CN106841813B - 测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置，包括有：定向耦合器，其包括有输入端、直通端、耦合端和隔离端，所述定向耦合器的输入端连接于功率放大器，所述定向耦合器的直通端连接于发射端LC谐振线圈，所述定向耦合器输入端的入射波信号耦合到耦合端，所述定向耦合器直通端的信号经过发射端LC谐振线圈后形成反射波信号，所述反射波信号耦合到隔离端；检测芯片，定向耦合器的耦合端和隔离端的电信号分别传输至检测芯片，检测芯片用于将其接收的电信号转换为电压信号；控制单元，检测芯片输出的电压信号传输至控制单元，以供控制单元运算得出发射端LC谐振线圈的输入阻抗。本发明电路结构简单、运算过程简短、测量效率高。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电系统，尤其涉及一种测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置及方法。
背景技术
在磁共振式无线充电系统中，准确测量发射端LC谐振线圈的输入阻抗至关重要。因为无线充电系统中，为了提高充电效率，很多技术需要被应用，而其中一部分技术的实现依靠实时准确测量发射端LC谐振线圈的输入阻抗。比如阻抗匹配，在应用Z参数进行阻抗匹配网络设计的时候，需要首先准确测量出实时的发射端LC谐振线圈的输入阻抗，然后再根据所测得的输入阻抗来设计阻抗匹配网络，使得发射端LC谐振线圈的输入阻抗与功率放大器的特性阻抗(即内阻)共轭负匹配；再如，在含有N个发射端LC谐振线圈的磁共振式无线充电系统中，为了提高接收端LC谐振线圈的接收功率，需要对N个发射端LC谐振线圈进行功率分配，而进行功率分配的关键一步就是对各个发射端LC谐振线圈的输入阻抗进行准确测量，但是现有磁共振式无线充电技术中，输入阻抗的测量方法过于复杂，检测效率低下，导致控制单元难以及时、快速地获取发射端LC谐振线圈的输入阻抗。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提出一种测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置，该装置具有电路结构简单、运算过程简短、测量效率高等特点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置，所述磁共振式无线充电系统包括有功率放大器和发射端LC谐振线圈，所述装置包括有：一定向耦合器，其包括有输入端、直通端、耦合端和隔离端，所述定向耦合器的输入端连接于功率放大器，所述定向耦合器的直通端连接于发射端LC谐振线圈，所述定向耦合器输入端的入射波信号耦合到耦合端，所述定向耦合器直通端的信号经过发射端LC谐振线圈后形成反射波信号，所述反射波信号耦合到隔离端；一检测芯片，所述定向耦合器的耦合端和隔离端的电信号分别传输至检测芯片，所述检测芯片用于将其接收的电信号转换为电压信号；一控制单元，所述检测芯片输出的电压信号传输至控制单元，以供所述控制单元运算得出发射端LC谐振线圈的输入阻抗。
优选地，还包括有第一衰减器和第二衰减器，所述第一衰减器连接于定向耦合器的耦合端与检测芯片之间，所述第二衰减器连接于定向耦合器的隔离端与检测芯片之间，所述第一衰减器和第二衰减器用于调节检测芯片的输入信号的大小。
优选地，所述检测芯片包括有分别用于连接第一衰减器和第二衰减器的A通道和B通道。
优选地，所述检测芯片包括有增益端口和相位端口，所述增益端口和相位端口分别电性连接于控制单元，所述检测芯片接收到定向耦合器耦合端和隔离端的电信号后：运算得出两路电信号的幅值比，并将该幅值比作为增益Vgain传输至控制单元；运算得出两路电信号的相位差，并将该相位差作为相位Vphas传输至控制单元；所述控制单元根据增益Vgain和相位Vphas运算得出发射端LC谐振线圈的输入阻抗。
优选地，所述控制单元间隔预设时间运算一次发射端LC谐振线圈的输入阻抗。
