD8217 进行差模放大之后（高分辨率，零漂移分流放大器，增益为26db【20×】），输入控制单片机进行ADC采样。根据 无线信标功能调试-2021-3-9-输出功率恒定限制 中的反馈控制算法，调节PWM的占空比来保证输出半桥的工作电流小于预先设定的电流值。

▲ 节能信标无线功率输出电路图

^{▲ 节能信标无线功率输出电路图}

由于工作电压是恒定的（+24V），因此限制的输出MOS半桥的工作电流也就是限制了输出的功率。

2.两种不同单片机

（1）输出功率不同

在昨天 测试另外一个厂商的T254 高频功率MOS管 的时候，发现两种信标无线发送板在相同的 LCC补偿接收整流 方案下，输出的最大功率不同。

一种电路板上的U6单片机使用的是 STM32F030F4 ；
另外一个电路板上使用的是国产替代芯片 XM1008K6T6 ;

使用XM1008K6T6的电路板输出功率只有27.5W，而STM32F030F4对应的电路板在同样的负载下输出46.35W。它们之间相差了：

      E 
     
    
      r 
     
    
      r 
     
    
      o 
     
    
      r 
     
    
      = 
     
     
      
      
        46.35 
       
      
        − 
       
      
        27.5 
       
      
     
       45.35 
      
     
    
      = 
     
    
      40.7 
     
    
      % 
     
    
   
     Error = {<!-- -->{46.35 - 27.5} \over {45.35}} = 40.7\% 
    
   
 </span><span class="katex-html"><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.68333em; vertical-align: 0em;"></span><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.05764em;">E</span><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.02778em;">r</span><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.02778em;">r</span><span class="mord mathdefault">o</span><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.02778em;">r</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height: 2.00744em; vertical-align: -0.686em;"></span><span class="mord"><span class="mord"><span class="mopen nulldelimiter"></span><span class="mfrac"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 1.32144em;"><span class="" style="top: -2.314em;"><span class="pstrut" style="height: 3em;"></span><span class="mord"><span class="mord">4</span><span class="mord">5</span><span class="mord">.</span><span class="mord">3</span><span class="mord">5</span></span></span><span class="" style="top: -3.23em;"><span class="pstrut" style="height: 3em;"></span><span class="frac-line" style="border-bottom-width: 0.04em;"></span></span><span class="" style="top: -3.677em;"><span class="pstrut" style="height: 3em;"></span><span class="mord"><span class="mord">4</span><span class="mord">6</span><span class="mord">.</span><span class="mord">3</span><span class="mord">5</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.222222em;"></span><span class="mord">2</span><span class="mord">7</span><span class="mord">.</span><span class="mord">5</span></span></span></span><span class="vlist-s"></span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.686em;"><span class=""></span></span></span></span></span><span class="mclose nulldelimiter"></span></span></span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.80556em; vertical-align: -0.05556em;"></span><span class="mord">4</span><span class="mord">0</span><span class="mord">.</span><span class="mord">7</span><span class="mord">%</span></span></span></span></span></span></p>

