▌01 無線節能信標

1.設計背景

在 第十六屆全國大學生智能車競賽 競速組比賽中，有一組節能信標組，它使用帶有無線充電線圈的信號源，能夠為比賽的車模提供：

• 100W無線充電
• 無線導航
• 紅色、紅外燈光導航；
• 它同時通過上面的霍爾傳感器檢測車模是否經過信標，

在之前進行過 100kHz無線充電 、 200kHz無線充電 以及 無線感應定位 測驗，根據 《無線充電（電力傳輸）設備無線電管理暫行規定》公開征求意見 給出的 無線充電（電力傳輸）設備無線電管理 暫行規定 對于無線充電設備，特別是移動、便攜式無線充電設備所使用的頻率和額定功率給出了要求：

在后面除錯程序中，對于無線充電規格以及相應的LCC補償電路將會按照150kHz進行配置，這樣可以兼顧標準，同時提高無線傳送效率，

2.測驗電路板

下面是有龍邱公司寄送過來的第一版無線節能信標組的測驗電路板，包括兩套，每套包括主控板以及圓形燈光檢測板，

（1）電路板

（2）原理圖

這個版本中的無線發送回路的電路是根據 節能信標燈設計第一版本：預備實驗 設計的，不過在第一版本中，程式還沒有完善，比如缺少：

• 輸出功率限制功能；
• 與主控通信的功能；
• 檢測霍爾信號的功能；

3.電路修改建議

根據后面的除錯程序，提示對于電路中的修改意見，

（1）修改U8的C19電容容量

將U8的PIN6管腳對應的補償電容C19的容量修改為 102（1000pf），

（2）將晶體的頻率修改為8MHz

將U6的晶體的晶振頻率修改為8MHz，X

（3）修改PCB中功率底線與控制電線接地點

請參照 節能無線信標Ver0：功率測驗 中 2.3.2節關于驅動信號故障原因查找與修改建議，對于PCB圖中的PGND與GND之間的連接點進行修改，

（4）確定功率輸出LCC中的Lp繞制方案

最終確定使用T94-2國產軟磁磁環繞制使用100股Litz先繞制23圈，形成4.7uH左右的電感作為Lp電感，

▌02 電路板初步除錯

1.除錯前準備

（1）焊下功率MOS管

為了避免發射功率電路損壞，在除錯之前，現將高頻功率跟AOT256（T2,T3）先取下來，

（2）焊接單片機除錯埠

• U6:STM32F030F4 SWD ：80mil, 6pins
• U6:VNTRB埠: 100mil,4pins
• U1：RDCVG埠:100mil，4pins

（3）制作臨時電源（+24V）介面

使用排針插座制作臨時作業電源（+24V）接頭，將除錯電路板與可調直流電源相連，

2.除錯板級電源

通過前面的臨時電源介面，將可調直流電源接入除錯電路板，在開始除錯時，電源電壓從+9V開始施加，

除錯電源設定：

電壓：+12V
電流限制：500mA

（1）初次加電

初次加電之后，電源電流大約1.4mA，測了U8的輸出（U3：AMS1117-3.3V的輸入，PIN3）電壓大約為0.987V， 電源電壓作業不正常！！，

電路板上的+8V電源是由 TPS4360 降壓開關芯片提供的，

使用測量萬用表觸碰C6（20pf）的靠近芯片一側的節點，電源作業正常，此時輸出電壓為9V，+12V電源供電電流大約是35mA，但是重新加電啟動，電源還是不作業，仍然需要使用萬用表觸碰C19才行，

將C19焊接下來，使用SmartTweezer測量，容量為20pF，

測量U8:PIN3(EN)管腳的電壓：4.3V左右，這個U8芯片的是能管腳內部被上拉電阻置為高電位，

考慮到使用萬用表觸碰C19一端，從物理作用上相當于在C19增加了萬用表的一些雜散電容，根據 TPS4360資料手冊 中給定的PIN5控制補充電路的引數，將C19的容值從原來的20pf增加到102（1000pf），更換后問題解決了，

這種改動通過第二套電路板進行重新驗證，證明是有效的！

板級電源電壓：

U8輸出電壓（U3輸入）：8.08V
U3的輸出電壓：3.27V
供電電壓：12V

在兩套測驗電路板上的U1已經有程式了，在電源正常之后，它開始作業，

側面測驗了U8的輸出與供電電壓之間的關系，可以看出，當輸入電壓超過5V之后，U8的輸出電壓就隨著輸入線性增加，到達8V之后就始終維持8V的電壓，

下圖顯示了不同電源電壓下的作業電流，可以看到隨著輸入電壓的增加，作業電流減小，顯示了U8作為開關電源能夠保持較高的轉換效率，也就是在輸出功率不變的情況下，維持輸入功率不變，

▌03 除錯無線發送電路

1.下載U6單片機程式¹

在 節能信標燈設計第一版本：預備實驗 進行的電路的初步實驗，使用STM32BOOTLOADER將程式通過埠VNTRB下載到電路板上的U6.

