CN110690765B - 基于频分复用的高速全双工无线能量数据同步传输系统 - Google Patents

Abstract

针对现有无线能量数据同步传输技术无法实现全双工通信问题，本发明提供一种基于频分复用的高速全双工无线能量数据同步传输系统，属于无线电能传输技术领域。本发明包括：功率传输电路，用于通过带抽头的松耦合变压器实现电能从原边传输至副边，进而输出给负载；原边数据收发电路和副边数据收发电路；本发明的数据收发电路应用频分复用技术，功率和数据使用不同频率的载波通过带有抽头的感应线圈传输，数据载波频率远高于功率载波频率以消除数据和功率传输之间的串扰，本发明的数据收发电路中的双工器隔离同侧收发数据载波以实现全双工数据传输，并给出对线圈抽头位置进行了优化，使双向数据载波传输增益最大，最有利于数据载波的传输。

Description

基于频分复用的高速全双工无线能量数据同步传输系统

技术领域

本发明涉及一种无线能量数据同步传输系统，属于无线电能传输技术领域。

背景技术

无线电能传输技术因其方便、灵活、安全等特点越来越多地应用于各种场合。为了实现反馈控制、负载识别、状态监视等功能，需要可靠的双向数据通信。同时，许多应用还需要提供双向通信接口以实现必要的功能。但是无线电能传输系统是一个电噪声环境，它使传统的通信方式如射频通信技术受到很大限制。

现阶段已经提出了几种基于电磁感应来传输功率和数据的技术。例如，在一些应用中，功率和数据通过不同的载波和物理信道传输。功率载波通过一对感应线圈传输，数据载波通过另一对感应线圈传输。但是增加的设备尺寸和成本对于有体积或成本限制的应用来说是不可接受的。同时功率载波产生的强电磁干扰仍然难以消除。

另一种方法是通过相同的感应链路传输功率和数据。电源侧向负载侧的数据传输通过频移键控(FSK)直接调制功率载波实现，负载侧向电源侧的数据传输通过负载调制键控(LSK)调制负载实现。然而，该技术对功率传输干扰严重，并且其数据传输速率受到功率载波频率的限制，不适用于高功率或高通信速率的应用场合。

为了在不增加额外线圈和影响功率传输的情况下实现高速数据通信，已经提出了在单个感应链路中通过不同的载波传输功率和数据的技术。功率和数据载波共享相同的感应链路。高频数据载波实现了高速通信并减少了功率和数据传输之间的串扰。但是，这些技术的信道设计不适合全双工通信。并且这些方法没有设计双工器来隔离收发器信号。因此，它们无法实现全双工通信。

发明内容

针对现有无线能量数据同步传输技术无法实现全双工通信问题，本发明提供一种基于频分复用的高速全双工无线能量数据同步传输系统。

本发明的一种基于频分复用的高速全双工无线能量数据同步传输系统，所述系统包括：功率传输电路和通信模块；

所述功率传输电路，用于通过带抽头的松耦合变压器实现电能从原边传输至副边，进而输出给负载；

所述通信模块包括原边数据收发电路和副边数据收发电路；

所述原边数据收发电路包括原边耦合电容器C_dp、原边隔离变压器T_dp和双工器Duplexer；

所述双工器包括对称惠斯通电桥、带通滤波器和差分放大电路；所述对称惠斯通电桥包括两组电阻，每组电阻包括一个电阻R₁、一个电阻R₂和一个电阻R₃，每组的电阻R₁、电阻R₂和电阻R₃依次串联，两个串联支路首尾相连，第一组的电阻R₁与第二组电阻R₃的连接端作为双工器公共端口的正输入输出端，第二组的电阻R₁与第一组的电阻R₃的连接端作为双工器公共端口的负输入输出端；第一组的电阻R₁与第一组的电阻R₂的连接端作为发送数据正信号输入端，第二组的电阻R₁与第二组的电阻R₂的连接端作为发送数据负信号输入端；

R_equ是双工器公共端口外部电路的等效阻抗；

差分放大电路的正向输出端与带通滤波器的正输入端连接，差分放大电路的反向输出端与带通滤波器的负输入端连接；

带通滤波器的正输出端作为接收数据正信号输出端；

带通滤波器的负输出端作为接收数据负信号输出端；

差分放大电路的正向输入端与第一组的电阻R₂与第一组的电阻R₃的连接端连接，差分放大电路的反向输入端与第二组的电阻R₂与第二组的电阻R₃的连接端连接；

耦合电容器C_dp的一端与松耦合变压器一次侧的异名端连接，耦合电容器的另一端与原边隔离变压器T_dp一次侧的同名端连接，原边隔离变压器T_dp二次侧的同名端与双工器公共端口的正输入输出端连接，原边隔离变压器T_dp一次侧的异名端与松耦合变压器一次侧的一个抽头连接，原边隔离变压器T_dp二次侧的异名端与双工器公共端口的负输入输出端连接；

副边数据收发电路与松耦合变压器二次侧连接，副边数据收发电路与原边数据收发电路结构相同；

传输时，数据载波频率远远高于功率载波频率。

作为优选，调整松耦合变压器抽头的位置计算C_dp、C_ds的值：

其中，

根据C_dp、C_ds的值获取正向数据载波的传输增益G_dp(ω_dp)及反向数据载波的传输增益G_ds(ω_ds)，当G_dp(ω_dp)及G_ds(ω_ds)取得最大值时，获得最佳的抽头位置，ω_dp是对应一次侧数据载波频率f_dp的角频率，ω_ds是对应二次侧数据载波频率f_ds的角频率。

作为优选，所述正向数据传输增益为：

其中，j表示虚部，ω表示角频率，M_e表示一次侧、二次侧等效线圈的耦合系数，L_ds表示副边隔离变压器T_dp的自感，R_ds为副边接收电路的等效采样电阻；

L_pe和L_se分别表示等效的松耦合变压器的一次侧线圈自感和二次侧线圈自感，C_dp表示原边耦合电容器的电容值，C_ds表示副边耦合电容器的电容值；

反向数据传输增益为:

其中，L_dp表示原边隔离变压器T_dp的自感，R_dp表示原边接收电路的等效采样电阻；

作为优选，所述原边数据收发电路还包括功率放大器PA和低噪声放大器LNA；

要发送的数据载波信号经功率放大器PA放大后输出给双工器；

接收的数据信号经双工器到低噪声放大器LNA放大后输出。

作为优选，所述功率传输电路包括逆变器、一次侧补偿电路、带抽头的松耦合变压器、二次侧补偿电路和整流器；

逆变器将直流输入电压转换为高频交流电压，高频交流电压依次经一次侧补偿电路、带抽头的松耦合变压器、二次侧补偿电路输入至整流器，整流器将高频交流电压转化为直流电压输入给负载。

本发明的有益效果，本发明提出了一种高速全双工无线能量数据同步传输系统，应用频分复用技术，功率和数据使用不同频率的载波通过带有抽头的感应线圈传输，数据载波频率远高于功率载波频率以消除数据和功率传输之间的串扰，本发明设计了用于隔离同侧收发数据载波的双工器以实现全双工数据传输，并给出对线圈抽头位置进行了优化，使双向数据载波传输增益最大，最有利于数据载波的传输。

附图说明

图1为本发明具体实施例的无线能量数据同步传输系统的电气原理示意图；

图2为图1中双工器的电气原理示意图；

图3为数据解调电路的电气原理示意图；图4为松耦合变压器及抽头的结构示意图；

图5为松耦合变压器等效电路模型；

图6为数据传输等效电路模型；

图7为数据传输简化电路；

图8为额定条件下本发明传输系统的输入输出的电压、电流波形示意图；

图9为额定条件下双向原始数据信号和本发明传输系统的解调信号波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的基于频分复用的高速全双工无线能量数据同步传输系统，包括功率传输电路、原边数据收发电路和副边数据收发电路；

直流输入电压通过功率传输电路的一次侧LCC补偿结构，用于补偿原边的无功功率，补偿后电压信号通过功率传输电路的松耦合变压器的原边传输至松耦合变压器的副边，再利用功率传输电路的二次侧LCC补偿结构进行副边的无功功率补偿，实现功率的传输；

要发送的数据通过调制电路进行调制，已调制的信号经原边数据收发电路发送至功率传输电路的松耦合变压器的原边，再由功率传输电路的松耦合变压器的原边传输至松耦合变压器的副边，从副边接收的数据再经耦合变压器传输至原边，再由原边数据收发电路接收，然后通过解调电路进行解调。

本实施方式应用频分复用技术，功率和数据使用不同频率的载波通过带有抽头的感应线圈传输，数据载波频率远高于功率载波频率以消除数据和功率传输之间的串扰，并设计了用于隔离同侧收发数据载波的双工器以实现全双工数据传输。

本实施方式的原边数据收发电路通过频分复用来实现信号的隔离和全双工数据传输，设置一次侧数据载波的频率和二次侧数据载波的频率，数据载波采用FSK调制，设置调制信号的频带宽度和功率载波的频率，数据载波频率远远高于功率载波频率；

本实施方式中的原边数据收发电路包括原边耦合电容器C_dp、原边隔离变压器T_dp和双工器Duplexer；

原边耦合电容器C_dp与功率传输电路的一次侧连接，同时还通过原边隔离变压器T_dp与双工器Duplexer连接，双工器Duplexer用于隔离同侧收发数据载波，实现全双工数据传输；

本实施方式的双工器Duplexer包括对称惠斯通电桥、带通滤波器和差分放大电路；所述对称惠斯通电桥如图2所示，U_d+作为双工器公共端口的正输入输出端，U_d-作为双工器公共端口的负输入输出端；U_tx+为发送数据正信号输入端，U_tx-为发送数据负信号输入端；

R_equ是双工器公共端口外部电路的等效阻抗；带通滤波器的正输出端作为接收数据正信号输出端U_rx+；带通滤波器的负输出端作为接收数据负信号输出端U_rx-；要发送的数据经发送数据正信号输入端U_tx+和发送数据负信号输入端U_tx-输入至对称惠斯通电桥，由双工器公共端口输出；接收的数据经双工器公共端口输入，经对称惠斯通电桥后输入差分放大电路进行放大，再经带通滤波器滤波后输出接收数据，进行解调。本实施方式原边数据收发电路接收时接收到的来自同一侧原边数据收发电路发送时产生的回波被完全消除。带通滤波器消除的是由R_equ不匹配引起的发送数据时的回波。

本实施方式的功率传输电路采用带抽头的松耦合变压器实现电能从原边传输至副边，当正向数据载波的传输增益G_dp(ω_dp)及反向数据载波的传输增益G_ds(ω_ds)取得最大值时，获得最佳的抽头位置，ω_dp是对应一次侧数据载波频率f_dp的角频率，ω_ds是对应二次侧数据载波频率f_ds的角频率；调整松耦合变压器抽头的位置计算C_dp、C_ds的值：

其中，

具体实施例：如图1所示，本实施例包括功率传输电路、原边数据收发电路和副边数据收发电路；

功率传输电路包括全桥逆变器、一次侧LCC补偿结构、松耦合变压器、二次侧LCC补偿结构、全桥整流器和滤波电容；如图1所示。其中U_in为直流输入电压，Q₁～Q₄为四个MOSFET，构成全桥逆变器，将输入的直流电压U_in变换为高频交流电压。L_f1、C_f1、C_p分别为一次侧串联电感、并联电容、串联电容，构成一次侧LCC补偿结构。L_p、L_s分别为松耦合变压器一次侧、二次侧线圈自感，k为一次侧、二次侧线圈耦合系数。L_f2、C_f2、C_s分别为二次侧串联电感、并联电容、串联电容，构成二次侧LCC补偿结构。D₁～D₄为四个整流二极管，构成全桥整流器将高频交流电压转化为直流电压。C_F、R_L分别为滤波电容、负载电阻。

原边数据收发电路，如图1虚线框所示，其中U_TXp为原边已调制数据信号，U_RXp为原边接收数据信号。PA为功率放大器，LNA为低噪声放大器。Duplexer为双工器，用来隔离同一侧的收发信号，L_dpp、L_dps分别为原边隔离变压器T_dp的一次侧、二次侧线圈自感，C_dp为原边用于数据载波耦合的原边耦合电容器，原边数据收发电路通过耦合电容C_dp连接到一次侧松耦合变压器线圈的异名端。副边数据收发电路与原边数据收发电路结构相同。通过频分复用来实现信号的隔离和全双工数据传输，一次侧数据载波的频率设置为5.5MHz，二次侧数据载波的频率设置为4.5Mhz，数据载波采用FSK调制，调制信号的频带宽度设置为200k。功率载波的频率设置为85kHz，数据载波频率远远高于功率载波频率。

本实施例中，双工器的结构如图2所示。其中U_tx为发送的数据信号，U_rx为接收的数据信号。电阻R₁～R₃构成对称惠斯通电桥，R₄和运算放大器构成差分放大电路，BPF为带通滤波器。当满足

时，接收数据接收到的来自同一侧发送数据产生的回波被完全消除。其中，R_equ是双工器公共端口外部电路的等效阻抗。本实施例的带通滤波器消除的是由R_equ不匹配引起的发送数据回波，带通滤波器由两个陶瓷滤波器，两个m滤波器和两个放大器组成。本实施方式的输入数据载波信号由U_tx+和U_tx-输入至双工器，经过对称惠斯通电桥，由U_d+和U_d-输出；以接收数据进行解调为例，本实施例的数据解调电路，如图3所示。U_RX为接收的数据载波信号，PD为相位检测器，LF为环路滤波器，VCO为压控振荡器，构成锁相环，LPF为低通滤波器。通过锁相环和低通滤波器恢复与空间频率相关的解调直流电压。施密特触发器将解调电压整形为TTL电平输出。数据调制电路采用直接数字合成器合成。U_D为最终解调出的数据信号。

本实施例带抽头的松耦合变压器，如图4所示。本实施例以无铁氧体磁芯的平面圆形线圈为例进行说明，但是本发明不限于这种变压器结构。R_1p、R_2p分别为一次侧线圈的内径和外径。R_1s、R_2s分别为二次侧线圈的内径和外径。d为一次侧、二次侧线圈的间距。P₂、P₁分别表示一次侧抽头内、外侧的线圈。S₂、S₁分别表示二次侧抽头内、外侧的线圈。N_p1、N_p2、N_s1、N_s2分别为P₁、P₂、S₁、S₂的匝数。感应线圈采用利兹线制作以减少交流电阻。松耦合变压器的等效模型如图5所示，L_p1、L_p2、L_s1、L_s2分别是P₁、P₂、S₁、S₂的自感。M_p1p2是P₁与P₂的互感。M_p1s1是P₁与S₁的互感。M_p1s2是P₁与S₂的互感。M_p2s1是P₂与S₁的互感。M_p2s2是P₂与S₂的互感。M_s1s2是S₁与S₂的互感。

由于功率载波频率远低于数据载波频率，并且数据收发电路工作在数据载波频率处，由基本电路原理得到数据收发电路对功率传输影响很小。功率传输电路可以简化为双边LCC补偿的无线电能传输系统。根据公式(1)计算L_f1、L_f2的值。

式中，U_in是设定的输入电压，I_RL是设定的输出电流。L_p、L_s分别是松耦合变压器一次侧、二次侧线圈自感，k是一次侧、二次侧线圈的耦合系数。ω_p是设定的功率载波角频率，对应的功率载波频率为f_p。然后根据公式(2)计算C_f1、C_f2、C_p、C_s的值。

由于数据载波频率远高于功率载波频率，并且功率传输电路工作在功率载波频率处，由基本电路原理知在设计数据传输电路时功率传输电路近似短路，如图6所示，其中U_dp是数据载波信号，R_ds是等效采样电阻。根据图6可知松耦合变压器一次、二次侧抽头两侧的线圈反向并联。

根据公式(3)～(5)计算得到数据传输简化电路如图7所示。

图7中L_pe、L_se分别是简化的等效松耦合变压器一次侧、二次侧线圈自感，M_e是一次侧、二次侧线圈的耦合系数。根据公式(7)计算C_dp、C_ds的值。

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其中

f_dp、f_ds分别是一次、二次侧数据载波的频率。

根据图7可以得到正向数据传输增益为：

其中，j表示虚部，ω表示角频率，M_e表示一次侧、二次侧等效线圈的耦合系数，L_ds表示副边隔离变压器T_dp的自感，R_ds为副边接收电路的等效采样电阻；

L_pe和L_se分别表示等效的松耦合变压器的一次侧线圈自感和二次侧线圈自感，C_dp表示原边耦合电容器的电容值，C_ds表示副边耦合电容器的电容值；

得到反向数据传输增益为：

其中，L_dp表示原边隔离变压器T_dp的自感，R_dp表示原边接收电路的等效采样电阻；

正向数据载波的传输增益为G_dp(ω_dp)，ω_dp是对应一次侧数据载波频率f_dp的角频率。反向数据载波的传输增益为G_ds(ω_ds)，ω_ds是对应二次侧数据载波频率f_ds的角频率。

调整松耦合变压器抽头的位置计算G_dp(ω_dp)及G_ds(ω_ds)，当G_dp(ω_dp)及G_ds(ω_ds)取得最大值时，可以获得最佳的抽头位置，此时双向数据载波传输增益最大，最有利于数据载波的传输。

图8是额定条件下系统的输入电压U_in、电流I_in以及输出电压U_RL、电流I_RL波形。输入功率334W，输出功率301W，系统效率达到90.1％。

图9是额定条件下一次、二次侧原始数据信号U_Op、U_Os及一次、二次侧解调信号U_Dp、U_Ds的波形。传输的二进制数为11001010，解调数据与原始数据相同，证明数据传输是有效的。数据延迟时间为2μs，数据传输速率500kbps。

本实施例获得表1中列出的参数，利用表1的参数搭建一个300W的无线能量数据传输系统样机：

表1无线能量数据传输系统样机参数

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 (3)

1.基于频分复用的高速全双工无线能量数据同步传输系统，其特征在于，所述系统包括：功率传输电路和通信模块；

所述功率传输电路，用于通过带抽头的松耦合变压器实现电能从原边传输至副边，进而输出给负载；

所述通信模块包括原边数据收发电路和副边数据收发电路；所述原边数据收发电路包括原边耦合电容器C_dp、原边隔离变压器T_dp和双工器Duplexer；

所述双工器包括对称惠斯通电桥、带通滤波器和差分放大电路；所述对称惠斯通电桥包括两组电阻，每组电阻包括一个电阻R₁、一个电阻R₂和一个电阻R₃，每组的电阻R₁、电阻R₂和电阻R₃依次串联，两个串联支路首尾相连，第一组的电阻R₁与第二组电阻R₃的连接端作为双工器公共端口的正输入输出端，第二组的电阻R₁与第一组的电阻R₃的连接端作为双工器公共端口的负输入输出端；第一组的电阻R₁与第一组的电阻R₂的连接端作为发送数据正信号输入端，第二组的电阻R₁与第二组的电阻R₂的连接端作为发送数据负信号输入端；

R_equ是双工器公共端口外部电路的等效阻抗；

差分放大电路的正向输出端与带通滤波器的正输入端连接，差分放大电路的反向输出端与带通滤波器的负输入端连接；

带通滤波器的正输出端作为接收数据正信号输出端；

带通滤波器的负输出端作为接收数据负信号输出端；

差分放大电路的正向输入端与第一组的电阻R₂与第一组的电阻R₃的连接端连接，差分放大电路的反向输入端与第二组的电阻R₂与第二组的电阻R₃的连接端连接；

耦合电容器C_dp的一端与松耦合变压器一次侧的异名端连接，耦合电容器的另一端与原边隔离变压器T_dp一次侧的同名端连接，原边隔离变压器T_dp二次侧的同名端与双工器公共端口的正输入输出端连接，原边隔离变压器T_dp一次侧的异名端与松耦合变压器一次侧的一个抽头连接，原边隔离变压器T_dp二次侧的异名端与双工器公共端口的负输入输出端连接；

副边数据收发电路与松耦合变压器二次侧连接，副边数据收发电路与原边数据收发电路结构相同；

传输时，数据载波频率远远高于功率载波频率；

调整松耦合变压器抽头的位置计算C_dp、C_ds的值：

其中，

根据C_dp、C_ds的值获取正向数据载波的传输增益G_dp(ω_dp)及反向数据载波的传输增益G_ds(ω_ds)，当G_dp(ω_dp)及G_ds(ω_ds)取得最大值时，获得最佳的抽头位置，ω_dp是对应一次侧数据载波频率f_dp的角频率，ω_ds是对应二次侧数据载波频率f_ds的角频率；

正向数据载波的传输增益为：

其中，j表示虚部，ω表示角频率，M_e表示一次侧、二次侧等效线圈的耦合系数，L_ds表示副边隔离变压器T_dp的自感，R_ds为副边接收电路的等效采样电阻；

L_pe和L_se分别表示等效的松耦合变压器的一次侧线圈自感和二次侧线圈自感，C_dp表示原边耦合电容器的电容值，C_ds表示副边耦合电容器的电容值；

反向数据载波的传输增益为:

其中，L_dp表示原边隔离变压器T_dp的自感，R_dp表示原边接收电路的等效采样电阻；

2.根据权利要求1所述的全双工无线能量数据同步传输系统，其特征在于，所述原边数据收发电路还包括功率放大器PA和低噪声放大器LNA；

要发送的数据载波信号经功率放大器PA放大后输出给双工器；

接收的数据信号经双工器到低噪声放大器LNA放大后输出。

3.根据权利要求1所述的全双工无线能量数据同步传输系统，其特征在于，所述功率传输电路包括逆变器、一次侧补偿电路、带抽头的松耦合变压器、二次侧补偿电路和整流器；

逆变器将直流输入电压转换为高频交流电压，高频交流电压依次经一次侧补偿电路、带抽头的松耦合变压器、二次侧补偿电路输入至整流器，整流器将高频交流电压转化为直流电压输入给负载。

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