CN107666187A - 无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统 - Google Patents

无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统 Download PDF

Info

Publication number
CN107666187A
CN107666187A CN201711037142.5A CN201711037142A CN107666187A CN 107666187 A CN107666187 A CN 107666187A CN 201711037142 A CN201711037142 A CN 201711037142A CN 107666187 A CN107666187 A CN 107666187A
Authority
CN
China
Prior art keywords
input
voltage
output end
mos transistor
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711037142.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107666187B (zh
Inventor
黄沫
刘洋
李斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN201711037142.5A priority Critical patent/CN107666187B/zh
Publication of CN107666187A publication Critical patent/CN107666187A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107666187B publication Critical patent/CN107666187B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/25—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only arranged for operation in series, e.g. for multiplication of voltage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统，其中的无线能量传输接收电路通过利用具有全波整流器和倍压器两种工作模式的可重构整流器、能够调节感应电压输出大小的预整流调节器，以及控制单元，拓宽了负载调节范围，并提高了无线能量接收效率，从而提高无线能量传输系统的传输效率，能量损失少，不需要采用大尺寸芯片封装和散热片，体积小，制造成本较低，且集成度高，能够满足应用需求。

Description

无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统
技术领域
本发明涉及无线能量传输领域，特别涉及一种无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统。
背景技术
随着无线互联、电磁谐振和电力电子技术的大力发展，无线能量传输技术目前已经成为一个研究的热点领域，特别是无线能量传输设备的便携性和安全性，越来越多地得到人们的重视和青睐，由此无线能量传输技术被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。
依靠无线能量传输技术，智能手机、平板电脑、数码相机和手环手表等消费型电子产品终将会完全摆脱电源线的束缚，电子产品领域将全面开启普及无线能量传输技术的浪潮。而无线能量传输技术中，无线能量传输的效率和距离是关注和研究的重点。其中，为解决无线能量传输的距离的问题，2007年，麻省理工学院Marin Soljacic等人提出了磁耦合共振式的无线能量传输技术，利用非辐射性磁耦合，使得两个相同频率的谐振线圈之间产生很强的相互耦合，由此较好地解决了传统磁感应式无线能量传输距离较近的问题。
但是，无线能量传输的低效率仍然是阻碍无线能量传输技术大规模推广的最大阻碍因素，尤其是无线能量传输接收电路的接收效率大大制约了整个无线能量传输系统的传输效率。且现有的无线能量传输接收电路普遍存在接收效率较低、能量损耗较大的缺点。而且，损耗的能量会转化为热量，从而导致系统温度急剧提高，使系统性能恶化。因此，为了散热以保证系统性能，现有无线能量传输接收电路还必须采用更大的芯片封装尺寸和散热片，致使极大地增加了接收机的体积和制造成本，并降低集成度。
故，如何提升接收机效率成为目前无线能量传输技术中最亟需解决的问题。
发明内容
为解决上述现有技术的缺点和不足，作为本发明的其中一目的，本发明提供了一种无线能量传输接收电路，能够提高无线能量接收效率，从而提高无线能量传输系统的传输效率，能量损失少，不需要采用大尺寸芯片封装和散热片，体积小，制造成本较低，且集成度高，能够满足应用需求。作为本发明的另一目的，本发明还提供一种包括上述无线能量传输接收电路的无线能量传输系统。
为达到本发明的第一目的，本发明首先提供了一种无线能量传输接收电路，其包括接收线圈、匹配网络、预整流调节器、可重构整流器和控制单元；
