李燕龍，陳曉，朱孔亮

（1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，廣西桂林 541004）

通信電子電路是電子信息類專業(yè)及相關(guān)信息技術(shù)專業(yè)的核心課程。由于工作頻率較高，對基礎(chǔ)電路的分析相較于模擬電子電路課程有所不同。該課程具有既重視基礎(chǔ)電路分析又重視實(shí)際應(yīng)用的綜合特點(diǎn)，部分學(xué)生無法將這門課程的核心知識理解透徹，也缺乏對基本實(shí)際電路的認(rèn)識和應(yīng)用[1-3]。而大多數(shù)傳統(tǒng)通信電子電路的課程教學(xué)實(shí)踐中沒有重視對學(xué)生創(chuàng)新與工程能力的培養(yǎng)，尤其是在課程大作業(yè)和課程設(shè)計(jì)上，缺乏課程評價(jià)量化和實(shí)施過程，導(dǎo)致各個(gè)水平的學(xué)生在傳統(tǒng)教學(xué)模式下無法得到與之能力匹配的任務(wù)要求，對能力培養(yǎng)的針對性較薄弱[4-5]。

同時(shí)，該課程的實(shí)際教學(xué)定位和教學(xué)質(zhì)量都難以滿足用人單位的要求。與實(shí)用工程人才的培養(yǎng)導(dǎo)向有偏差。因此設(shè)計(jì)一個(gè)滿足對學(xué)生知識綜合應(yīng)用和工程思維能力培養(yǎng)的教學(xué)案例，構(gòu)建創(chuàng)新能力發(fā)展的課程案例非常必要。通過學(xué)習(xí)該課程融入的課程思政內(nèi)容，加強(qiáng)了學(xué)生思政素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1 案例設(shè)計(jì)內(nèi)容與任務(wù)

1.1 三階式案例教學(xué)理念

針對傳統(tǒng)電子線路及相關(guān)課程理論與實(shí)踐脫節(jié)、缺乏工程思維和課程思政的問題，本文提出的教學(xué)理念，以基礎(chǔ)理論為核心，結(jié)合無線能量傳輸技術(shù)，通過融入工程實(shí)踐能力和思政素養(yǎng)，設(shè)計(jì)進(jìn)階式學(xué)習(xí)的基于調(diào)諧振蕩的無線輸能系統(tǒng)。通過基于調(diào)諧振蕩器的無線輸能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)知識構(gòu)建、能力培養(yǎng)、素養(yǎng)加強(qiáng)三個(gè)進(jìn)階學(xué)習(xí)過程，最終實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)踐、工程融合思政的目標(biāo)。

1.2 案例分層次設(shè)計(jì)內(nèi)容

針對上述教學(xué)理念，本案例基于磁耦合諧振式無線電能傳輸項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生在無線能量傳輸?shù)膽?yīng)用場景下利用通信電子電路的基礎(chǔ)知識[3-4]，并且在此過程中鍛煉實(shí)踐工程能力，加強(qiáng)科技創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和素養(yǎng)培養(yǎng)。為使得各層次的學(xué)生都能在本課程中學(xué)習(xí)到匹配的課程知識和工程能力[6-7]，本案例設(shè)置了分層次的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)任務(wù)，如表1所示。

表1 案例任務(wù)目標(biāo)

2 設(shè)計(jì)原理及方案

如圖1所示，該無線輸能系統(tǒng)的基本原理是利用接收線圈和發(fā)射線圈產(chǎn)生共振，實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。因此收發(fā)兩端要進(jìn)行調(diào)諧，同時(shí)為了提升功率傳輸效率達(dá)到最高，發(fā)端振蕩回路和高頻載波也要進(jìn)行調(diào)諧，使得發(fā)射回路選出特定頻率，攜帶能量傳輸，并利用晶體管或場效應(yīng)管進(jìn)行小信號功率放大。利用上述原理后文給出了參考電路。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 高頻振蕩器

利用石英晶振產(chǎn)生PWM 波，產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是不易調(diào)節(jié)波形頻率?；蛘呃脝纹瑱C(jī)和DDS 芯片產(chǎn)生PWM 信號，利用單片機(jī)在比較模式下輸出PWM 波，此法產(chǎn)生的PWM 信號數(shù)字可調(diào)，但電路復(fù)雜、成本高。利用555 時(shí)基電路產(chǎn)生PWM 信號，在NE555 的基礎(chǔ)上加入電位計(jì)，用這種方式能產(chǎn)生可調(diào)寬頻PWM 波[5，6]，價(jià)格便宜，設(shè)計(jì)簡單，穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此可利用555 構(gòu)成多諧振蕩器電路，通過調(diào)節(jié)外圍電阻電容產(chǎn)生不同頻率的PWM 信號。