一种测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的方法，该方法基于一装置实现，所述装置包括有一定向耦合器、一检测芯片及一控制单元，所述定向耦合器包括有输入端、直通端、耦合端和隔离端，所述定向耦合器的输入端连接于功率放大器，所述定向耦合器的直通端连接于发射端LC谐振线圈，所述输入阻抗测量方法包括如下步骤：步骤S1，所述定向耦合器输入端的入射波信号耦合到耦合端，所述定向耦合器直通端的信号经过发射端LC谐振线圈后形成反射波信号，所述反射波信号耦合到隔离端，所述定向耦合器的耦合端信号和隔离端信号传输至检测芯片；步骤S2，所述检测芯片将定向耦合器耦合端和隔离端输出的电信号转换为电压信号，并传输至控制单元；步骤S3，所述控制单元根据检测芯片输出的电压信号运算得出发射端LC谐振线圈的输入阻抗。
优选地，所述定向耦合器耦合端和隔离端的电信号分别经过衰减后传输至检测芯片。
优选地，所述检测芯片包括有增益端口和相位端口，所述增益端口和相位端口分别电性连接于控制单元，所述步骤S2中，所述检测芯片接收到定向耦合器耦合端和隔离端的电信号后，执行如下步骤：步骤S20，运算得出两路电信号的幅值比，并将该幅值比作为增益Vgain传输至控制单元；步骤S21，运算得出两路电信号的相位差，并将该相位差作为相位Vphas传输至控制单元。
优选地，所述步骤S3中，所述控制单元根据增益Vgain和相位Vphas运算得出发射端LC谐振线圈的输入阻抗。
优选地，每间隔预设时间重复执行一次步骤S1至步骤S3。
本发明公开的测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置中，定向耦合器的输入端信号耦合到耦合端，定向耦合器直通端的信号经过发射端LC谐振线圈后形成反射波信号，该反射波信号耦合到隔离端，同时，耦合端的信号和隔离端的信号传输至检测芯片，由检测芯片将定向耦合器耦合端和隔离端输出的电信号转换为电压信号，并传输至控制单元，利用所述控制单元根据检测芯片输出的电压信号运算得出发射端LC谐振线圈的输入阻抗。本发明充分利用了定向耦合器进行信号采集，再通过检测芯片初步处理后，由控制单元运算得出发射端LC谐振线圈的输入阻抗，其电路结构简单、处理过程简短，可大大提高测量效率，使得控制单元能够快速地得出发射端LC谐振线圈的输入阻抗，以便于及时进行阻抗匹配，进而提高无线传输效率。
附图说明
图1为本发明的组成框图。
图2为本发明优选实施例中输入阻抗测量方法的流程图。
图3为入射波和反射波传输线路示意图。
图4为定向耦合器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置，如图1所示，所述磁共振式无线充电系统包括有功率放大器1和发射端LC谐振线圈2，所述装置包括有：
一定向耦合器3，其包括有输入端、直通端、耦合端和隔离端，所述定向耦合器3的输入端连接于功率放大器1，所述定向耦合器3的直通端连接于发射端LC谐振线圈2，所述定向耦合器3输入端的入射波信号耦合到耦合端，所述定向耦合器3直通端的信号经过发射端LC谐振线圈2后形成反射波信号，所述反射波信号耦合到隔离端；
一检测芯片6，所述定向耦合器3的耦合端和隔离端的电信号分别传输至检测芯片6，所述检测芯片6用于将其接收的电信号转换为电压信号；
一控制单元7，所述检测芯片6输出的电压信号传输至控制单元7，以供所述控制单元7运算得出发射端LC谐振线圈2的输入阻抗。
上述装置中，定向耦合器3的输入端信号耦合到耦合端，定向耦合器3直通端的信号经过发射端LC谐振线圈2后形成反射波信号，该反射波信号耦合到隔离端，同时，耦合端的信号和隔离端的信号传输至检测芯片6，由检测芯片6将定向耦合器3耦合端和隔离端的电信号转换为电压信号，并传输至控制单元7，利用所述控制单元7根据检测芯片6输出的电压信号运算得出发射端LC谐振线圈2的输入阻抗。本发明充分利用了定向耦合器3进行信号采集，再通过检测芯片6初步处理后，由控制单元7运算得出发射端LC谐振线圈2的输入阻抗，其电路结构简单、处理过程简短，可大大提高测量效率，使得控制单元7能够快速地得出发射端LC谐振线圈2的输入阻抗，以便于及时进行阻抗匹配，进而提高无线传输效率。
本实施例中，功率放大器1的前端可以设置DC电源和信号发生器，由DC电源、信号发生器和功率放大器组成信号源，为定向耦合器3提供电信号，在系统的输出侧，接收端LC谐振线圈100感应输出的电信号依次经过全桥整流电路101整流、DC-DC稳压模块102进行稳压后为负载103供电。此外，在优选实施例中，所述检测芯片6可以是型号为AD8302的幅相检测芯片。