所述接收线圈与所述匹配网络的输入端并联，构成并联谐振电路；
所述预整流调节器的通断控制端与所述控制单元的通断控制输出端电连接，其输出端与所述匹配网络的输出端并联，且所述预整流调节器与所述匹配网络并联的两并联节点构成感应电压输出端；
所述可重构整流器的输入端与所述感应电压输出端电连接，其输出端用于接入负载和所述控制单元的电压检测输入端，其模式控制端与所述控制单元的模式控制输出端电连接；
所述控制单元根据其电压检测输入端的输入电压、基准电压输入端的输入电压及模式信号输入端的输入信号，处理得到模式控制信号，并通过模式控制输出端对所述可重构整流器输入模式控制信号，控制可重构整流器在全波整流器和倍压器之间切换；且所述控制单元根据所述模式控制信号、及其通断信号输入端的输入信号，处理得到通断控制信号，并通过通断控制输出端对所述预整流调节器输入通断控制信号，控制预整流调节器的通断，而调节可重构整流器输入端处的等效电阻大小，实现调节所述感应电压输出端的输出电压大小，扩宽可重构整流器的输出端可接入的负载范围。
由此，接收线圈通过电磁感应产生感应电动势，在感应电动势经过可重构整流器进行整流过程中，利用处于1X模式的可重构整流器，也即等效于全波整流器的可重构整流器，输出电压到负载，由此提高接收效率；而利用处于2X模式的可重构整流器，也即等效于倍压器的可重构整流器，实现输出到负载上的电压为输入电压的两倍；并通过控制单元控制可重构整流器分别在1X模式和2X模式下的工作时长，保证负载在获取较高的输出电压的同时，能够保证整个接收电路具有较高的接收效率。并且，通过预整流调节器，调节感应电压输出端的输出电压大小，也即本质上是调节可重构整流器的输入端处的等效输入电阻的大小，从而使得可重构整流器不仅能够适用于负载电阻大于或等于临界电阻的情况下，还能适用于负载电阻小于临界电阻的情况下，拓宽了负载的调节范围。故本发明无线能量传输接收电路，能够提高无线能量接收效率，从而提高无线能量传输系统的传输效率，能量损失少，不需要采用大尺寸芯片封装和散热片，体积小，制造成本较低，且集成度高，能够满足应用需求；并使得可重构整流器同样适用于负载电阻小于临界电阻情况下，不仅拓宽了负载调节范围，而且在负载大于临界电阻情况下，可以通过预整流调节器增大2X模式的输出电压，从而增大1X模式的占空比，进而提高接收效率。
进一步，所述控制单元包括两分压电阻、一误差放大器、一电压比较器、一D触发器、一信号发生器、及一带隙基准源；
所述两分压电阻一端相互电连接，其中一分压电阻另一端与所述可重构整流器的输出端电连接，另一分压电阻另一端接地；且所述两分压电阻之间的连接节点为所述电压检测输入端；
所述误差放大器的反相输入端接入所述电压检测输入端，同相输入端为所述基准电压输入端并接入所述带隙基准源，输出端与所述电压比较器的同相输入端电连接；
所述电压比较器的反相输入端为所述模式信号输入端，输出端为所述模式控制输出端；
所述D触发器的时钟输入端与所述模式控制输出端电连接，数据输入端为所述通断信号输入端，数据输出端为所述通断控制输出端；
所述信号发生器设有三角形波信号输出端和方波信号输出端；所述三角形波信号输出端与所述模式信号输入端电连接，所述方波信号输出端与所述通断信号输入端电连接。
通过上述对控制单元的限定，有利于保证控制单元能够满足所需的功能的情况下，对控制单元的结构进行最好的简化。
进一步，所述可重构整流器包括第一MOS晶体管、第二MOS晶体管、第三MOS晶体管、第四MOS晶体管、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、两滤波电容、整流反相器和倍压反相器；
所述第一MOS晶体管的栅极和漏极串接并共地，源极与第三MOS晶体管的源极电连接；
所述第二MOS晶体管的栅极和漏极串接，并与第一MOS晶体管的栅极和漏极共地，源极与第四MOS晶体管的源极电连接；且所述第一MOS晶体管的源极与第三MOS晶体管的源极之间的连接节点、及第二MOS晶体管的源极与第四MOS晶体管的源极之间的连接节点共同构成用于与所述感应电压输出端电连接的输入端；
所述第三MOS晶体管的漏极与所述第四MOS晶体管的漏极电连接；及第三MOS晶体管的栅极通过第一开关电连接于其漏极，并通过第三开关电连接于第二MOS晶体管的源极和第四MOS晶体管的源极之间；
所述第四MOS晶体管的栅极通过第二开关与其漏极电连接，并通过第四开关电连接于第一MOS晶体管的源极和第三MOS晶体管的源极之间；
所述两滤波电容一端相互电连接，其中一滤波电容另一端电连接于所述第四MOS晶体管的漏极，并作为可重构整流器的输出端；另一滤波电容另一端接地；
所述第五开关一端电连接于第二MOS晶体管的源极与第四MOS晶体管的源极之间的连接节点，另一端电连接于所述两滤波电容之间的连接节点；
所述整流反相器的输入端与所述模式控制输出端电连接，其反相输出端输出整流控制信号并与所述倍压反相器的输入端电连接；所述整流控制信号控制所述第三开关和第四开关的开闭状态；
所述倍压反相器的反相输出端输出倍压控制信号，所倍压控制信号控制所述第一开关、第二开关和第五开关的开闭状态。
通过上述对可重构整流器的限定，有利于保证可重构整流器能够满足所需的功能的情况下，对可重构整流器的结构进行最好的简化，提高电路集成度和减少电路体积。
