CN101227105A

CN101227105A - 一种电感耦合间歇供电装置

Info

Publication number: CN101227105A
Application number: CNA2007101780725A
Authority: CN
Inventors: 乌力吉; 李勇; 张春; 王志华
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2027-11-26
Also published as: CN101227105B

Abstract

一种电感耦合间歇供电装置，属于大电流无源系统供电装置技术领域。该供电装置依次包括信号发射模块、LC并联谐振电路、整流电路、能量储存电路、电压监测电路以及稳压器；LC并联谐振电路由天线电感线圈L2和电容C2并联构成；整流电路输入端4和输入端5与LC并联谐振电路两端相连；能量储存电路电解电容C_S正端接整流电路的输出端6；稳压器的输入端与电解电容C_S正端6相联，接地端与地相联，输出端13作为整个装置的电压输出端，为负载供电。本发明应用于无源轮胎压力监测系统时，置于车身和轮胎内部的两个天线间通过电感耦合传输电能，经过整流、储能和稳压器为集成电路供电，这样为实现无源轮胎压力监测系统提供了有效的供电方式。

Description

一种电感耦合间歇供电装置

技术领域

本发明为一种可适用于无源轮胎压力监测系统等大电流无源系统的电感耦合方式间歇供电装置，它涉及低功耗电压监测和稳压电路设计，属于大电流无源系统供电装置技术领域。

技术背景

通过电感耦合方式获取能量在无线射频识别技术中得到了广泛的应用，但其方式一般是实时提供小电流负载，只适用于极低功耗的系统中，而无法保证有大电流的负载。然而，无源系统的发展要求有能够提供大电流负载的供电装置，电感耦合作为一种有效的能量传递方式，基于它的间歇供电装置可以广泛应用到大电流无源系统。作为一个具体应用实例，它可以用到汽车轮胎压力监测系统中。

汽车轮胎压力监测系统(TPMS)，用于在汽车行驶时，适时对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气造成的低胎压和高温高胎压进行预警，确保行车安全。汽车轮胎压力监测系统由轮胎监测模块和中央接收模块两个部分组成。

目前，TPMS主要分为间接式和直接式两种类型。间接式TPMS是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。直接式TPMS则是利用安装在每一只轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示与监视。直接式TPMS从功能和性能上均优于间接式TPMS，从而成为市场的主流。直接式TPMS又可分为带电池TPMS和无电池TPMS。

TPMS的主要技术难点集中在胎内的发射监测模块上。目前带电池TPMS模块已经有了比较成熟的技术了。但由于要使用电池，它存在几个严重的缺点：电池寿命有限、体积和重量过大、监测密度无法做到实时监控、无法保证稳定性与可靠性。如果胎内模块可以实现无源(不带电池)，则上述问题都可以得到解决。

从轮胎外通过电磁场传入能量，驱动轮胎内模块工作，发射压力信息，是实现无源轮胎压力监测系统的一种可行方案。电感耦合是通过空间高频交变磁场实现耦合，依据电磁感应定律，通过交变磁场在轮胎内测量发射模块的线圈中感应出电压和电流，给轮胎内测量发射模块提供能量。

目前，申请者还没有看到国内关于电感耦合方式实现大电流无源系统间歇供电装置的研究。

发明内容

适用于无源轮胎压力监测系统的电感耦合方式间歇供电装置，利用电感耦合方式传递的能量为轮胎内部的电路模块供电，从而实现不带电池的轮胎压力和温度数据的测量和采集，对轮胎漏气造成的低胎压和高温高胎压进行预警，确保行车安全。

电感耦合方式间歇供电装置，该供电系统包括以下六个部分：

(1)信号发射模块：采用通常的高频或者低频信号发射模块，由晶体振荡器U0、放大器A0、串联谐振电容C1和发射天线L1组成。晶体振荡器产生高频或者低频信号，经过放大器的放大后，驱动天线负载，从而在空间中发射电磁场。它作为整个装置的能量来源。

(2)LC并联谐振电路：由天线电感线圈L2和电容C2并联构成，用于无线接收高频或者低频信号并产生谐振，与整流电路装置的输入端相连。

(3)整流电路：由4个二极管D1、D2、D3和D4构成的桥式全波整流电路，用于将天线接收并谐振后的高频或者低频信号进行整流，把交流电转换成直流电，其输出端与能量存储电路装置的输入端相连。

(4)能量存储电路：一个大容量的电解电容C_s，用于存储电能，吸收并累积由整流电路过来的电能，通过长时充电过程和短时放电过程为后续电路供电。它的输出端和电压监测装置、线性稳压器的输入端相连。

(5)电压监测电路：由运算放大器A1、运算放大器A2、分压电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6组成，用于监测能量存储电路装置上的电压大小，保证在存储足够能量的时候实现放电输出，其产生的输出可以控制后续电路的工作情况。

(6)稳压器：可以是线性稳压器或者三端稳压器，用于调节变化的能量存储电路装置电压，产生稳定输出电压，为负载供电。

它是一种利用电感耦合传递能量和交流电转变为直流电的技术，包括信号发射模块、LC并联谐振电路、整流电路、能量储存电路、电压监测电路以及稳压器六个部分。通过电感耦合接收到的交流电压经过整流电路后，将能量存到能量存储电路中，储能电容提供电压给电压监测电路和稳压器，产生的输出控制信号和稳定输出电压供后续电路工作。它需要对储能电容持续充电，在充电到一定程度后实现快速放电、提供负载所需的电流，所以系统供电方式是间歇式的。

本发明的原理可以描述如下：所述的信号发射模块(1)产生交流信号，并在空间发射电磁场。所述的LC并联谐振电路(2)包括电感线圈和谐振电容，在电磁场下耦合出交流信号输出给整流电路(3)。所述的整流电路(3)采用二极管桥式整流电路，它将交流信号进行桥式整流后输送给能量存储电路(4)。所述的能量存储电路(4)为大容量的电解电容，LC谐振电路(2)产生的电流为其充电，当储能电容中的能量足以供负载工作时，储能电容则放电。所述的电压监测电路(5)，用于监测大容量的电解电容上的电压大小，保证在存储足够能量的时候实现放电输出，其产生的输出可以控制后续电路的工作情况。所述的稳压器(6)用来调节电容输入来的电压，输出稳定的电压供后续电路工作。

本发明应用于无源轮胎压力监测系统时，置于车身和轮胎内部的两个天线间通过电感耦合传输电能，经过整流、储能和稳压器为集成电路供电，这样为实现无源轮胎压力监测系统提供了有效的供电方式。

附图说明

图1为本发明的逻辑结构示意图。

图2为本发明的电路结构图。

图3为本发明应用于无源轮胎压力监测系统的示意图。

图4为本发明中储能电容工作示意图。

具体实施方式

图1为本发明的逻辑结构示意图。其中1为信号发射模块、2为LC并联谐振电路、3为整流电路、4为能量存储电路、5为电压监测电路、6为稳压器。LC并联谐振电路在电感耦合下产生电流，LC并联谐振电路(2)的输出端和整流电路(3)的输入端相连，整流电路(3)的输出端与能量存储电路(4)的输入端相连；能量存储电路(4)的输出端与电压监测电路(5)、稳压器(6)的输入端相连。

图2为本发明的电路结构图。电感耦合方式间歇供电装置，该装置由信号发射模块、LC并联谐振电路、整流电路、能量储存电路、电压监测电路以及稳压器构成，电路连接关系如图所示：

1.信号发射模块：由晶体振荡器U0、放大器A0、电容C1和天线L1组成。各部分的联接关系是：

晶体振荡器U0的输出端接放大器A0的输入端1；

放大器A0的输入端接U0的输出端，A0的输出端2接电容C1；

天线L1的一端3与电容C1串联，组成LC串联谐振，天线L1的另一端接地。

2.LC并联谐振电路：由电容C2和天线L2组成。各部分联接关系是：

天线L2和电容C2直接并联。

3.整流电路：由4个二极管D1、D2、D3和D4组成。各部分联接关系是：

D1的阳极与D3的阴极相联，并作为整流电路的一个输入端4；

D2的阳极与D4的阴极相联，并作为整流电路的另一个输入端5；

输入端4和输入端5与LC并联谐振电路两端相连；

D3的阳极与D4的阳极相联，并连接到地端；

D1的阴极与D2的阴极相联，并作为整流电路的输出端6。

4.能量储存电路：为一个大容量电解电容C_s，电解电容C_s正端接整流电路的输出端6，负端接地；

5.电压监测电路：由运算放大器A1、运算放大器A2、分压电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6组成。各部分的联接关系是：

运算放大器A1的正输入端7与基准电压Vref相联，负输入端8与A1输出端9经过电阻R4、R3到地端的分压端点相联；

运算放大器A2的负输入端10与电解电容C_s正端6经过R1、R2到地端的分压端点相联，正输入端11与A2输出端12经过电阻R6、R5到A1输出端的分压端点相联。

6.稳压器：为一个三端稳压器U1或者线性稳压器。其联接关系是：

稳压器U1的输入端与电解电容C_s正端6相联，接地端与地相联，输出端13作为整个装置的电压输出端，为负载供电。

图3为本发明应用于无源轮胎压力监测系统的示意图。其中7为汽车电源线、8为信号发射模块、9为间歇供电装置安装于轮胎内部的部分。汽车电源线(7)连接到信号发射模块(8)，提供所需电源；信号发射模块(8)向空间发射电磁场，被轮胎内部的装置所接收和转换，提供无源轮胎压力监测系统数据测量和发送所需的直流电。

图4为本发明中储能电容工作示意图。其中10为能量存储电路里的储能电容C_s、11为稳压器、12为电路负载。能量存储电路里的储能电容(10)和稳压器(11)相连，稳压器(11)的输出和负载(12)相连。

储能电容C_s的大小主要取决于后续电路完成一个工作周期所需的电能。

储能电容放电过程释放的电荷大小为：

ΔQ＝C_s·(V₁-V₂)＝I·Δt (1)

其中ΔQ为C_s在其两端电压从V₁到V₂(V₁＞V₂)变化过程中释放的电荷大小；Δt为由电压从V₁到V₂变化经历的时间，I为此段时间输出的电流大小；

根据公式(1)可以得到：

Δt = \frac{C_{s} \cdot (V_{1} - V_{2})}{I} - - - (2)

根据公式(2)可得到C_s两端电压变化时可以为后续电路提供电流的时间。具体实施过程中，可以选择合适的储能电容大小和电压变化范围，保证后续电路完成所需工作过程。

Claims

1.一种电感耦合间歇供电装置，其特征在于，该供电装置依次包括信号发射模块、LC并联谐振电路、整流电路、能量储存电路、电压监测电路以及稳压器；

信号发射模块，包括晶体振荡器U0、放大器A0、电容C1和天线L1；晶体振荡器U0的输出端接放大器A0的输入端1；放大器A0的输入端接UO的输出端，A0的输出端2接电容C1；天线L1的一端3与电容C1串联，组成LC串联谐振，天线L1的另一端接地；

LC并联谐振电路，由天线电感线圈L2和电容C2并联构成；

整流电路，包括4个二极管D1、D2、D3和D4；D1的阳极与D3的阴极相联，并作为整流电路的一个输入端4；D2的阳极与D4的阴极相联，并作为整流电路的另一个输入端5；输入端4和输入端5与LC并联谐振电路两端相连；D3的阳极与D4的阳极相联，并连接到地端；D1的阴极与D2的阴极相联，并作为整流电路的输出端6；

能量储存电路，为一个大容量电解电容C_s；电解电容C_s正端接整流电路的输出端6，负端接地；

电压监测电路，包括运算放大器A1、运算放大器A2、分压电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6；运算放大器A1的正输入端7与基准电压Vref相联，负输入端8与A1输出端9经过电阻R4、R3到地端的分压端点相联；运算放大器A2的负输入端10与所述电解电容C_s正端6经过R1、R2到地端的分压端点相联，正输入端11与A2输出端12经过电阻R6、R5到A1输出端的分压端点相联；

稳压器，稳压器的输入端与电解电容C_s正端6相联，接地端与地相联，输出端13作为整个装置的电压输出端，为负载供电。

2.根据权利要求1所述的一种电感耦合间歇供电装置，其特征在于，所述稳压器为线性稳压器或者三端稳压器。