2.2 諧振電路

串聯(lián)諧振電路，由電阻、電容和電感串聯(lián)組成，當(dāng)串聯(lián)阻抗之和為零時(shí)，整個(gè)電路呈現(xiàn)為一種純電阻性，串聯(lián)諧振電路中，容抗和感抗相互抵消，阻抗為零時(shí)，電流和電壓的相位也是相同的，設(shè)計(jì)簡單，但能耗較高，穩(wěn)定性低。收發(fā)回路的并聯(lián)諧振電路，由電容、電阻和電感經(jīng)過并聯(lián)組成。阻抗中，電路諧振時(shí)，它的阻抗最大，當(dāng)并聯(lián)諧振時(shí)，端電壓和電流處在同一相位，簡單易用，性能穩(wěn)定。

2.3 高頻功率放大電路

高頻功率放大器一般以三極管或MOS 管為基礎(chǔ)進(jìn)行不同性能的功率放大器設(shè)計(jì)。MOS 管驅(qū)動(dòng)核心器件一般由耗盡型和增強(qiáng)型兩種場效應(yīng)管組成。對于一般的場效應(yīng)管，輸出電流是由輸入電壓決定的，一般認(rèn)為場效應(yīng)管中的電流很小，或者基本趨于零，根據(jù)這個(gè)特性，場效應(yīng)管有很高的輸入抗性，可以輸入大電流，抗電擊穿能力也很強(qiáng)，目前常用的MOS 管為IRF540N[8]。

為了增加高頻信號的通過能力，放大電路經(jīng)過2個(gè)型號為S8050 的三極管跟隨電路，經(jīng)過100 歐姆電阻串聯(lián)在輸出三極管的發(fā)射極上，以穩(wěn)定偏流?；蛘咧苯佑肐RF540 構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。再通過IRF630 場效應(yīng)管的開關(guān)作用供給線圈供電，IRF540 開關(guān)管開啟時(shí)間為4ns，關(guān)閉時(shí)間為3ns，并且功耗低通過電流大完全符合要求，所以通過比較，可用IRF540 型MOS 管作為電路的驅(qū)動(dòng)[7]。

2.4 接收端電路

一般交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓，首先要經(jīng)過電源變壓器將高電壓轉(zhuǎn)化為低電壓，然后通過整流電路整流，再通過濾波電路抑制干擾，最后穩(wěn)壓。整流電路可以利用二極管的單向?qū)ㄌ匦詠碓O(shè)計(jì)，把交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}沖電壓。本方案采用半橋整流方式進(jìn)行整流，將橋式整流的兩個(gè)二極管封在一起，用兩只二極管和變壓器線圈的中心抽頭形成對稱回路，該方案結(jié)構(gòu)簡單，成本低[8]。

3 案例實(shí)施與考核要求

本教學(xué)案例將實(shí)施進(jìn)程細(xì)化為8 個(gè)部分，每部分均相互獨(dú)立。便于小組分配任務(wù)，強(qiáng)化學(xué)生項(xiàng)目進(jìn)程管理的工程思維，在實(shí)施過程中強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)。

本案例設(shè)計(jì)實(shí)施進(jìn)程如下：

（1）學(xué)習(xí)無線能量傳輸?shù)幕痉椒?，了解不同方法的?yōu)缺點(diǎn)，在傳感器選擇、測量方法等方面了解不同的處理方法。

（2）可以簡略地介紹雙耦合諧振能量傳輸基本原理，要求學(xué)生自學(xué)實(shí)現(xiàn)雙耦合諧振回路調(diào)諧方法。

（3）學(xué)習(xí)不同類型高頻振蕩器設(shè)計(jì)方法及性能對比，學(xué)習(xí)高頻功率放大器設(shè)計(jì)方法，分析傳輸功率和傳輸效率。

（4）學(xué)習(xí)諧振回路特性和調(diào)諧方法。

（5）在電路原理圖設(shè)計(jì)之前，要求做電路原理仿真，會使用Multisim 等電路設(shè)計(jì)仿真軟件。

（6）在電路設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試完成后，要用萬用表進(jìn)行實(shí)際測量，并計(jì)算實(shí)際電壓、電流及功能率；設(shè)計(jì)測試方法，搭建較為穩(wěn)定的測試環(huán)境。