进一步，所述模式控制输出端输出的模式控制信号为低电平时，低电平信号经整流反相器输出高电平的整流控制信号，第三开关和第四开关闭合；而高电平的整流控制信号经倍压反相器输出低电平的倍压控制信号，第一开关、第二开关和第五开关都断开，可重构整流器等效于全波整流器；所述模式控制输出端输出的模式控制信号为高电平时，高电平信号经整流反相器输出低电平的整流控制信号，第三开关和第四开关断开；而低电平的整流控制信号经倍压反相器输出高电平的倍压控制信号，第一开关、第二开关和第五开关都闭合，可重构整流器等效于倍压器。通过此处限定，降低了可重构整流器在两种工作模式之间实现切换的控制复杂度，也简化了对可重构整流器在两种工作模式之前实现切换的控制结构，同时也提高了控制的稳定性。
进一步，所述两滤波电容的参数相同。
进一步，所述匹配网络由一谐振电容构成；所述谐振电容与所述接收线圈并联形成并联谐振电路。通过此处限定，有利于简化谐振电路的结构，提高电路工作的稳定性。
进一步，所述预整流调节器为一电路开关；所述并联谐振电路的谐振周期为TP，所述负载的电阻为RL，可重构整流器的输入端的等效输入电阻为Rineq；
所述模式控制输出端输出的模式控制信号为低电平时，D触发器不触发，预整流调节器断开，可重构整流器作为全波整流器工作，所述等效输入电阻
所述模式控制输出端输出的模式控制信号为高电平时，D触发器被触发，预整流调节器闭合，可重构整流器作为倍压器工作，所述等效输入电阻其中，Ton是信号发生器输出的方波信号的一个周期内，高电平信号的持续时长，Toff是信号发生器输出的方波信号的一个周期内，低电平信号的持续时长；且Ton和Toff都是谐振周期TP的整数倍。
通过此处限定，有利于进一步简化整个无线能量传输接收电路的结构，同时也使得可重构整流器的输入端处的等效输入电阻的大小调节难度降低，具有更稳定和更简单的调节操作。
进一步，所述负载与可重构整流器的输入端电连接的一端相对的另一端接地。
为达到本发明的另一目的，本发明还提供了一种无线能量传输系统，其包括无线能量传输发射电路和无线能量传输接收电路，其特征在于：所述无线能量传输接收电路为上述任一项所述的无线能量传输接收电路。
进一步，所述无线能量传输发射电路包括功率源、初级谐振电容和发射线圈；所述功率源、初级谐振电容和发射线圈串联连接并形成串联回路；且所述初级谐振电容和发射线圈构成串联谐振电路，其谐振频率与所述并联谐振电路的谐振频率相等。
由于本发明无线能量传输系统包括本发明的无线能量传输接收电路，故所述无线能量传输系统具有所述无线能量接收电路的所有有益效果，在此不再赘述。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明无线能量传输系统的无线能量传输发射电路的电路结构图；
图2为本发明的无线能量传输接收电路接有负载时的电路框图；
图3为本发明实施例的无线能量传输系统接有负载时的电路结构图；
图4为本发明的可重构整流器的电路结构示意图；
图5为本发明的可重构整流器等效于全波整流器时的等效电路结构示意图；
图6为本发明的可重构整流器等效于倍压器时的等效电路结构示意图；
图7为本发明的可重构整流器在两个工作模式下的电路等效图及输出电压曲线图；
图8为本发明的可重构整流器在两个工作模式下的输出电压与占空比之间的关系的一个示例图。
具体实施方式
本发明提供了一种无线能量传输系统，其包括无线能量传输发射电路和无线能量传输接收电路。而为提高无线能量传输接收电路的接收效率，进而提高无线能量传输系统的传输效率，减少能量损失，以不需要采用大尺寸芯片封装和散热片，具有更小的体积、更低的制造成本和更高的集成度，以更好地满足应用需求，本发明着重对无线能量传输接收电路进行改进。
请参阅图1，在本实施例中，所述无线能量传输发射电路11包括功率源Vs、初级谐振电容C1和发射线圈L1。所述功率源Vs、初级谐振电容C1和发射线圈L1串联连接并形成串联回路；且所述初级谐振电容C1和发射线圈L1构成串联谐振电路。由此，无线能量传输发射电路11通过其发射线圈L1将功率源Vs的能量发射出去，并由无线能量传输接收电路10接收。
请参阅图2，本发明无线能量传输接收电路10，包括接收线圈101、匹配网络102、预整流调节器103、可重构整流器104和控制单元105。
所述接收线圈101与所述匹配网络102的输入端并联，构成并联谐振电路。所述预整流调节器103的通断控制端与所述控制单元105的通断控制输出端电连接，其输出端与所述匹配网络102的输出端并联，且所述预整流调节器103与所述匹配网络102并联的两并联节点构成感应电压输出端。所述可重构整流器104的输入端与所述感应电压输出端电连接，其输出端用于接入负载106和所述控制单元105的电压检测输入端，其模式控制端与所述控制单元105的模式控制输出端电连接。所述控制单元105根据其电压检测输入端的输入电压、基准电压输入端的输入电压及模式信号输入端的输入信号，处理得到模式控制信号Mode，并通过模式控制输出端对所述可重构整流器104输入模式控制信号Mode，控制可重构整流器104在全波整流器和倍压器之间切换；且所述控制单元105根据所述模式控制信号Mode、及其通断信号输入端的输入信号，处理得到通断控制信号SC，并通过通断控制输出端对所述预整流调节器103输入通断控制信号SC，控制预整流调节器103的通断，而调节可重构整流器104输入端处的等效电阻大小，实现调节所述感应电压输出端的输出电压大小，扩宽可重构整流器104的输出端可接入的负载106范围。