▲ 信标控制板上的U6单片机控制无限输出功率

^{▲ 信标控制板上的U6单片机控制无限输出功率}

这其中的原因就可能出现在XM1008K6T6在采集信号的过程中对应的ADC转换系数与STM32F030F4不相同。

（2）原因排查

对于相同的电路板，通过对于输出的电流信号进行实测，来对比两种MCU输出电流测量的大小。

最终通过修改输出程序中的电流限定值，来使得输出功率保持一致。

3.修改前测量

对于黑色阻焊层电路板进行修改和测量。在修改之前，测量该版本的输出功率。

测量数据：

负载电压（V）：16.4
电源电流（A）：2.3

测量分析：

输入功率：

P_{in} = 24 \times 2.3 = 55.2W </span><span class="katex-html"><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.83333em; vertical-align: -0.15em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.13889em;">P</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.311664em;"><span class="" style="top: -2.55em; margin-left: -0.13889em; margin-right: 0.05em;"><span class="pstrut" style="height: 2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mathdefault mtight">i</span><span class="mord mathdefault mtight">n</span></span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.15em;"><span class=""></span></span></span></span></span></span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.72777em; vertical-align: -0.08333em;"></span><span class="mord">2</span><span class="mord">4</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.222222em;"></span><span class="mbin">×</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.64444em; vertical-align: 0em;"></span><span class="mord">2</span><span class="mord">.</span><span class="mord">3</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.68333em; vertical-align: 0em;"></span><span class="mord">5</span><span class="mord">5</span><span class="mord">.</span><span class="mord">2</span><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.13889em;">W</span></span></span></span></span> 输出功率： P o u t = 16. 4 2 / 10 = 26.9 W P_{out} = 16.4^2 /10 = 26.9W </span><span class="katex-html"><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.83333em; vertical-align: -0.15em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.13889em;">P</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.280556em;"><span class="" style="top: -2.55em; margin-left: -0.13889em; margin-right: 0.05em;"><span class="pstrut" style="height: 2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mathdefault mtight">o</span><span class="mord mathdefault mtight">u</span><span class="mord mathdefault mtight">t</span></span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.15em;"><span class=""></span></span></span></span></span></span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height: 1.06411em; vertical-align: -0.25em;"></span><span class="mord">1</span><span class="mord">6</span><span class="mord">.</span><span class="mord"><span class="mord">4</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.814108em;"><span class="" style="top: -3.063em; margin-right: 0.05em;"><span class="pstrut" style="height: 2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">2</span></span></span></span></span></span></span></span><span class="mord">/</span><span class="mord">1</span><span class="mord">0</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.68333em; vertical-align: 0em;"></span><span class="mord">2</span><span class="mord">6</span><span class="mord">.</span><span class="mord">9</span><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.13889em;">W</span></span></span></span></span> 功率传输效率： η = P i n / P o u t = 26.9 / 55.2 = 48.7 % \eta = P_{in} /P_{out} = 26.9/55.2 = 48.7\% </span><span class="katex-html"><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.625em; vertical-align: -0.19444em;"></span><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.03588em;">η</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height: 1em; vertical-align: -0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.13889em;">P</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.311664em;"><span class="" style="top: -2.55em; margin-left: -0.13889em; margin-right: 0.05em;"><span class="pstrut" style="height: 2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mathdefault mtight">i</span><span class="mord mathdefault mtight">n</span></span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.15em;"><span class=""></span></span></span></span></span></span><span class="mord">/</span><span class="mord"><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.13889em;">P</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.280556em;"><span class="" style="top: -2.55em; margin-left: -0.13889em; margin-right: 0.05em;"><span class="pstrut" style="height: 2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mathdefault mtight">o</span><span class="mord mathdefault mtight">u</span><span class="mord mathdefault mtight">t</span></span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.15em;"><span class=""></span></span></span></span></span></span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height: 1em; vertical-align: -0.25em;"></span><span class="mord">2</span><span class="mord">6</span><span class="mord">.</span><span class="mord">9</span><span class="mord">/</span><span class="mord">5</span><span class="mord">5</span><span class="mord">.</span><span class="mord">2</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.80556em; vertical-align: -0.05556em;"></span><span class="mord">4</span><span class="mord">8</span><span class="mord">.</span><span class="mord">7</span><span class="mord">%</span></span></span></span></span>

▲ 进行测试的电路板

^{▲ 进行测试的电路板}

▌02 测量ADC采集数据

1.测量方案

（1）引出电阻负载

在C16引出电阻负载输出线，外部施加5欧姆的负载。通过改变Vbus的电压（10 ~ 24V）来改变输出电流的大小。测量不同输出电流下，U6（STM32F030F4，XM1008K6T6）采集的ADC的数值。

▲ 在C16引出电阻负载输出线，外部施加5欧姆的负载

^{▲ 在C16引出电阻负载输出线，外部施加5欧姆的负载}

（2）读取ADC采样值

通过STM32BOOTLOADER命令窗口，使用 adc 命令获取ADC采样数值。

发送命令：

adc 100

} else IFARG0("adc") {
    UART1SendChar(0);
    unsigned int nNumber;
    sscanf(SDA(1), "%d", &nNumber);
    if(nNumber > 1000) nNumber = 1000;
    unsigned int i;
    unsigned short  nADC[2];
    for(i = 0; i < nNumber; i ++) {
        GetADCAverage(nADC);
        printf("%d ", nADC[0]);
        WaitTime(2);  
    }
    printf("\r\n");
1
2
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