CN109474555A - 基于电感耦合和fsk调制的无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法 - Google Patents
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Abstract
基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法，属于无线电能传输技术领域，解决了现有基于多载波通信的无线能量与数据同步传输系统的数据传输在强磁场下的误码率高和数据加载及提取电路结构复杂的问题。本发明采用FSK调制方式来生成数据载波，与ASK调制方式相比，FSK调制方式的抗干扰能力强，抗衰减性能好。本发明先采用电感耦合的方式将已调信号加载到待传输的能量信号上，再采用电感耦合的方式来提取已传输至副边电路的叠加信号中的已调信号。与现有基于电容耦合的数据载波信号加载电路和数据载波信号提取电路的电路相比，本发明的信号加载单元和信号提取单元的电路结构相对简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量与数据同步传输系统及其参数设计方法，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
现有基于磁场耦合的无线能量与数据同步传输方式主要分为以下三种：
第一种：通过频移键控(FSK)直接调制功率载波以实现电源侧向负载侧的数据传输，并通过负载调制键控(LSK)来实现反向数据传输。这种无线能量与数据同步传输方式的功率传输与数据传输共用同一组耦合线圈。然而，由于这种无线能量与数据同步传输方式直接对功率载波进行调制，数据传输对功率传输的干扰大，不适用于大功率场合。除此之外，这种无线能量与数据同步传输方式的数据传输速率受限于能量载波频率。
第二种：通过两组耦合线圈分别实现能量传输和数据传输。由于两组耦合线圈分开放置，减小了数据传输对功率传输的干扰。而且，数据载波能够工作在很高的频率，提高了数据传输速率。然而，这种无线能量与数据同步传输方式因增设了一组数据耦合线圈而导致相应设备的尺寸增大，成本增加。
第三种：多种载波通过同一组耦合线圈进行无线传输。在发送数据时，先将数据调制到高频载波上，经功率放大后耦合到功率传输电路上。高频信号经松耦合变压器传输到接收端，接收端通过耦合电路提取高频信号，再经滤波、放大和解调后还原成二进制数字信号。这种无线能量与数据同步传输方式不需要增设额外的线圈，并且由于数据载波与能量载波的频率不同，使得数据传输对功率传输的干扰较小。高频的数据载波还可以提高数据的传输速率。
然而，现有基于多载波通信的无线能量与数据同步传输系统通常采用ASK调制方式将数据调制到高频载波上，这种调制方式的抗干扰能力弱，在强磁场干扰下容易引起误码。除此之外，现有基于多载波通信的无线能量与数据同步传输系统通常采用电容耦合的方式来加载数据载波信号以及提取数据载波信号，基于电容耦合的数据载波信号加载电路和数据载波信号提取电路的电路结构过于复杂。
发明内容
本发明为解决现有基于多载波通信的无线能量与数据同步传输系统的数据传输在强磁场下的误码率高和数据加载及提取电路结构复杂的问题，提出了一种基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法。
本发明所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统包括原边电路、磁耦合单元和副边电路；
原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、信号调制单元和信号加载单元；
逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为第一高频交流电压信号，该高频交流电压信号为待传输的能量信号；
原边补偿单元用于提供原边电路工作所需的无功功率以及滤除因逆变单元的逆变而引入至原边电路中的高次谐波；
信号调制单元用于采用待传输的数据信号对第二高频交流电压信号进行FSK调制，得到已调信号；
信号加载单元用于采用电感耦合的方式将已调信号加载到待传输的能量信号上，得到叠加信号；
所述无线能量与数据同步传输系统通过磁耦合单元实现叠加信号自原边电路至副边电路的无线传输；
副边电路包括信号提取单元、信号解调单元、副边补偿单元、整流单元和滤波单元；
信号提取单元用于采用电感耦合的方式来提取已传输至副边电路的叠加信号中的已调信号；
信号解调单元用于对提取到的已调信号进行FSK解调，得到数据信号；
整流单元用于将余下的能量信号转换为直流电压信号，滤波单元用于滤除该直流电压信号中的交流成分，滤波后的直流电压信号加载在负载的两端；
副边补偿单元用于提供副边电路工作所需的无功功率以及滤除因整流单元的整流和滤波单元的滤波而引入至副边电路中的高次谐波。
作为优选的是，磁耦合单元为松耦合变压器，松耦合变压器包括原边线圈Lp和副边线圈Ls。
作为优选的是，逆变单元为移相全桥逆变电路；
原边补偿单元包括电感Lf1、电容Cf1和电容C1；
信号加载单元包括隔离变压器TI、电容Cd1和电阻Rpar，隔离变压器TI包括原边线圈Ld1和副边线圈Ld2；