由此，接收线圈通过电磁感应产生感应电动势，在感应电动势经过可重构整流器104进行整流过程中，利用处于1X模式的可重构整流器104，也即等效于全波整流器的可重构整流器104，输出电压到负载106，该模式下整流效率较高；而利用处于2X模式的可重构整流器104，也即等效于倍压器的可重构整流器104，实现输出到负载106上的电压为输入电压的两倍；并通过控制单元105控制可重构整流器104分别在1X模式和2X模式下的工作时长，保证负载106在获取较高的输出电压的同时，又能够保证整个接收电路具有较高的接收效率。并且，通过预整流调节器103，调节感应电压输出端的输出电压大小，也即本质上是调节可重构整流器104的输入端处的等效输入电阻的大小，从而使得可重构整流器104不仅能够适用于负载电阻大于或等于临界电阻的情况下，还能适用于负载电阻小于临界电阻的情况下，拓宽了负载的调节范围。
请参阅图3，本实施例中，所述匹配网络102由一谐振电容C2构成；所述谐振电容C2与所述接收线圈L2并联形成并联谐振电路，其谐振频率与所述串联谐振电路的谐振频率相等。由此，接收线圈L2会与发射线圈L1发生磁耦合共振，接收由无线能量传输发射电路11发射的能量，并存储到自身和所述谐振电容C2中。从而在所述接收线圈L2的两端产生电压，并连接到所述可重构整流器104的输入端(VAC1和VAC2)。
具体地，请继续参阅图3，所述控制单元105包括两分压电阻R1和R2、一误差放大器1051、一电压比较器1052、一D触发器1053、一信号发生器1054、及一带隙基准源1055。
所述两分压电阻R1和R2一端相互电连接，其中一分压电阻R1另一端与所述可重构整流器104的输出端电连接，另一分压电阻R2另一端接地；且所述两分压电阻R1和R2之间的连接节点为所述电压检测输入端。
所述误差放大器1051的反相输入端接入所述电压检测输入端，同相输入端为所述基准电压输入端并接入所述带隙基准源1055，输出端与所述电压比较器1052的同相输入端电连接。
所述电压比较器1052的反相输入端为所述模式信号输入端，输出端为所述模式控制输出端。
所述D触发器1053的时钟输入端CLK与所述模式控制输出端电连接，数据输入端D为所述通断信号输入端，数据输出端Q为所述通断控制输出端。
所述信号发生器1054设有三角形波信号输出端和方波信号输出端；所述三角形波信号输出端与所述模式信号输入端电连接，并向模式信号输入端输入三角波信号VRAMP；所述方波信号输出端与所述通断信号输入端电连接，并向通断信号输入端输入方波信号VSQ。
所述带隙基准源1055用于输出基准电压VREF。
具体地，请同时参阅图3和图4，所述可重构整流器104包括第一MOS晶体管M1、第二MOS晶体管M2、第三MOS晶体管M3、第四MOS晶体管M4、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、两滤波电容CL1和CL2、整流反相器和倍压反相器。
所述第一MOS晶体管M1的栅极和漏极串接并共地，源极与第三MOS晶体管M3的源极电连接。
所述第二MOS晶体管M2的栅极和漏极串接，并与第一MOS晶体管M1的栅极和漏极共地，源极与第四MOS晶体管M4的源极电连接；且所述第一MOS晶体管M1的源极与第三MOS晶体管M3的源极之间的连接节点、及第二MOS晶体管M2的源极与第四MOS晶体管M4的源极之间的连接节点共同构成用于与所述感应电压输出端电连接的输入端(VAC1和VAC2)。
所述第三MOS晶体管M3的漏极与所述第四MOS晶体管M4的漏极电连接；及第三MOS晶体管M3的栅极通过第一开关S1电连接于其漏极，并通过第三开关S3电连接于第二MOS晶体管M2的源极和第四MOS晶体管M4的源极之间。
所述第四MOS晶体管M4的栅极通过第二开关S2与其漏极电连接，并通过第四开关S4电连接于第一MOS晶体管M1的源极和第三MOS晶体管M3的源极之间。
所述两滤波电容CL1和CL2一端相互电连接，其中一滤波电容另一端电连接于所述第四MOS晶体管M4的漏极，并作为可重构整流器104的输出端VOUT；另一滤波电容另一端接地。其中，可重构整流器104的输出端VOUT通过分压电阻R1和R2分压得到分压电压Vb，再输入到所述控制单元105的输入端的电压检测输入端。
所述第五开关S5一端电连接于第二MOS晶体管M2的源极与第四MOS晶体管M4的源极之间的连接节点，另一端电连接于所述两滤波电容CL1和CL2之间的连接节点。
所述整流反相器的输入端与所述模式控制输出端电连接，其反相输出端输出整流控制信号并与所述倍压反相器的输入端电连接；所述整流控制信号控制所述第三开关S3和第四开关S4的开闭状态。
所述倍压反相器的反相输出端输出倍压控制信号，所倍压控制信号控制所述第一开关S1、第二开关S2和第五开关S5的开闭状态。
以下，分别说明一下可重构整流器104的两种工作模式的电路原理：
(1)1X模式，即可重构整流器104等效于全波整流器：所述模式控制输出端输出的模式控制信号为低电平，低电平信号经整流反相器输出高电平的整流控制信号1X，第三开关S3和第四开关S4闭合；而高电平的整流控制信号1X经倍压反相器输出低电平的倍压控制信号2X，第一开关S1、第二开关S2和第五开关S5都断开，可重构整流器104等效于全波整流器；如图5所示。
也即，此时模式控制输出端输出的模式控制信号Mode等于0，所述第一MOS晶体管M1和所述第二MOS晶体管M2等效为二极管D1和二极管D2，所述二极管D1的阳极接地，且其阴极连接所述第三MOS晶体管M3的源极，作为一个信号输入端VAC1，并连接到第四MOS晶体管M4的栅极，所述第三MOS晶体管M3的漏极连接到第四MOS晶体管M4的漏极，并作为输出端VOUT；所述二极管D2的阳极接地，阴极接第四MOS晶体管M4的源极，作为另一个信号输入端VAC2，并连接到第四MOS晶体管M4的源极。所述滤波电容CL1和CL2串联后，一端接所述输出端VOUT，另一端连接地。当所述VAC1和VAC2输入交流信号时，所述第三MOS晶体管M3和所述第四MOS晶体管M4交替导通，并与所述二极管D1和二极管D2构成全波整流电路，即1X模式。