在本发明的优选实施例中，发射端部分的连接方式简述为：功率放大器的输出端与定向耦合器的输入端相连；定向耦合器的直通端与发射端LC谐振线圈相连；定向耦合器的耦合端与衰减器A的输入端相连；衰减器A的输出端与检测芯片的A通道相连；定向耦合器的隔离端与衰减器B的输入端相连；衰减器B的输出端与检测芯片的B通道相连；检测芯片的增益Vgain端口和相位Vphas端口分别与控制单元不同的数字输入端口相连；构成整个发射端部分。接收端部分的连接方式简述为：接收端LC谐振线圈与全桥整流模块的输入端相连；全桥整流模块的输出端与DC-DC稳压模块的输入端相连；DC-DC稳压模块的输出端与负载相连，构成整个接收端部分。
上述电路中，功率放大器的输出端输出一定频率的正弦波信号，该正弦波信号经过定向耦合器的输入端传到定向耦合器的直通端，再由定向耦合器的直通端传输至发射端LC谐振线圈。接收端LC谐振线圈将所感应的交变磁场转化为正弦波信号，作用于全桥整流电路，形成了交流电压到直流电压的的转换，之后再经过DC-DC稳压模块，直流电压稳定到适合负载电压要求的特定值，再接入负载，给负载供电。发射端LC谐振线圈的输入阻抗的测量由定向耦合器，衰减器及检测芯片完成。
本实施例还包括衰减器件，具体是指，包括有第一衰减器4和第二衰减器5，所述第一衰减器4连接于定向耦合器3的耦合端与检测芯片6之间，所述第二衰减器5连接于定向耦合器3的隔离端与检测芯片6之间，所述第一衰减器4和第二衰减器5用于调节检测芯片6的输入信号的大小。
为实现衰减器件的对应连接，所述检测芯片6包括有分别用于连接第一衰减器4和第二衰减器5的A通道和B通道。
检测芯片6的处理过程中，所述检测芯片6包括有增益端口和相位端口，所述增益端口和相位端口分别电性连接于控制单元7，所述检测芯片6接收到定向耦合器3耦合端和隔离端的电信号后：
运算得出两路电信号的幅值比，并将该幅值比作为增益Vgain传输至控制单元7；
运算得出两路电信号的相位差，并将该相位差作为相位Vphas传输至控制单元7；
所述控制单元7根据增益Vgain和相位Vphas运算得出发射端LC谐振线圈2的输入阻抗。
进一步地，所述控制单元7间隔预设时间运算一次发射端LC谐振线圈2的输入阻抗。
在上述装置的基础上，本发明还公开一种测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的方法，该方法基于一装置实现，所述装置包括有一定向耦合器3、一检测芯片6及一控制单元7，所述定向耦合器3包括有输入端、直通端、耦合端和隔离端，所述定向耦合器3的输入端连接于功率放大器1，所述定向耦合器3的直通端连接于发射端LC谐振线圈2，所述输入阻抗测量方法包括如下步骤：
步骤S1，所述定向耦合器3输入端的入射波信号耦合到耦合端，所述定向耦合器3直通端的信号经过发射端LC谐振线圈2后形成反射波信号，所述反射波信号耦合到隔离端，所述定向耦合器3的耦合端信号和隔离端信号传输至检测芯片6；
步骤S2，所述检测芯片6将定向耦合器3耦合端和隔离端输出的电信号转换为电压信号，并传输至控制单元7；
步骤S3，所述控制单元7根据检测芯片6输出的电压信号运算得出发射端LC谐振线圈2的输入阻抗。
本发明输入阻抗测量方法运算处理原理可参考如下理论：
在电磁学的传输线理论中，反射系数τ被定义为反射波电压Vref与入射波电压Vinc的比值，记为对于一个实际的系统，请参照图3，反射系数与负载的阻抗值成一定的关系。假设传输线的特性阻抗为Z0，负载为ZL，则反射系数由此公式可以进一步推导出负载的阻抗值与反射系数的关系本发明的基本原理就是根据公式通过测量发射端LC谐振线圈的反射系数得出其输入阻抗。实现方法是：采用一个体积小的检测芯片，再配合定向耦合器和衰减器以及控制单元，构成一个简单高效的自动检测系统，对发射端LC谐振线圈的反射系数进行测量，把测量结果输入至控制单元，控制单元会根据一定的公式计算出发射端LC谐振线圈的输入阻抗。
进一步地，所述定向耦合器3耦合端和隔离端的电信号分别经过衰减后传输至检测芯片6。