（7）在電路材料選擇中還要注意低功耗、低成本的綠色設(shè)計(jì)理念。

（8）在實(shí)驗(yàn)完成后，組織學(xué)生以項(xiàng)目演講、答辯、評講的形式進(jìn)行交流，了解不同解決方案及其特點(diǎn)，拓寬知識面，同時(shí)進(jìn)一步思考科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的內(nèi)涵。

4 案例教學(xué)實(shí)施結(jié)果

完成理論教學(xué)后，學(xué)生分組完成了該案例，并優(yōu)化了單元電路，提升了系統(tǒng)性能。其中一組設(shè)計(jì)的方案如下文所述。發(fā)射端使用NE555 作為信號源，輸入柵極驅(qū)動(dòng)器，柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)PMOS 與NMOS 構(gòu)成的兩個(gè)半橋組成H 橋驅(qū)動(dòng)線圈與電容的串聯(lián)諧振電路。接收端使用4 個(gè)肖特基二極管構(gòu)成的全波整流器得到直流電，再經(jīng)過降壓電路得到穩(wěn)定的輸出電壓，接收端用LED 作為指示負(fù)載。

4.1 發(fā)射端電路

由NE555 振蕩電路、升壓電路、柵極驅(qū)動(dòng)器電路、H 橋電路、LC 諧振電路組成。發(fā)送端原理如圖2所示。

圖2 發(fā)射端原理圖

555 構(gòu)成多諧振蕩器，工作在無穩(wěn)態(tài)模式：在此模式下，555 以振蕩器的方式工作。無穩(wěn)態(tài)工作模式下555 定時(shí)器可輸出連續(xù)的特定頻率的方波。H 橋通常包含4 個(gè)獨(dú)立控制的開關(guān)元器件，通常用于驅(qū)動(dòng)電流較大的負(fù)載，由于結(jié)構(gòu)類似字母H，稱之為H 橋（H-Bridge），柵極驅(qū)動(dòng)器具有更高驅(qū)動(dòng)能力，支持快速切換，上升和下降時(shí)間只有幾納秒，這可以減少開關(guān)功率損耗，提高系統(tǒng)效率，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

4.2 接收端電路

接收端使用4 個(gè)肖特基二極管構(gòu)成的全波整流器得到直流電，再經(jīng)過降壓電路得到穩(wěn)定的輸出電壓，接收端有LED 用于指示。接收端原理如圖3所示。

4.3 部分實(shí)測結(jié)果與分析

通過對部分無線輸能系統(tǒng)的性能測試，可以實(shí)現(xiàn)在發(fā)射端5V 供電的條件下，達(dá)到最遠(yuǎn)無線傳輸距離約為40mm，接收端4.5V 欠壓鎖定下最大輸出功率約為4W，最高效率約為70%的指標(biāo)。由此可見，系統(tǒng)的LC 并聯(lián)諧振電路的線圈電感與電容選擇直接影響諧振回路的設(shè)計(jì)，MOS 管本身的性能對發(fā)射端的功率影響巨大。因此為了提升接收端功率和效率，在發(fā)射端完成功率放大的時(shí)候必須選擇具有良好參數(shù)和性能的MOS 管。

5 結(jié)語

本課程教學(xué)設(shè)計(jì)方案面向研究熱點(diǎn)無線能量傳輸，具有較強(qiáng)的前瞻性、工程性且實(shí)現(xiàn)方法多樣，具有分層次實(shí)驗(yàn)任務(wù)和考核評價(jià)最低標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生可自由發(fā)揮，能夠全面考查學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力，培養(yǎng)學(xué)生問題溯源、發(fā)散遷移等創(chuàng)新思維。結(jié)合專業(yè)基礎(chǔ)電路實(shí)驗(yàn)，做到基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與專業(yè)銜接，設(shè)計(jì)了有一定趣味性并需要數(shù)據(jù)和問題分析的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。本案例設(shè)計(jì)目標(biāo)是在指定的條件下，實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)木嚯x最遠(yuǎn)和效率最高，具有一定的約束條件和開放性，強(qiáng)調(diào)控制電路的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試能力，以及知識遷移能力，可以推廣到其他電子信息類相關(guān)專業(yè)。

圖3 接收端原理圖