(2)2X模式，即可重构整流器104等效于倍压器：所述模式控制输出端输出的模式控制信号为高电平，高电平信号经整流反相器输出低电平的整流控制信号1X，第三开关S3和第四开关S4断开；而低电平的整流控制信号1X经倍压反相器输出高电平的倍压控制信号2X，第一开关S1、第二开关S2和第五开关S5都闭合，可重构整流器104等效于倍压器，如图6所示。
也即，此时模式控制输出端输出的模式控制信号Mode等于1时，所述第一MOS晶体管M1、所述第二MOS晶体管M2、所述第一MOS晶体管M1和所述第二MOS晶体管M2分别等效为二极管D3、D4、D5和D6。所述二极管D3的的阳极接地，阴极作为一个信号输入端VAC1，并连接到D5的阳极；D5的阴极作为输出端VOUT；所述二极管D4的阳极接地，阴极作为一个信号输入端VAC2，并连接到二极管D6的阴极；二极管D6的阳极连接所述输出端VOUT。所述电容CL1和CL2的串联后一端连接所述输出端VOUT，另一端接地，所述电容CL1和CL2的中间节点作连接所述信号输入端VAC2。由于CL1和CL2串联分压，VAC2等于VOUT/2，使得二极管D4和D6反向偏置而截止，因此所述二极管D3和D5以及所述电容CL1和CL2构成二倍增压电路，即2X模式。
在本实施例中，所述两滤波电容CL1和CL2的参数相同。
而在其它变形实施例中，可以适当调节匹配网络102。
在本实施例中，所述预整流调节器103为一电路开关SW。所述并联谐振电路的谐振周期为TP，所述负载106的电阻为RL，可重构整流器104的输入端的等效输入电阻为Rineq。所述模式控制输出端输出的模式控制信号为低电平时，D触发器1053不触发，预整流调节器103断开，可重构整流器104作为全波整流器工作，所述等效输入电阻所述模式控制输出端输出的模式控制信号为高电平时，D触发器1053被触发，预整流调节器103闭合，可重构整流器104作为倍压器工作，所述等效输入电阻其中，Ton是信号发生器1054输出的方波信号的一个周期内，高电平信号的持续时长，Toff是信号发生器1054输出的方波信号的一个周期内，低电平信号的持续时长；且Ton和Toff都是谐振周期TP的整数倍。
在本实施例中，所述负载106等效为电阻RL，电阻RL与可重构整流器104的输入端电连接的一端相对的另一端接地。
以下，说明一下预整流调节器103带来的有益效果：
请参阅图7和图8，基于本发明的无线能量传输接收电路10可知，控制单元105是可以通过PWM调制技术控制可重构整理器在1X和2X模式的占空比的，从而将可1X模式的可重构整理器和2X模式的可重构整理器的各自优势结合起来，在获得较高输出电压的同时保证较高接收效率。但是这种1X/2X可重构整流器104实现高效率的前提是2X模式下的输出电压比1X模式的高，由图7可知，2X模式下的输出电压比1X模式下的输出电压要高的充要条件是负载电阻RL大于临界电阻RLa(RLa是V1X＝V2X时对应的负载)，即高效率1X/2X可重构整流器104的负载调节范围是RL大于临界电阻RLa，因而这一条件大大限制了负载电阻RL的调节范围。
而本发明引入预整流调节器103，当RL小于临界电阻RLa时，通过提高2X模式下的输出电压V2X，使V2X大于V1X，从而满足高效整流的条件，进而拓宽了负载调节范围。此外，当RL大于临界电阻RLa时，如图8所示的示例，当1X模式的输出电压为1V，2X模式的输出电压为2V，设置1X模式和2X模式占空比为50％，使得可重构整流器104的输出电压为1.5V；保持输出电压不变，通过引入预整流调节器103提高2X模式下的输出电压到3V，当2X模式的占空比下降到25％，那么1X模式的占空比增大到75％。同等输出电压情况下，1X模式的占空比增大将会进一步提高接收效率。
以下，基于上述电路，说明一下所述控制单元105的工作机理：
所述误差放大器1051的1051通过比较所述分压电压Vb和所述基准电压VREF，输出信号Ve。所述电压比较器1052比较三角波信号VRAMP和所述Ve，输出模式控制信号Mode。当所述Mode为高电平时，所述可重构整流器104切换至2X模式，与此同时所述D触发器1053被时钟信号所述Mode的高电平所触发，并输出方波信号SC，该方波信号SC的一个周期内的高电平时长和低电平时长分别为Ton和Toff。由此，所述方波信号SC控制所述预整流调节器103的通断，使得2X模式下的等效输入阻抗Rineq变小，输出电压变大。当所述模式控制信号Mode为低电平时，所述可重构整流器104切换至1X模式，此时所述D触发器1053不会被为低电平模式控制信号Mode的时钟信号所触发，从而所述D触发器1053输出信号SC一直为低电平，导致所述预整流调节器103处于断开的待机状态，直到Mode变为高电平。
相对于现有技术，本发明无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统通过利用具有全波整流器和倍压器两种工作模式的可重构整流器、能够调节感应电压输出大小的预整流调节器，以及控制单元，拓宽了负载调节范围，并提高了无线能量接收效率，从而提高无线能量传输系统的传输效率，能量损失少，不需要采用大尺寸芯片封装和散热片，体积小，制造成本较低，且集成度高，能够满足应用需求。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线能量传输接收电路，其特征在于：包括接收线圈、匹配网络、预整流调节器、可重构整流器和控制单元；
