CN106712312A - 一种新型无线能量传输电源发生器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型无线能量传输电源发生器系统，包括电源、输入电源电路、高频逆变电路、稱合变压器和次级整理电路；所述输入电源电路由整流电路、滤波电路、稳压电路组成，将工频交流电转变成稳定的直流电供后续电路使用；所述高频逆变电路主要由PWM信号发生模块、全桥逆变电路以及驱动电路组成，将直流电转变成高频方波供给稱合变压器；所述稱合变压器由发射线圈和接收线圈组成，作为传递能量的中介；所述次级整理电路是将稱合变压器得到的正弦交流电进行整流滤波稳压处理得到波纹度较小的直流电供负载使用。本发明在一定程度上改善了早期无线供能系统的成本高，体积大和不便于携带的缺点。

Description

一种新型无线能量传输电源发生器系统

技术领域

本发明涉及无线能量传输领域，具体是一种新型无线能量传输电源发生器系统。

背景技术

随着人们生活节奏的加快和饮食结构的变化，胃肠道部位的疾病发病率在不断升高。胃肠道疾病的诊断一直都是个难题，目前临床上常用的诊断方法是传统胃肠内窥镜，诊断方式采取人为介入式，胃肠镜一般直接从肛门或口腔插入，病人要承受极大的痛苦，而且只能诊断整个消化道的部位，剩下的部位都属于盲区无法诊断。现阶段比较先进的分别有吞服式胶囊内窥镜，能够采集胃肠道里的图像并发送到体外，但是内置在胶囊里的纽扣电池容量不足，只能工作几小时。而且电池供能存在很多缺点：一是电池容量不足供电时间短，如需要对某一部位进行反复观察诊断时，电池难以满足长时间诊断的需求；二是微型化学电池含有化学物质，存在安全隐患，一旦泄漏，会给人体带来伤害。三是占用较大的空间，体内微机电系统体积要做的很小才能顺利进入体内，而耗电量大的微诊查系统需要用多个电池供电，多个电池无疑要占用很大的空间，与微型化背道而驰，所以这就需要新的创新技术。

发明内容

本发明目的是提供提出一种新型的无线能量传输系统电源发生器，在一定程度上改善了早期无线供能系统的成本高，体积大和不便于携带的缺点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种新型无线能量传输电源发生器系统，包括电源、输入电源电路、高频逆变电路、稱合变压器和次级整理电路；所述输入电源电路由整流电路、滤波电路、稳压电路组成，将工频交流电转变成稳定的直流电供后续电路使用；所述高频逆变电路主要由PWM信号发生模块、全桥逆变电路以及驱动电路组成，将直流电转变成高频方波供给稱合变压器；所述稱合变压器由发射线圈和接收线圈组成，作为传递能量的中介；所述次级整理电路是将稱合变压器得到的正弦交流电进行整流滤波稳压处理得到波纹度较小的直流电供负载使用。

进一步的，所述输入电源电路的整流电路为单相桥式整流电路。

进一步的，所述输入电源电路的稳压电路包括可调式稳压电路、固定式稳压电路。

优选的，所述PWM信号发生模块采用直接数字频率合成技术来产生PWM信号。

作为优选，所述发射线圈采用绝缘性能良好的聚氯乙稀材料制成发射线圈的骨架，骨架周围用里兹线绕制而成。

作为优选，所述接收线圈采用铁氧体为磁芯骨架。

本发明的有益效果是：

本系统应用在胶囊内窥镜上，能够较好的给胶囊内窥镜供能，并且成本低、体积小、操作方便和便于携带。同时也得出在相同条件下占空比对系统的传输效率起着重要的作用，长时间工作时电路的温度比较稳定，能够满足长时间诊断的需求。在一定程度上改善了早期无线供能系统的成本高，体积大和不便于携带的缺点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明无线能量传输电源发生器系统框图。

图2为本发明单相桥式整流滤波电路示意图。

图3为本发明单相桥式整流电容滤波理想状态下波形图。

图4为本发明单相桥式整流电容滤波加入整流电路内阻时的波形图。

图5为本发明输入电源电路示意图。

图6为本发明全桥逆变电路示意图。

图7为本发明缓冲电路示意图。

图8为本发明驱动电路示意图。

图9为发明次级整理电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1-9所示，本发明公开一种新型无线能量传输电源发生器系统，本发明的系统主要由输入电源电路、高频逆变电路、稱合变压器和次级整理电路。输入电源电路由整流电路、滤波电路、稳压电路组成，一般电路上整体称为整流滤波稳压电路，作用是将工频交流电转变成稳定的直流电供后续电路使用。高频逆变电路主要由PWM信号发生模块和全桥逆变电路组成，将直流电转变成高频方波供给发射线圈产生交变磁场。