移相全桥逆变电路的第一直流输入端和第二直流输入端分别与直流电压源的正极和负极相连，移相全桥逆变电路的第一交流输出端与电感Lf1的第一端相连，电感Lf1的第二端同时与电容Cf1的第一端和电容C1的第一端相连，电容C1的第二端与副边线圈Ld2的第一端相连，副边线圈Ld2的第二端与原边线圈Lp的第一端相连，原边线圈Lp的第二端和电容Cf1的第二端均与移相全桥逆变电路的第二交流输出端相连；
原边线圈Ld1的第一端与电阻Rpar的第一端相连，电阻Rpar的第二端经电容Cd1与原边线圈Ld1的第二端相连，已调信号加载在电阻Rpar的两端；
原边线圈Ld1的第一端与副边线圈Ld2的第一端为同名端。
作为优选的是，移相全桥逆变电路包括NMOS管Q1～NMOS管Q4，NMOS管Q1～NMOS管Q4分别自带有体二极管D1～体二极管D4；
每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；
NMOS管Q1的漏极与NMOS管Q2的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第一直流输入端；
NMOS管Q3的源极与NMOS管Q4的源极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第二直流输入端；
NMOS管Q1的源极与NMOS管Q3的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第一交流输出端；
NMOS管Q2的源极与NMOS管Q4的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第二交流输出端。
作为优选的是，信号调制单元包括直流电压源Uin-d、NMOS管Q1d、NMOS管Q2d、电容C1d、电容C2d、驱动信号生成单元、第一驱动电路、非门NOT和第二驱动电路；
NMOS管Q1d和NMOS管Q2d分别自带有体二极管D1d和体二极管D2d；
每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；
直流电压源Uin-d的正极同时与NMOS管Q1d的漏极和电容C1d的第一端相连，直流电压源Uin-d的负极同时与NMOS管Q2d的源极和电容C2d的第一端相连，NMOS管Q1d的源极与NMOS管Q2d的漏极相连，电容C1d的第二端与电容C2d的第二端相连；
驱动信号生成单元用于对待传输的数据信号进行频率转换；
驱动信号生成单元的输出信号经第一驱动电路对NMOS管Q1d进行驱动，还依次经非门NOT和第二驱动电路对NMOS管Q2d进行驱动；
NMOS管Q1d与NMOS管Q2d的公共端和电容C1d与电容C2d的公共端之间的电压信号为已调信号。
作为优选的是，信号提取单元包括隔离变压器TE、电容Cd4和电阻Rout，隔离变压器TE包括原边线圈Ld3和副边线圈Ld4；
副边补偿单元包括电容C2、电容Cf2和电感Lf2；
整流单元为桥式整流电路；
滤波单元为电容CF；
原边线圈Ld3的第一端与副边线圈Ls的第一端相连，原边线圈Ld3的第二端与电容C2的第一端相连，电容C2的第二端同时与电容Cf2的第一端和电感Lf2的第一端相连，电感Lf2的第二端与桥式整流电路的第一交流输入端相连，副边线圈Ls的第二端和电容Cf2的第二端均与桥式整流电路的第二交流输入端相连；
桥式整流电路的第一直流输出端与电容CF的第一端相连，二者的公共端为负载的第一接入端，桥式整流电路的第二直流输出端与电容CF的第二端相连，二者的公共端为负载的第二接入端；
副边线圈Ld4的第一端经电容Cd4与电阻Rout的第一端相连，电容Cd4与电阻Rout的公共端与信号解调单元的第一输入端相连；
电阻Rout的第二端与副边线圈Ld4的第二端相连，二者的公共端与信号解调单元的第二输入端相连；
原边线圈Lp的第一端与副边线圈Ls的第一端为同名端，原边线圈Ld3的第一端与副边线圈Ld4的第一端为同名端。
作为优选的是，桥式整流电路包括二极管D5～二极管D8；
二极管D5的阳极与二极管D7的阴极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第一交流输入端；
二极管D6的阳极与二极管D8的阴极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第二交流输入端；
二极管D5的阴极与二极管D6的阴极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第一直流输出端；
二极管D7的阳极与二极管D8的阳极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第二直流输出端；
负载为阻性负载RL。
作为优选的是，信号解调单元包括LC高通滤波器LC-HPF、第一检波电路、第二检波电路和滞回比较器Comp；
第一检波电路包括输入隔离放大器Amp1、M函数高通滤波器M-HPF、包络检波器ED1、RC低通滤波器RC-LPF1和输出放大器Amp2；
第二检波电路包括输入隔离放大器Amp3、M函数低通滤波器M-LPF、包络检波器ED2、RC低通滤波器RC-LPF2和输出放大器Amp4；
信号提取单元提取到的已调信号依次经LC高通滤波器LC-HPF、输入隔离放大器Amp1、M函数高通滤波器M-HPF、包络检波器ED1、RC低通滤波器RC-LPF1和输出放大器Amp2流入滞回比较器Comp的同相输入端；
信号提取单元提取到的已调信号依次经LC高通滤波器LC-HPF、输入隔离放大器Amp3、M函数低通滤波器M-LPF、包络检波器ED2、RC低通滤波器RC-LPF2和输出放大器Amp4流入滞回比较器Comp的反相输入端；
滞回比较器Comp的输出信号为解调出的数据信号。
本发明所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统的参数设计方法包括：
步骤一、根据应用需求设定所述无线能量与数据同步传输系统的输入电压Uin-p、输出电流IRL和待传输能量信号的角频率ωp；
步骤二、根据应用需求设定松耦合变压器的尺寸，并确定原边线圈Lp的自感系数Lp、副边线圈Ls的自感系数Ls以及原边线圈Lp与副边线圈Ls的耦合系数k；
步骤三、根据公式(1)确定电感Lf1的电感值Lf1和电感Lf2的电感值Lf2：
根据公式(2)确定电容Cf1的电容值Cf1和电容Cf2的电容值Cf2：
步骤四、根据公式(3)设定已调信号的频率fh和fl：
式中，fp为待传输能量信号的频率，m和n为相邻的正整数且满足公式(4)：
m,n≥10 (4)
当待传输数据信号为1时，信号调制单元输出m个频率为fh的已调信号；
当待传输数据信号为0时，信号调制单元输出n个频率为fl的已调信号；
根据公式(5)确定已调信号的中心频率fave：
步骤五、令：
式中，Rpar为电阻Rpar的阻值，Rout为电阻Rout的阻值，Cd1为电容Cd1的电容值，Cd4为电容Cd4的电容值，Ld1～Ld4分别为原边线圈Ld1、副边线圈Ld2、原边线圈Ld3和副边线圈Ld4的自感系数；
根据公式(7)确定Ld和Cd的取值范围：
将数据传输增益Gdata定义为：
式中，Uout为电阻Rout两端电压的幅值，Umd为已调信号的幅值；
根据公式(9)确定Rin/out的取值范围：
Rin/out＞＞ωaveLd (9)
式中，ωave为已调信号的中心角频率；
根据基本电路原理，并采用数值计算工具计算Ld和Cd，Ld与Cd满足：
Gdata-fh(Ld,Cd)≈Gdata-fl(Ld,Cd)≥Gdata-min (10)
式中，Gdata-min为Gdata的最小值，Gdata-fh(Ld,Cd)和Gdata-fl(Ld,Cd)分别为Gdata在已调信号频率fh、fl处相对于Ld、Cd变化的函数；
当存在多组结果满足公式(10)时，取Ld最小的一组结果；
步骤六、根据确定的Ld和Cd以及公式(11)确定电容C1的电容值C1和电容C2的电容值C2：
步骤七、在Rin/out的取值范围内调整Rin/out，使实际数据传输增益等于Gdata。
作为优选的是，将公式(7)修改为：
将公式(10)修改为：
Gdata-fh(Ld)≈Gdata-fl(Ld)≥Gdata-min (13)
式中，Gdata-fh(Ld)和Gdata-fl(Ld)分别为Gdata在已调信号频率fh、fl处相对于Ld变化的函数；
根据基本电路原理，采用数值计算工具计算Ld，并根据Ld计算Cd；
当存在多组结果满足公式(13)时，取Ld最小的一组结果；
当得不到满足公式(13)的结果时，减小公式(12)中fave的值，并重复计算，直至得到满足公式(13)的结果。
本发明所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统的工作原理为：将电源侧输出的直流电压信号转换为第一高频交流电压信号，并将该高频交流电压信号作为待传输的能量信号。将待传输的数据信号作为调制信号，将第二高频交流电压信号作为载波信号，并采用调制信号调制载波信号，得到携带数据的已调信号。将已调信号加载到待传输的能量信号上，得到叠加信号。通过磁耦合单元将叠加信号自原边电路无线传输至副边电路。提取传输至副边电路的叠加信号中的已调信号，并将提取到的已调信号解调为数据信号。余下的能量信号在依次经整流和交流成分滤除后加载在负载的两端。
本发明所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统采用FSK调制方式，与ASK调制方式相比，FSK调制方式的抗干扰能力强，抗衰减性能好。因此，本发明所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统能够解决现有基于多载波通信的无线能量与数据同步传输系统因采用ASK调制而导致其数据传输在强磁场下的误码率高的问题。
本发明所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统先采用电感耦合的方式将已调信号加载到待传输的能量信号上，再采用电感耦合的方式来提取已传输至副边电路的叠加信号中的已调信号。与基于电容耦合的数据载波信号加载电路和数据载波信号提取电路的电路相比，本发明所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统的信号加载单元和信号提取单元的电路结构更加简单。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法进行更详细的描述，其中：
图1为实施例所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统的电路原理图；
图2为实施例提及的信号调制单元的电路原理图；
图3为实施例提及的信号解调单元的结构框图；
图4为实施例提及的耦合系数k为0.304、能量与数据同步传输时系统的输入电压信号Uin、输入电流信号Iin、输出电压信号URL和输出电流信号IRL的波形图；
图5为实施例提及的耦合系数k为0.304时原始数据信号Uod和解调出的数据信号Udd的波形图；
图6为实施例提及的耦合系数k为0.0144时原始数据信号Uod和解调出的数据信号Udd的波形图；
图7为实施例提及的耦合系数k为0.304、无数据传输时系统的输入电压信号Uin、输入电流信号Iin、输出电压信号URL和输出电流信号IRL的波形图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法作进一步说明。
实施例：下面结合图1～图7详细地说明本实施例。
本实施例所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统包括原边电路、磁耦合单元和副边电路；
原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、信号调制单元和信号加载单元；
逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为第一高频交流电压信号，该高频交流电压信号为待传输的能量信号；
原边补偿单元用于提供原边电路工作所需的无功功率以及滤除因逆变单元的逆变而引入至原边电路中的高次谐波；
信号调制单元用于采用待传输的数据信号对第二高频交流电压信号进行FSK调制，得到已调信号；
信号加载单元用于采用电感耦合的方式将已调信号加载到待传输的能量信号上，得到叠加信号；
所述无线能量与数据同步传输系统通过磁耦合单元实现叠加信号自原边电路至副边电路的无线传输；
副边电路包括信号提取单元、信号解调单元、副边补偿单元、整流单元和滤波单元；
信号提取单元用于采用电感耦合的方式来提取已传输至副边电路的叠加信号中的已调信号；
信号解调单元用于对提取到的已调信号进行FSK解调，得到数据信号；
整流单元用于将余下的能量信号转换为直流电压信号，滤波单元用于滤除该直流电压信号中的交流成分，滤波后的直流电压信号加载在负载的两端；
副边补偿单元用于提供副边电路工作所需的无功功率以及滤除因整流单元的整流和滤波单元的滤波而引入至副边电路中的高次谐波。
本实施例的磁耦合单元为松耦合变压器，松耦合变压器包括原边线圈Lp和副边线圈Ls。
本实施例的逆变单元为移相全桥逆变电路；
原边补偿单元包括电感Lf1、电容Cf1和电容C1；
信号加载单元包括隔离变压器TI、电容Cd1和电阻Rpar，隔离变压器TI包括原边线圈Ld1和副边线圈Ld2；
移相全桥逆变电路的第一直流输入端和第二直流输入端分别与直流电压源的正极和负极相连，移相全桥逆变电路的第一交流输出端与电感Lf1的第一端相连，电感Lf1的第二端同时与电容Cf1的第一端和电容C1的第一端相连，电容C1的第二端与副边线圈Ld2的第一端相连，副边线圈Ld2的第二端与原边线圈Lp的第一端相连，原边线圈Lp的第二端和电容Cf1的第二端均与移相全桥逆变电路的第二交流输出端相连；
原边线圈Ld1的第一端与电阻Rpar的第一端相连，电阻Rpar的第二端经电容Cd1与原边线圈Ld1的第二端相连，已调信号加载在电阻Rpar的两端；
原边线圈Ld1的第一端与副边线圈Ld2的第一端为同名端。
本实施例的移相全桥逆变电路包括NMOS管Q1～NMOS管Q4，NMOS管Q1～NMOS管Q4分别自带有体二极管D1～体二极管D4；
每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；
NMOS管Q1的漏极与NMOS管Q2的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第一直流输入端；
NMOS管Q3的源极与NMOS管Q4的源极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第二直流输入端；
NMOS管Q1的源极与NMOS管Q3的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第一交流输出端；
NMOS管Q2的源极与NMOS管Q4的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第二交流输出端。
本实施例的信号调制单元包括直流电压源Uin-d、NMOS管Q1d、NMOS管Q2d、电容C1d、电容C2d、驱动信号生成单元、第一驱动电路、非门NOT和第二驱动电路；
NMOS管Q1d和NMOS管Q2d分别自带有体二极管D1d和体二极管D2d；
每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；
直流电压源Uin-d的正极同时与NMOS管Q1d的漏极和电容C1d的第一端相连，直流电压源Uin-d的负极同时与NMOS管Q2d的源极和电容C2d的第一端相连，NMOS管Q1d的源极与NMOS管Q2d的漏极相连，电容C1d的第二端与电容C2d的第二端相连；
驱动信号生成单元用于对待传输的数据信号进行频率转换；
驱动信号生成单元的输出信号经第一驱动电路对NMOS管Q1d进行驱动，还依次经非门NOT和第二驱动电路对NMOS管Q2d进行驱动；
NMOS管Q1d与NMOS管Q2d的公共端和电容C1d与电容C2d的公共端之间的电压信号为已调信号。
本实施例的信号提取单元包括隔离变压器TE、电容Cd4和电阻Rout，隔离变压器TE包括原边线圈Ld3和副边线圈Ld4；
副边补偿单元包括电容C2、电容Cf2和电感Lf2；
整流单元为桥式整流电路；
滤波单元为电容CF；
原边线圈Ld3的第一端与副边线圈Ls的第一端相连，原边线圈Ld3的第二端与电容C2的第一端相连，电容C2的第二端同时与电容Cf2的第一端和电感Lf2的第一端相连，电感Lf2的第二端与桥式整流电路的第一交流输入端相连，副边线圈Ls的第二端和电容Cf2的第二端均与桥式整流电路的第二交流输入端相连；
桥式整流电路的第一直流输出端与电容CF的第一端相连，二者的公共端为负载的第一接入端，桥式整流电路的第二直流输出端与电容CF的第二端相连，二者的公共端为负载的第二接入端；
副边线圈Ld4的第一端经电容Cd4与电阻Rout的第一端相连，电容Cd4与电阻Rout的公共端与信号解调单元的第一输入端相连；
电阻Rout的第二端与副边线圈Ld4的第二端相连，二者的公共端与信号解调单元的第二输入端相连；
原边线圈Lp的第一端与副边线圈Ls的第一端为同名端，原边线圈Ld3的第一端与副边线圈Ld4的第一端为同名端。
本实施例的桥式整流电路包括二极管D5～二极管D8；
二极管D5的阳极与二极管D7的阴极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第一交流输入端；
二极管D6的阳极与二极管D8的阴极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第二交流输入端；
二极管D5的阴极与二极管D6的阴极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第一直流输出端；
二极管D7的阳极与二极管D8的阳极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第二直流输出端；
负载为阻性负载RL。
本实施例的信号解调单元包括LC高通滤波器LC-HPF、第一检波电路、第二检波电路和滞回比较器Comp；
第一检波电路包括输入隔离放大器Amp1、M函数高通滤波器M-HPF、包络检波器ED1、RC低通滤波器RC-LPF1和输出放大器Amp2；
第二检波电路包括输入隔离放大器Amp3、M函数低通滤波器M-LPF、包络检波器ED2、RC低通滤波器RC-LPF2和输出放大器Amp4；
信号提取单元提取到的已调信号依次经LC高通滤波器LC-HPF、输入隔离放大器Amp1、M函数高通滤波器M-HPF、包络检波器ED1、RC低通滤波器RC-LPF1和输出放大器Amp2流入滞回比较器Comp的同相输入端；
信号提取单元提取到的已调信号依次经LC高通滤波器LC-HPF、输入隔离放大器Amp3、M函数低通滤波器M-LPF、包络检波器ED2、RC低通滤波器RC-LPF2和输出放大器Amp4流入滞回比较器Comp的反相输入端；
滞回比较器Comp的输出信号为解调出的数据信号。
图2为信号调制单元的电路原理图。其中，Uod为原始数据信号，Umd为已调信号。NMOS管Q1d、NMOS管Q2d、电容C1d和电容C2d构成半桥逆变器，用于对输入信号进行功率放大。驱动信号生成单元f(bit)将原始数据信号转换为不同频率的驱动信号来实现移频键控。当原始数据信号为1时，驱动信号生成单元f(bit)输出频率为fh驱动信号。当原始数据信号为0时，驱动信号生成单元f(bit)输出频率为fl驱动信号。
图3为信号解调单元的结构框图。其中，Uout为电阻Rout两端电压信号，Udd为解调出的数据信号。本实施例的信号解调单元包括LC高通滤波器LC-HPF、第一检波电路、第二检波电路和滞回比较器Comp。LC高通滤波器LC-HPF用于滤除输入的数据载波信号(即提取到的已调信号)中的低频噪声。第一检波电路和第二检波电路用于提取不同频率的数据载波信号，并对其进行放大及检波。滞回比较器Comp用于数据波形的恢复，并输出解调出的数据信号Udd。
本实施例所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统的参数设计方法如下：
步骤一、根据应用需求设定所述无线能量与数据同步传输系统的输入电压Uin-p、输出电流IRL和待传输能量信号的角频率ωp；
步骤二、根据应用需求设定松耦合变压器的尺寸，并确定原边线圈Lp的自感系数Lp、副边线圈Ls的自感系数Ls以及原边线圈Lp与副边线圈Ls的耦合系数k；
步骤三、根据公式(1)确定电感Lf1的电感值Lf1和电感Lf2的电感值Lf2：
根据公式(2)确定电容Cf1的电容值Cf1和电容Cf2的电容值Cf2：
步骤四、根据公式(3)设定已调信号的频率fh和fl：
式中，fp为待传输能量信号的频率，m和n为相邻的正整数且满足公式(4)：
m,n≥10 (4)
当待传输数据信号为1时，信号调制单元输出m个频率为fh的已调信号；
当待传输数据信号为0时，信号调制单元输出n个频率为fl的已调信号；
根据公式(5)确定已调信号的中心频率fave：
步骤五、令：
式中，Rpar为电阻Rpar的阻值，Rout为电阻Rout的阻值，Cd1为电容Cd1的电容值，Cd4为电容Cd4的电容值，Ld1～Ld4分别为原边线圈Ld1、副边线圈Ld2、原边线圈Ld3和副边线圈Ld4的自感系数；
根据公式(7)确定Ld和Cd的取值范围：
将数据传输增益Gdata定义为：
式中，Uout为电阻Rout两端电压的幅值，Umd为已调信号的幅值；
根据公式(9)确定Rin/out的取值范围：
Rin/out＞＞ωaveLd (9)
式中，ωave为已调信号的中心角频率；
根据基本电路原理，并采用数值计算工具计算Ld和Cd，Ld与Cd满足：
Gdata-fh(Ld,Cd)≈Gdata-fl(Ld,Cd)≥Gdata-min (10)
式中，Gdata-min为Gdata的最小值，Gdata-fh(Ld,Cd)和Gdata-fl(Ld,Cd)分别为Gdata在已调信号频率fh、fl处相对于Ld、Cd变化的函数；
当存在多组结果满足公式(10)时，取Ld最小的一组结果；
步骤六、根据确定的Ld和Cd以及公式(11)确定电容C1的电容值C1和电容C2的电容值C2：
步骤七、在Rin/out的取值范围内调整Rin/out，使实际数据传输增益等于Gdata。
作为优选的是，将公式(7)修改为：
将公式(10)修改为：
Gdata-fh(Ld)≈Gdata-fl(Ld)≥Gdata-min (13)
式中，Gdata-fh(Ld)和Gdata-fl(Ld)分别为Gdata在已调信号频率fh、fl处相对于Ld变化的函数；
当存在多组结果满足公式(13)时，取Ld最小的一组结果；
当得不到满足公式(13)的结果时，减小公式(12)中fave的值，并重复计算，直至得到满足公式(13)的结果。
本实施例所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统的参数设计方法具有如下有益效果：
1、步骤四：已调信号的频率fh和fl满足公式(3)，以降低数据传输与功率传输的互相干扰并保证数据信号比特位周期的一致以及数据载波相位的连续性。
2、步骤五：信号加载单元与信号提取单元的电路结构一致，以实现双向的数据传输。
3、步骤五：Ld和Cd满足公式(7)的约束条件，以减弱数据传输对功率传输的干扰并降低补偿电容的电压应力以及低频噪声对数据传输的干扰。
在实际参数设计中，还可以根据以下方式对上述参数设计方法进行简化：
将公式(7)修改为：
将公式(10)修改为：
Gdata-fh(Ld)≈Gdata-fl(Ld)≥Gdata-min (13)
式中，Gdata-fh(Ld)和Gdata-fl(Ld)分别为Gdata在已调信号频率fh、fl处相对于Ld变化的函数；
根据基本电路原理，采用数值计算工具计算Ld，并根据Ld计算Cd；
当存在多组结果满足公式(13)时，取Ld最小的一组结果；
当得不到满足公式(13)的结果时，减小公式(12)中fave的值，并重复计算，直至得到满足公式(13)的结果。
本实施例通过实验结果来说明所述无线能量与数据同步传输系统的效果：
图4为耦合系数k为0.304、能量与数据同步传输时系统的输入电压信号Uin、输入电流信号Iin、输出电压信号URL和输出电流信号IRL的波形图。经计算，系统输入功率为320.6W，系统输出功率为290.1W，系统效率高达90.5％。由此可知，本实施例所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统能够以较高的效率同时进行能量与数据的传输。
图5为耦合系数k为0.304时原始数据信号Uod和解调出的数据信号Udd的波形图。如图所示，原始数据信号Uod和解调出的数据信号Udd所表示的二进制数均为0010101100101011001010110010，由此证明所述无线能量与数据同步传输系统的数据传输是有效的。图中的数据延迟时间为5.2μs，28位有效数据传输时间为186.7μs，系统的数据传输速率高达150kbps。
图6为耦合系数k为0.0144时原始数据信号Uod和解调出的数据信号Udd的波形图。将图6与图5进行对比可知：尽管耦合系数k降低了95.3％(从0.304到0.0144)，但原始数据信号Uod仍可以正确解调。数据延迟和传输速率基本不受影响。
图7为耦合系数k为0.304、无数据传输时系统的输入电压信号Uin、输入电流信号Iin、输出电压信号URL和输出电流信号IRL的波形图。系统输入功率为322.8W，系统输出功率为292.1W。与有数据传输时相比，系统输入功率和系统输出功率均上升了0.7％，系统效率保持不变，数据传输对功率传输的影响很小。
本实施例所搭建的无线能量与数据同步传输系统的额定输出功率为300W，该系统的主要参数见表1：
表1无线能量与数据同步传输系统的主要参数
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，所述无线能量与数据同步传输系统包括原边电路、磁耦合单元和副边电路；
原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、信号调制单元和信号加载单元；
逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为第一高频交流电压信号，该高频交流电压信号为待传输的能量信号；
原边补偿单元用于提供原边电路工作所需的无功功率以及滤除因逆变单元的逆变而引入至原边电路中的高次谐波；
信号调制单元用于采用待传输的数据信号对第二高频交流电压信号进行FSK调制，得到已调信号；
信号加载单元用于采用电感耦合的方式将已调信号加载到待传输的能量信号上，得到叠加信号；
所述无线能量与数据同步传输系统通过磁耦合单元实现叠加信号自原边电路至副边电路的无线传输；
副边电路包括信号提取单元、信号解调单元、副边补偿单元、整流单元和滤波单元；
信号提取单元用于采用电感耦合的方式来提取已传输至副边电路的叠加信号中的已调信号；
信号解调单元用于对提取到的已调信号进行FSK解调，得到数据信号；
整流单元用于将余下的能量信号转换为直流电压信号，滤波单元用于滤除该直流电压信号中的交流成分，滤波后的直流电压信号加载在负载的两端；
副边补偿单元用于提供副边电路工作所需的无功功率以及滤除因整流单元的整流和滤波单元的滤波而引入至副边电路中的高次谐波。
2.如权利要求1所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，磁耦合单元为松耦合变压器，松耦合变压器包括原边线圈Lp和副边线圈Ls。
3.如权利要求2所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，逆变单元为移相全桥逆变电路；
原边补偿单元包括电感Lf1、电容Cf1和电容C1；
信号加载单元包括隔离变压器TI、电容Cd1和电阻Rpar，隔离变压器TI包括原边线圈Ld1和副边线圈Ld2；
移相全桥逆变电路的第一直流输入端和第二直流输入端分别与直流电压源的正极和负极相连，移相全桥逆变电路的第一交流输出端与电感Lf1的第一端相连，电感Lf1的第二端同时与电容Cf1的第一端和电容C1的第一端相连，电容C1的第二端与副边线圈Ld2的第一端相连，副边线圈Ld2的第二端与原边线圈Lp的第一端相连，原边线圈Lp的第二端和电容Cf1的第二端均与移相全桥逆变电路的第二交流输出端相连；
原边线圈Ld1的第一端与电阻Rpar的第一端相连，电阻Rpar的第二端经电容Cd1与原边线圈Ld1的第二端相连，已调信号加载在电阻Rpar的两端；
原边线圈Ld1的第一端与副边线圈Ld2的第一端为同名端。
4.如权利要求3所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，移相全桥逆变电路包括NMOS管Q1～NMOS管Q4，NMOS管Q1～NMOS管Q4分别自带有体二极管D1～体二极管D4；
每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；
NMOS管Q1的漏极与NMOS管Q2的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第一直流输入端；
NMOS管Q3的源极与NMOS管Q4的源极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第二直流输入端；
NMOS管Q1的源极与NMOS管Q3的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第一交流输出端；
NMOS管Q2的源极与NMOS管Q4的漏极相连，二者的公共端为移相全桥逆变电路的第二交流输出端。
5.如权利要求4所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，信号调制单元包括直流电压源Uin-d、NMOS管Q1d、NMOS管Q2d、电容C1d、电容C2d、驱动信号生成单元、第一驱动电路、非门NOT和第二驱动电路；
NMOS管Q1d和NMOS管Q2d分别自带有体二极管D1d和体二极管D2d；
每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；
直流电压源Uin-d的正极同时与NMOS管Q1d的漏极和电容C1d的第一端相连，直流电压源Uin-d的负极同时与NMOS管Q2d的源极和电容C2d的第一端相连，NMOS管Q1d的源极与NMOS管Q2d的漏极相连，电容C1d的第二端与电容C2d的第二端相连；
驱动信号生成单元用于对待传输的数据信号进行频率转换；
驱动信号生成单元的输出信号经第一驱动电路对NMOS管Q1d进行驱动，还依次经非门NOT和第二驱动电路对NMOS管Q2d进行驱动；
NMOS管Q1d与NMOS管Q2d的公共端和电容C1d与电容C2d的公共端之间的电压信号为已调信号。
6.如权利要求5所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，信号提取单元包括隔离变压器TE、电容Cd4和电阻Rout，隔离变压器TE包括原边线圈Ld3和副边线圈Ld4；
副边补偿单元包括电容C2、电容Cf2和电感Lf2；
整流单元为桥式整流电路；
滤波单元为电容CF；
原边线圈Ld3的第一端与副边线圈Ls的第一端相连，原边线圈Ld3的第二端与电容C2的第一端相连，电容C2的第二端同时与电容Cf2的第一端和电感Lf2的第一端相连，电感Lf2的第二端与桥式整流电路的第一交流输入端相连，副边线圈Ls的第二端和电容Cf2的第二端均与桥式整流电路的第二交流输入端相连；
桥式整流电路的第一直流输出端与电容CF的第一端相连，二者的公共端为负载的第一接入端，桥式整流电路的第二直流输出端与电容CF的第二端相连，二者的公共端为负载的第二接入端；
副边线圈Ld4的第一端经电容Cd4与电阻Rout的第一端相连，电容Cd4与电阻Rout的公共端与信号解调单元的第一输入端相连；
电阻Rout的第二端与副边线圈Ld4的第二端相连，二者的公共端与信号解调单元的第二输入端相连；
原边线圈Lp的第一端与副边线圈Ls的第一端为同名端，原边线圈Ld3的第一端与副边线圈Ld4的第一端为同名端。
7.如权利要求6所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，桥式整流电路包括二极管D5～二极管D8；
二极管D5的阳极与二极管D7的阴极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第一交流输入端；
二极管D6的阳极与二极管D8的阴极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第二交流输入端；
二极管D5的阴极与二极管D6的阴极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第一直流输出端；
二极管D7的阳极与二极管D8的阳极相连，二者的公共端为桥式整流电路的第二直流输出端；
负载为阻性负载RL。
8.如权利要求7所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统，其特征在于，信号解调单元包括LC高通滤波器LC-HPF、第一检波电路、第二检波电路和滞回比较器Comp；
第一检波电路包括输入隔离放大器Amp1、M函数高通滤波器M-HPF、包络检波器ED1、RC低通滤波器RC-LPF1和输出放大器Amp2；
第二检波电路包括输入隔离放大器Amp3、M函数低通滤波器M-LPF、包络检波器ED2、RC低通滤波器RC-LPF2和输出放大器Amp4；
信号提取单元提取到的已调信号依次经LC高通滤波器LC-HPF、输入隔离放大器Amp1、M函数高通滤波器M-HPF、包络检波器ED1、RC低通滤波器RC-LPF1和输出放大器Amp2流入滞回比较器Comp的同相输入端；
信号提取单元提取到的已调信号依次经LC高通滤波器LC-HPF、输入隔离放大器Amp3、M函数低通滤波器M-LPF、包络检波器ED2、RC低通滤波器RC-LPF2和输出放大器Amp4流入滞回比较器Comp的反相输入端；
滞回比较器Comp的输出信号为解调出的数据信号。
9.权利要求8所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统的参数设计方法，其特征在于，所述参数设计方法包括：
步骤一、根据应用需求设定所述无线能量与数据同步传输系统的输入电压Uin-p、输出电流IRL和待传输能量信号的角频率ωp；
步骤二、根据应用需求设定松耦合变压器的尺寸，并确定原边线圈Lp的自感系数Lp、副边线圈Ls的自感系数Ls以及原边线圈Lp与副边线圈Ls的耦合系数k；
步骤三、根据公式(1)确定电感Lf1的电感值Lf1和电感Lf2的电感值Lf2：
根据公式(2)确定电容Cf1的电容值Cf1和电容Cf2的电容值Cf2：
步骤四、根据公式(3)设定已调信号的频率fh和fl：
式中，fp为待传输能量信号的频率，m和n为相邻的正整数且满足公式(4)：
m,n≥10 (4)
当待传输数据信号为1时，信号调制单元输出m个频率为fh的已调信号；
当待传输数据信号为0时，信号调制单元输出n个频率为fl的已调信号；
根据公式(5)确定已调信号的中心频率fave：
步骤五、令：
式中，Rpar为电阻Rpar的阻值，Rout为电阻Rout的阻值，Cd1为电容Cd1的电容值，Cd4为电容Cd4的电容值，Ld1～Ld4分别为原边线圈Ld1、副边线圈Ld2、原边线圈Ld3和副边线圈Ld4的自感系数；
根据公式(7)确定Ld和Cd的取值范围：
将数据传输增益Gdata定义为：
式中，Uout为电阻Rout两端电压的幅值，Umd为已调信号的幅值；
根据公式(9)确定Rin/out的取值范围：
Rin/out＞＞ωaveLd (9)
式中，ωave为已调信号的中心角频率；
根据基本电路原理，并采用数值计算工具计算Ld和Cd，Ld与Cd满足：
Gdata-fh(Ld,Cd)≈Gdata-fl(Ld,Cd)≥Gdata-min (10)
式中，Gdata-min为Gdata的最小值，Gdata-fh(Ld,Cd)和Gdata-fl(Ld,Cd)分别为Gdata在已调信号频率fh、fl处相对于Ld、Cd变化的函数；
当存在多组结果满足公式(10)时，取Ld最小的一组结果；
步骤六、根据确定的Ld和Cd以及公式(11)确定电容C1的电容值C1和电容C2的电容值C2：
步骤七、在Rin/out的取值范围内调整Rin/out，使实际数据传输增益等于Gdata。
10.权利要求9所述的基于电感耦合和FSK调制的无线能量与数据同步传输系统的参数设计方法，其特征在于，将公式(7)修改为：
将公式(10)修改为：
Gdata-fh(Ld)≈Gdata-fl(Ld)≥Gdata-min (13)
式中，Gdata-fh(Ld)和Gdata-fl(Ld)分别为Gdata在已调信号频率fh、fl处相对于Ld变化的函数；
根据基本电路原理，采用数值计算工具计算Ld，并根据Ld计算Cd；
当存在多组结果满足公式(13)时，取Ld最小的一组结果；
当得不到满足公式(13)的结果时，减小公式(12)中fave的值，并重复计算，直至得到满足公式(13)的结果。
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