所述接收线圈与所述匹配网络的输入端并联，构成并联谐振电路；
所述预整流调节器的通断控制端与所述控制单元的通断控制输出端电连接，其输出端与所述匹配网络的输出端并联，且所述预整流调节器与所述匹配网络并联的两并联节点构成感应电压输出端；
所述可重构整流器的输入端与所述感应电压输出端电连接，其输出端用于接入负载和所述控制单元的电压检测输入端，其模式控制端与所述控制单元的模式控制输出端电连接；
所述控制单元根据其电压检测输入端的输入电压、基准电压输入端的输入电压及模式信号输入端的输入信号，处理得到模式控制信号，并通过模式控制输出端对所述可重构整流器输入模式控制信号，控制可重构整流器在全波整流器和倍压器之间切换；且所述控制单元根据所述模式控制信号、及其通断信号输入端的输入信号，处理得到通断控制信号，并通过通断控制输出端对所述预整流调节器输入通断控制信号，控制预整流调节器的通断，而调节可重构整流器输入端处的等效电阻大小，实现调节所述感应电压输出端的输出电压大小，扩宽可重构整流器的输出端可接入的负载范围。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输接收电路，其特征在于：所述控制单元包括两分压电阻、一误差放大器、一电压比较器、一D触发器、一信号发生器、及一带隙基准源；
所述两分压电阻一端相互电连接，其中一分压电阻另一端与所述可重构整流器的输出端电连接，另一分压电阻另一端接地；且所述两分压电阻之间的连接节点为所述电压检测输入端；
所述误差放大器的反相输入端接入所述电压检测输入端，同相输入端为所述基准电压输入端并接入所述带隙基准源，输出端与所述电压比较器的同相输入端电连接；
所述电压比较器的反相输入端为所述模式信号输入端，输出端为所述模式控制输出端；
所述D触发器的时钟输入端与所述模式控制输出端电连接，数据输入端为所述通断信号输入端，数据输出端为所述通断控制输出端；
所述信号发生器设有三角形波信号输出端和方波信号输出端；所述三角形波信号输出端与所述模式信号输入端电连接，所述方波信号输出端与所述通断信号输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的无线能量传输接收电路，其特征在于：所述可重构整流器包括第一MOS晶体管、第二MOS晶体管、第三MOS晶体管、第四MOS晶体管、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、两滤波电容、整流反相器和倍压反相器；
所述第一MOS晶体管的栅极和漏极串接并共地，源极与第三MOS晶体管的源极电连接；
所述第二MOS晶体管的栅极和漏极串接，并与第一MOS晶体管的栅极和漏极共地，源极与第四MOS晶体管的源极电连接；且所述第一MOS晶体管的源极与第三MOS晶体管的源极之间的连接节点、及第二MOS晶体管的源极与第四MOS晶体管的源极之间的连接节点共同构成用于与所述感应电压输出端电连接的输入端；
所述第三MOS晶体管的漏极与所述第四MOS晶体管的漏极电连接；及第三MOS晶体管的栅极通过第一开关电连接于其漏极，并通过第三开关电连接于第二MOS晶体管的源极和第四MOS晶体管的源极之间；
所述第四MOS晶体管的栅极通过第二开关与其漏极电连接，并通过第四开关电连接于第一MOS晶体管的源极和第三MOS晶体管的源极之间；
所述两滤波电容一端相互电连接，其中一滤波电容另一端电连接于所述第四MOS晶体管的漏极，并作为可重构整流器的输出端；另一滤波电容另一端接地；
所述第五开关一端电连接于第二MOS晶体管的源极与第四MOS晶体管的源极之间的连接节点，另一端电连接于所述两滤波电容之间的连接节点；
所述整流反相器的输入端与所述模式控制输出端电连接，其反相输出端输出整流控制信号并与所述倍压反相器的输入端电连接；所述整流控制信号控制所述第三开关和第四开关的开闭状态；
所述倍压反相器的反相输出端输出倍压控制信号，所倍压控制信号控制所述第一开关、第二开关和第五开关的开闭状态。
4.根据权利要求3所述的无线能量传输接收电路，其特征在于：
所述模式控制输出端输出的模式控制信号为低电平时，低电平信号经整流反相器输出高电平的整流控制信号，第三开关和第四开关闭合；而高电平的整流控制信号经倍压反相器输出低电平的倍压控制信号，第一开关、第二开关和第五开关都断开，可重构整流器等效于全波整流器；
所述模式控制输出端输出的模式控制信号为高电平时，高电平信号经整流反相器输出低电平的整流控制信号，第三开关和第四开关断开；而低电平的整流控制信号经倍压反相器输出高电平的倍压控制信号，第一开关、第二开关和第五开关都闭合，可重构整流器等效于倍压器。
5.根据权利要求4所述的无线能量传输接收电路，其特征在于：所述两滤波电容的参数相同。
6.根据权利要求3～5任一项所述的无线能量传输接收电路，其特征在于：所述匹配网络由一谐振电容构成；所述谐振电容与所述接收线圈并联形成并联谐振电路。
7.根据权利要求6所述的无线能量传输接收电路，其特征在于：所述预整流调节器为一电路开关；所述并联谐振电路的谐振周期为TP，所述负载的电阻为RL，可重构整流器的输入端的等效输入电阻为Rineq；