PWM信号发生器产生信号后，信号不能直接驱动全桥逆变电路，要经过驱动电路进行放大才能驱动。耦合变压器是传递能量的中介，由发射线圈和接收线圈组成。次级整理电路是将接收线圈感应出的正弦交流电进行整流滤波稳压处理得到波纹度较小的直流电供负载使用。

1、输入电源电路

(1)、整流

典型的整流电路主要有单相半波整流和单相桥式整流电路，本系统的电源模块输入采用桥式整流电路。

单相桥桥式整流由四个二极管连接组成，主要就是让负载上的电流和电压在变压器副边感应电压的一个周期内保持在同一个方向上不变。

这种单相桥式整流电路实现了全波整流，在变器副边电压有效值相同和负载也相同的情况下，输出电压和输出电流的平均值都是半波整流的两倍；同时的脉动系数减小很多，而且具有输出电压高、脉动小等优点。

(2)、滤波

虽然桥式整流可以将交流电转换为方向单一电压电流输出，但输出还是包含有一定量的谐波，不能满足大多数元器件和设备的正常工作的需要。本系统采用电容滤波电路将整流后的电压变为平滑的直流电压。主要利用电容的充放电作用使电压趋于平滑，通过在负载两端并联一个电容构成滤波电路。

如图2所示为例，电容滤波主要利用了电容的充放电作用，当u2处于正半周期，且u2>uc时，二极管D1和D3导通，电路中电流分成两路；一路给电容C充电,一路流经负载RL,u2上升到峰值后幵始下降，滤波电容通过电阻RL放电，电容两端电压uc也开始下降，下降的开始阶段u2和uc的波形基本一致，但由于电容的放电是遵循指数规律的，放电的速度逐渐缓慢下来，因此一段时间后，uc的减小速度要小于u2的减小速度，结果uc>u2，使二极管D1和D3反向截止。而电容则继续按指数规律缓慢放电；当u2处于负半周期时，与上述分析的滤波效果一致，最后电容C也是通过负载电阻按指数规律缓慢放电，接着又是正半周期充放电情况，就这样交替重复上述两过程，具体电容滤波形如图3-4所示。

从图3-4所示的波形可知，输出电压经过滤波后不但变得平滑，而且平均值也增加了。同时可以看出电容充电时间很短，远小于电容放电时间，也就是说滤波的效果取决于电容放电时间，放电时间越长，波形越平滑，波形脉动就越小。

(3)、稳压

正弦交流电压经过整流滤波电路后能够变成较为平滑的直流电压，但仅此电压还不够稳定，因为一方面由于变压器副边电压有效值影响着输出电压平均值，于是当电网电压波动带动副边电压波动时，输出电压平均值也会随之产生相应的波动；另一方面由于内阻的存在，当负载发生变化时，内阻两端的电压也将发生变化，于是输出电压平均值也将发生改变。为了获得稳定性较高的直流电压，本系统釆取稳压措施。系统的电源输入模块采用可调式稳压电路和固定式稳压电路，前者可通过外接元件使输出电得到很宽的调节范围；后者的输出电压不能调节主要用于给芯片稳定供电。

本系统的电源输入电路一方面为后续电路的芯片的直流稳压供电，另一方面作为全桥逆变电路的直流电源，并且要求输出电压是连续可调的。经过对上述整流，滤波和稳压各部分的设计计算，最终整合出为本无线能量传输系统输入电源电路，如图5所示。

2、PWM信号发生模块

PWM是脉冲宽度调制的意思，主要用在逆变电源等领域。目前随着单片机技术的不断发展，基于单片机控制的技术也在不断的发展，在单片机的控制下能够较为方便的去选择脉冲频率，整个系统能够集成为具有故障诊断功能、保护功能和显示输入功能的小型化可靠的系统。

本系统采用直接数字频率合成技术(DDS)来产生PWM信号，具有转换速度高、分辨率高、换频速度快、频率转换时间和相位连续以及可灵活产生多种信号等优点。

3、逆变主电路

逆变的直接功能是将直流电转化成交流电。利用功率幵关管的通断，实现DC-AC转换的目的。逆变电路按主电路的结构分类有推挽式、半桥式和全桥式逆变结构。为了提高发射功率和效率，本系统采用全桥逆变电路，而且采用电压型逆变器。

电压型逆变器在逆变的过程中存在一定的死区时间段，是为了防止一个桥臂的上下两个MOSFET管直通，导致电流过大烧毁器件而设置的。本系统的死区电路主要用到RC电路的延迟特性，这样在死区时间里同一个桥臂上的两个MOSFET管都处于截止状态，达到了同一桥臂上一个开关完全断幵后另一个开关才开通的目的，避免了直通现象。