本实施例中，定向耦合器是一种通用的无源微波/毫米波部件，请参照图4，其含有四个端口：输入端、直通端、耦合端和隔离端，可用于信号的隔离、分离和混合，定向耦合器可以被设计为任意功率分配比，从而对在输入端口的入射波信号Vinc进行一定比例的功率分配。在理想情况下，入射波Vinc输入到定向耦合器的输入端后，大部分的能量会直接传输至定向耦合器的直通端，剩余的能量(占入射波总能量的很小比例)会通过传输线间的电容或电感耦合到定向耦合器的耦合端，形成耦合端信号Vcoup,当大部分的入射波Vinc从定向耦合器直通端输出并传输到负载时，如果负载与传输线不匹配，反射波Vref会形成。反射波Vref的能量会以一定的比例耦合至定向耦合器的隔离端，形成隔离端信号Viso。由于隔离端的信号Viso是由反射波信号Vref经一定比例耦合所得，耦合端的信号Vcoup是由入射波信号Vinc经一定比例耦合所得，故由隔离端信号Viso与耦合端信号Vcoup的比值能够一定程度上代表反射波信号Vref与入射波信号Vinc的比值，两者呈某些确定关系，所以根据故由隔离端信号Viso与耦合端信号Vcoup的比值能够推导出反射系数τ。
本实施例就是利用上述原理进行发射端LC谐振线圈的输入阻抗的测量的。理想情况下，衰减器能够对信号的功率进行一定程度的衰减，并不影响信号的其他因素。由于检测芯片有输入功率限制，所以耦合端的信号Vcoup及隔离端的信号Viso必须经过衰减器衰减一定的倍数后再输入至检测芯片，从而使输入到检测芯片的信号的功率在其能够承受的范围内，保证其正常工作。
基于上述原理，结合图1和图2所示，所述检测芯片6包括有增益端口和相位端口，所述增益端口和相位端口分别电性连接于控制单元7，所述步骤S2中，所述检测芯片6接收到定向耦合器3耦合端和隔离端的电信号后，执行如下步骤：
步骤S20，运算得出两路电信号的幅值比，并将该幅值比作为增益Vgain传输至控制单元7；
步骤S21，运算得出两路电信号的相位差，并将该相位差作为相位Vphas传输至控制单元7。
在步骤S1中，入射波Vinc进入定向耦合器的输入端后，大部分能量直接通向定向耦合器的直通端，剩下的一定比例的能量会耦合至向定向耦合器的耦合端，记为Vcoup；入射波Vinc从直通端输出并传送至负载后，反射波Vref以一定的比例耦合至定向耦合器的隔离端，记为Viso。
在第一衰减器4和第二衰减器5的作用下，耦合端信号Vcoup进入第一衰减器4，被第一衰减器4衰减E1dB后进入检测芯片的A通道，记为VA；同时，Viso进入第二衰减器5，被第二衰减器5衰减E2dB后通入检测芯片的B通道，记为VB。
在步骤S2中，检测芯片对输入的A通道的电压信号VA和输入B通道的电压信号VB进行比较，将VA信号与VB信号的幅值比通过该检测芯片内置的算法进行转换，转换成电压信号Vgain从增益端口输出，再将VA信号与VB信号的相位差通过该检测芯片内置的算法进行转换，转换成电压信号Vphas从相位端口输出，检测芯片与控制单元相连，会把Vgain以及Vphas的值传送至控制单元。本实施例中，所述检测芯片6优选是型号为AD8302的幅相检测芯片，该检测芯片6内设置有用于对上述幅值比和相位差进行转换处理的运算公式。
所述步骤S3中，所述控制单元7根据增益Vgain和相位Vphas运算得出发射端LC谐振线圈2的输入阻抗。至此，一个完整的输入阻抗测量流程完成。实际应用中，所述控制单元7每间隔预设时间重复执行一次步骤S1至步骤S3。
所述步骤S3中，所述控制单元7运算输入阻抗的过程参见如下方式，假设定向耦合器的耦合端与输入端相位差为α，隔离端与直通端的相位差为β，则有：
A1＝Vphas+α-β；
B1＝1/(10^((Vgain-0.9)/0.03/20))；
根据A1和B1的值可以算出反射系数τ；
实部为：Re(τ)＝B1*cos(A1)；
虚部为：Im(τ)＝B1*sin(A1)；
最后根据运算得出输入阻抗Z。
本发明公开的测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置及方法，其能够应用于各种中高频系统中输入阻抗的测量，如生物组织的阻抗测量，除此之外，它还能够被改造用来为温度补偿和幅度控制电路提供采样功率，能在很宽的频率范围内完成功率的分配与合成；在平衡放大器中，它有助于获得良好的输入输出电压驻波比VSWR，在平衡混合器和微波设备中，能够被用来采样入射和发射信号。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置，所述磁共振式无线充电系统包括有功率放大器(1)和发射端LC谐振线圈(2)，其特征在于，所述装置包括有：
一定向耦合器(3)，其包括有输入端、直通端、耦合端和隔离端，所述定向耦合器(3)的输入端连接于功率放大器(1)，所述定向耦合器(3)的直通端连接于发射端LC谐振线圈(2)，所述定向耦合器(3)输入端的入射波信号耦合到耦合端，所述定向耦合器(3)直通端的信号经过发射端LC谐振线圈(2)后形成反射波信号，所述反射波信号耦合到隔离端；
一检测芯片(6)，所述定向耦合器(3)的耦合端和隔离端的电信号分别传输至检测芯片(6)，所述检测芯片(6)用于将其接收的电信号转换为电压信号；
一控制单元(7)，所述检测芯片(6)输出的电压信号传输至控制单元(7)，以供所述控制单元(7)运算得出发射端LC谐振线圈(2)的输入阻抗；
所述检测芯片(6)包括有增益端口和相位端口，所述增益端口和相位端口分别电性连接于控制单元(7)，所述检测芯片(6)接收到定向耦合器(3)耦合端和隔离端的电信号后：
运算得出两路电信号的幅值比，并将该幅值比作为增益Vgain传输至控制单元(7)；
运算得出两路电信号的相位差，并将该相位差作为相位Vphas传输至控制单元(7)；
所述控制单元(7)根据增益Vgain和相位Vphas运算得出发射端LC谐振线圈(2)的输入阻抗。
2.如权利要求1所述的测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置，其特征在于，还包括有第一衰减器(4)和第二衰减器(5)，所述第一衰减器(4)连接于定向耦合器(3)的耦合端与检测芯片(6)之间，所述第二衰减器(5)连接于定向耦合器(3)的隔离端与检测芯片(6)之间，所述第一衰减器(4)和第二衰减器(5)用于调节检测芯片(6)的输入信号的大小。
3.如权利要求2所述的测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置，其特征在于，所述检测芯片(6)包括有分别用于连接第一衰减器(4)和第二衰减器(5)的A通道和B通道。
4.如权利要求1所述的测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的装置，其特征在于，所述控制单元(7)间隔预设时间运算一次发射端LC谐振线圈(2)的输入阻抗。
5.一种测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的方法，其特征在于，该方法基于一装置实现，所述装置包括有一定向耦合器(3)、一检测芯片(6)及一控制单元(7)，所述定向耦合器(3)包括有输入端、直通端、耦合端和隔离端，所述定向耦合器(3)的输入端连接于功率放大器(1)，所述定向耦合器(3)的直通端连接于发射端LC谐振线圈(2)，所述输入阻抗测量方法包括如下步骤：
步骤S1，所述定向耦合器(3)输入端的入射波信号耦合到耦合端，所述定向耦合器(3)直通端的信号经过发射端LC谐振线圈(2)后形成反射波信号，所述反射波信号耦合到隔离端，所述定向耦合器(3)的耦合端信号和隔离端信号传输至检测芯片(6)；
步骤S2，所述检测芯片(6)将定向耦合器(3)耦合端和隔离端输出的电信号转换为电压信号，并传输至控制单元(7)；
步骤S3，所述控制单元(7)根据检测芯片(6)输出的电压信号运算得出发射端LC谐振线圈(2)的输入阻抗；
所述检测芯片(6)包括有增益端口和相位端口，所述增益端口和相位端口分别电性连接于控制单元(7)，所述步骤S2中，所述检测芯片(6)接收到定向耦合器(3)耦合端和隔离端的电信号后，执行如下步骤：
步骤S20，运算得出两路电信号的幅值比，并将该幅值比作为增益Vgain传输至控制单元(7)；
步骤S21，运算得出两路电信号的相位差，并将该相位差作为相位Vphas传输至控制单元(7)。
6.如权利要求5所述的测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的方法，其特征在于，所述定向耦合器(3)耦合端和隔离端的电信号分别经过衰减后传输至检测芯片(6)。
7.如权利要求5所述的测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述控制单元(7)根据增益Vgain和相位Vphas运算得出发射端LC谐振线圈(2)的输入阻抗。
8.如权利要求5所述的测量磁共振式无线充电系统发射端输入阻抗的方法，其特征在于，每间隔预设时间重复执行一次步骤S1至步骤S3。
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