所述模式控制输出端输出的模式控制信号为低电平时，D触发器不触发，预整流调节器断开，可重构整流器作为全波整流器工作，所述等效输入电阻
所述模式控制输出端输出的模式控制信号为高电平时，D触发器被触发，预整流调节器闭合，可重构整流器作为倍压器工作，所述等效输入电阻其中，Ton是信号发生器输出的方波信号的一个周期内，高电平信号的持续时长，Toff是信号发生器输出的方波信号的一个周期内，低电平信号的持续时长；且Ton和Toff都是谐振周期TP的整数倍。
8.根据权利要求7所述的无线能量传输接收电路，其特征在于：所述负载与可重构整流器的输入端电连接的一端相对的另一端接地。
9.一种无线能量传输系统，包括无线能量传输发射电路和无线能量传输接收电路，其特征在于：所述无线能量传输接收电路为权利要求1～8任一项所述的无线能量传输接收电路。
10.根据权利要求9所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述无线能量传输发射电路包括功率源、初级谐振电容和发射线圈；所述功率源、初级谐振电容和发射线圈串联连接并形成串联回路；且所述初级谐振电容和发射线圈构成串联谐振电路，其谐振频率与所述并联谐振电路的谐振频率相等。
CN201711037142.5A 2017-10-30 2017-10-30 无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统 Active CN107666187B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711037142.5A CN107666187B (zh) 2017-10-30 2017-10-30 无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711037142.5A CN107666187B (zh) 2017-10-30 2017-10-30 无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107666187A true CN107666187A (zh) 2018-02-06
CN107666187B CN107666187B (zh) 2018-08-21

Family

ID=61144640

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711037142.5A Active CN107666187B (zh) 2017-10-30 2017-10-30 无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107666187B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108155822A (zh) * 2018-03-12 2018-06-12 清华大学深圳研究生院 一种用于无线能量传输的可重配置整流器
CN109980797A (zh) * 2019-04-30 2019-07-05 复旦大学 采用直流压泵技术的无线能量接收机及其控制方法
CN111355289A (zh) * 2020-04-16 2020-06-30 吉林大学 移动电话无线充电恒流发射系统
CN111817448A (zh) * 2020-06-08 2020-10-23 华为技术有限公司 一种无线充电的接收端、方法及电子设备
CN114204820A (zh) * 2021-12-02 2022-03-18 中国电子产业工程有限公司 具有高、低级数倍压电路切换功能的高频谐振变换器电路
CN117520238A (zh) * 2024-01-05 2024-02-06 西安航天民芯科技有限公司 一种串行数据传输用信号检测电路

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102611207A (zh) * 2012-03-14 2012-07-25 邹磊 射频供能便携式设备的电源管理模块
CN105122589A (zh) * 2013-04-23 2015-12-02 松下知识产权经营株式会社 无线电力输送装置
WO2015191612A1 (en) * 2014-06-09 2015-12-17 The Regents Of The University Of California Wireless data and power transfer over an inductive telemetry link
CN107147199A (zh) * 2017-06-09 2017-09-08 宁波微鹅电子科技有限公司 无线电能接收端和无线充电系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102611207A (zh) * 2012-03-14 2012-07-25 邹磊 射频供能便携式设备的电源管理模块
CN105122589A (zh) * 2013-04-23 2015-12-02 松下知识产权经营株式会社 无线电力输送装置
WO2015191612A1 (en) * 2014-06-09 2015-12-17 The Regents Of The University Of California Wireless data and power transfer over an inductive telemetry link