此外，幵关管在关断和导通时，由于变压器漏感和回路分布电感的影响，会在此开关管两端或在同一桥臂上的另一个开关管两端上产生尖峰电压。产生的电压尖峰与主电路的电源电压叠加后可能会超过开关管的安全工作区而导致损坏幵关管。如图6所示：

为了吸收上述的电压尖峰，可以加缓冲电路，其基本形式如图7所示，通过直接连接到每个开

关管的漏极和源极，具有寄生电感小的特点，能够有效的抑制振荡的产生。

4、驱动电路

如图8所示，本系统中，PWM信号幅值为5V左右，达不到驱动开关管MOSFET的要求，这时需要加上功率放大电路来提高信号的驱动能力，本系统采用了大功率专用驱动集成电路IR2110芯片。该芯片很好的简化了MOSFET驱动电路的设计，有助于减小控制板的尺寸；同时也具有完整快速的保护功能，可以明显的提升系统控制的可靠性。

本系统选取的MOSFET型号为IRF510，系统的工作频率在300KHZ以上，对自举电容的选择采用大电容并联小电容，经过计算和实验调试最终选取1.0uF的电解电容和103独石电容并联使用。驱动电路如图8所示，由于一片IR2110只能同时驱动2个MOSFET管，所以对于全桥逆变电路需要两片IR2110来驱动。

5、发射线圈

由于初级线圈在工作过程可能会与人体或动物体接触，需要考虑接触的安全性，因此系统中要采用绝缘性能良好的聚氯乙稀材料制成初级线圈的骨架，为了减小高频电流带来的趋肤效应和邻近效应，线圈采用里兹线绕制而成。

6、接收线圈

接收线圈是要内置在体内微诊查系统内部，所在在满足微诊查系统正常工作的要求下体积要尽可能的小，为了增大磁通量，增强电磁感应的强度，接收线圈采用铁氧体为磁芯骨架，具有饱和磁通密度高、剩磁小的特点。

7、次级整理电路

现阶段，次级整理电路可以应用到本系统三维正交线圈整流连接方式主要有串联后整流、并联后整流、整流后串联及整流后并联四种，并联后整流输出电压较低，各种位姿下输出都不到2.5V。串联后整流虽然电压可以达到较高的数值，但是这是在默认三个绕组感应的电压相位都一致的情况下得出的，实际上存在电压相位差在180°的情况，这时电压会相互抵消，总的电压会大大降低。整流后串联输出的电压也较高，在回路连续经过三个整流桥，会带来较大的压降。整流后并联可以保证任何时候都输出最大的感应电动势，同时回路中只经过一个整流桥，压降较小。所以本系统采用先整流后并联的连接方式，如图9所示。

同样接收线圈感应的电动势经过整流滤波后会因为位姿的变化存在一定的波动，不能直接用于微诊查机构供能，也需要利用稳压芯片输出较为平稳的直流电，稳压芯片采用型号为SPX3819的低噪声低压差稳压器。

最后本发明对无线能量传输系统的各个组成部分进行了详细说明，依次说明了电源电路、高频逆变电路、親合变压器和次级接收电路，连接到负载胶囊内窥镜上，本系统能够较好的给胶囊内窥镜供能，并且成本低、体积小、操作方便和便于携带。同时也得出在相同条件下占空比对系统的传输效率起着重要的作用，长时间工作时电路的温度比较稳定，能够满足长时间诊断的需求

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型无线能量传输电源发生器系统，其特征在于，包括电源、输入电源电路、高频逆变电路、稱合变压器和次级整理电路；所述输入电源电路由整流电路、滤波电路、稳压电路组成，将工频交流电转变成稳定的直流电供后续电路使用；所述高频逆变电路主要由PWM信号发生模块、全桥逆变电路以及驱动电路组成，将直流电转变成高频方波供给稱合变压器；所述稱合变压器由发射线圈和接收线圈组成，作为传递能量的中介；所述次级整理电路是将稱合变压器得到的正弦交流电进行整流滤波稳压处理得到波纹度较小的直流电供负载使用。

2.根据权利要求1所述新型无线能量传输电源发生器系统，其特征在于,所述输入电源电路的整流电路为单相桥式整流电路。

3.根据权利要求1所述新型无线能量传输电源发生器系统，其特征在于,所述输入电源电路的稳压电路包括可调式稳压电路、固定式稳压电路。

4.根据权利要求1所述新型无线能量传输电源发生器系统，其特征在于,所述PWM信号发生模块采用直接数字频率合成技术来产生PWM信号。

5.根据权利要求1所述新型无线能量传输电源发生器系统，其特征在于,所述发射线圈采用绝缘性能良好的聚氯乙稀材料制成发射线圈的骨架，骨架周围用里兹线绕制而成。

6.根据权利要求1所述新型无线能量传输电源发生器系统，其特征在于,所述接收线圈采用铁氧体为磁芯骨架。