在下載程式時，出現無法擦除程式的錯誤！

考慮到是否單片機本身在之前可能會被鎖死，將其拆焊下來更新一個新的單片機重新測驗，

重新更換了U6：STM32F030F4之后，可以正常下載程式了，

下載之后，對話框內的顯示不正常，表明UART的波特率錯誤，其中的原因是板上的晶體為16MHz，需要將其更新為8MHz，

將原來的16MHz更換成8MHz晶體，單片機輸出正常了，

2.PWM輸出

（1）測量PWM輸出頻率

測量U6的PIN12(PA6)輸出WPWM，

原來的版本中，PWM的輸出頻率為200kHz，

（2）修改PWM頻率

將PWM頻率修改為150kHz，單片機的OSC頻率為48MHz，通過下面公式計算TImer的ARR：

A R R = 48 × 1 0 6 150 × 1 0 3 = 320 ARR = {{48 \times 10^6 } \over {150 \times 10^3 }} = 320 ARR=150×10348×106?=320

在control.c的ControlInit()呼叫SetPWMARR（）：

SetPWMARR(320);                         // Set PWM frequency 150kHz

經過測量，輸出的頻率為150MHz，

▌04 LCC補償網路

1.計算LCC引數

根據 無線功率發送器與接收實驗：設定為200kHz 中計算LCC引數程序，編制LCC的計算程式，其中關于電路的基本作業引數在程式前面設定，

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# LCCCAL.PY                    -- by Dr. ZhuoQing 2021-03-03
#
# Note:
#============================================================

from head import *

#------------------------------------------------------------
Rload = 10                          # Receive load: ohm
RLB = Rload*8/pi**2
f0 = 150e3                          # Work frequency:Hz

M12 = 9.5e-6                        # H
L0 = 29e-6                          # H
P0 = 50                             # Output Power:W

#------------------------------------------------------------
Rref = (2*pi*f0*M12)**2/RLB         # Reflect resistion

printf("Reflect Load :%f"%Rref)

Ubus = 24                           # V
U1 = Ubus*sqrt(2)/pi

Effi = 0.8                          # Efficient
Pref = P0/Effi

I0 = sqrt(Pref/Rref)

printf("I0:%f"%I0)

#------------------------------------------------------------
Xp = U1/I0
Lp = Xp/(2*pi*f0)
Cpp = 1/(2*pi*f0*Xp)
Cps = 1/(2*pi*f0*(2*pi*f0*L0-Xp))

printf('Xp=%5.3f uH'%(Xp*1e6))
printf('Lp=%5.3f uH'%(Lp*1e6))
printf('Cpp=%5.3f nF'%(Cpp*1e9))
printf('Cps=%5.3f nF'%(Cps*1e9))

#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : LCCCAL.PY
#============================================================

在150kHz的作業情況下，LCC的引數為：

2.LCC網路制作

（1）Lp:4.56uH

采用 無線功率發送器與接收實驗：設定為200kHz 相同的自制電感，

（2）Cpp:246.9nF

• 配置：47×5+5.6×2=246.2nF，
• 實測：242.8nF

（3）Cps:46.1nF

直接使用一個47nF電容，

▌05 安裝半橋MOS管

1.增加散熱片

2.焊接半橋MOS管

3.連接發射線圈

將 多股Litz線制作無線耦合線圈 連接到電路板上，加上12V作業電壓，

作業基本情況：

作業電壓：12V
作業電流：77mA

4.修改接收線圈補償電容

（1）計算串聯補償電容

作業引數：

接收線圈的電感：L0=29uH
作業頻率：f0=150kHz

串聯補償電容： C s s = 1 ( 2 π f 0 ) 2 ? L 0 = 1 ( 2 π ? 150 × 1 0 3 ) 2 ? 29 × 1 0 ? 6 = 38.82 ? n F C_{ss} = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_0 }} = {1 \over {\left( {2\pi \cdot 150 \times 10^3 } \right)^2 \cdot 29 \times 10^{ - 6} }} = 38.82\,nF Css?=(2πf0?)2?L0?1?=(2π?150×103)2?29×10?61?=38.82nF

（2）制作Cs

使用5.6nF yu 22nF 制作Css ，具體如下圖所示：

實際測量結果： 39.7nF，

▌06 功能測驗

1.接收與發射功率

關于無線發送與接收的功率測驗詳見博文： 節能無線信標Ver0：功率測驗 ，

▌附件

■ 相關文獻鏈接:

• 第十六屆全國大學智能汽車競賽競速比賽規則
• 100W無線電耦合功率測驗實驗
• 無線功率發送器與接收實驗：設定為200kHz
• 節能信標無線感應定位測驗：200kHz
• 《無線充電（電力傳輸）設備無線電管理暫行規定》公開征求意見
• 無線充電（電力傳輸）設備無線電管理 暫行規定
• 節能信標燈設計第一版本：預備實驗
• TPS54360 輸入60V，輸出3.5A降壓開關電壓
• TPS4360資料手冊
• 多股Litz線制作無線耦合線圈測驗
• 節能無線信標Ver0：功率測驗

1.測量電源電壓與電流程式

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-03-03
#
# Note:
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from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsstm32       import *

setv = linspace(0, 24, 100)

idim = []
v33dim = []

for v in setv:
    dh1766volt(v)
    time.sleep(1)

    meter=meterval()
    v33dim.append(meter[1])
    idim.append(dh1766curr())

    printff(v, meter)

    tspsave('measure', setv=setv, idim=idim, v33dim=v33dim)

dh1766volt(12)
plt.plot(setv, v33dim)
plt.xlabel("Input Voltage(V)")
plt.ylabel("3.3V(V)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

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