CN107147199A (zh) * 2017-06-09 2017-09-08 宁波微鹅电子科技有限公司 无线电能接收端和无线充电系统

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108155822A (zh) * 2018-03-12 2018-06-12 清华大学深圳研究生院 一种用于无线能量传输的可重配置整流器
CN108155822B (zh) * 2018-03-12 2023-12-15 清华大学深圳研究生院 一种用于无线能量传输的可重配置整流器
CN109980797A (zh) * 2019-04-30 2019-07-05 复旦大学 采用直流压泵技术的无线能量接收机及其控制方法
CN111355289A (zh) * 2020-04-16 2020-06-30 吉林大学 移动电话无线充电恒流发射系统
CN111355289B (zh) * 2020-04-16 2022-05-31 吉林大学 移动电话无线充电恒流发射系统
CN111817448A (zh) * 2020-06-08 2020-10-23 华为技术有限公司 一种无线充电的接收端、方法及电子设备
CN114204820A (zh) * 2021-12-02 2022-03-18 中国电子产业工程有限公司 具有高、低级数倍压电路切换功能的高频谐振变换器电路
CN114204820B (zh) * 2021-12-02 2023-08-25 中国电子产业工程有限公司 具有高、低级数倍压电路切换功能的高频谐振变换器电路
CN117520238A (zh) * 2024-01-05 2024-02-06 西安航天民芯科技有限公司 一种串行数据传输用信号检测电路
CN117520238B (zh) * 2024-01-05 2024-03-08 西安航天民芯科技有限公司 一种串行数据传输用信号检测电路

Also Published As

Publication number Publication date
CN107666187B (zh) 2018-08-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107666187B (zh) 无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统
Chen et al. A study of loosely coupled coils for wireless power transfer
CN104701955A (zh) 一种无线充电装置
CN107171419A (zh) 基于蓝牙控制的无线电能传输装置
CN109995121B (zh) 功率最优化的多对多无线充电设备及控制方法
CN107666186B (zh) 一种无线能量传输系统及方法
KR102179796B1 (ko) 정전류(cc)/정전압(cv) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법
CN109831013A (zh) 一种恒流-恒压副边自动切换电路及谐振式无线电能传输系统
CN102545354A (zh) 一种小型电子设备无线充电装置
CN108702088A (zh) 从能量收集器导出功率输出
CN110112837A (zh) 基于pt对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统
CN108923800A (zh) 一种无线携能通信系统及方法
CN107546869A (zh) 三线圈无线输电系统频率分裂现象的抑制方法
CN105406605B (zh) 一种电容耦合式无线功率传输电路及其控制方法
CN110611375A (zh) 一种基于pt对称原理的多频多负载无线供电系统
WO2024051086A9 (zh) 一种电力接收装置、电力发送装置及电力传输方法
CN110165793A (zh) 基于pt对称原理的多接收线圈并联供电的无线供电系统
CN107749772B (zh) 一种无线能量信息同步传输系统
CN110266017A (zh) 一种lcl型有源电力滤波器混合状态反馈虚拟阻尼控制方法
CN210608710U (zh) 一种基于pt对称原理的多频多负载无线供电系统
CN207705894U (zh) 无线能量传输接收电路及应用该电路的无线能量传输系统
CN210092970U (zh) 基于pt对称原理的多发射线圈并联供电的无线供电系统
JP7397670B2 (ja) 無線受電装置、無線充電方法及びシステム
Carobolante et al. A novel charger architecture for resonant wireless power transfer
Huang et al. 22.4 A reconfigurable bidirectional wireless power transceiver with maximum-current charging mode and 58.6% battery-to-battery efficiency

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant