CN110957815A - 一种低功耗无线自供电传感器 - Google Patents

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武晓文
王浩
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王宝勇
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Abstract

本发明公开了一种低功耗无线自供电传感器，包括整流滤波电路，由整流网络、整流管、防干扰电路、LC次级滤波电路和π型滤波器组成；所述整流网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3组成的分压网络和电阻R4与电容C3组成的初级整流电路；所述整流管包括第一整流管和第二整流管，其中，第一整流管和第二整流管分别并联连接于整流网络的两端；所述防干扰电路包括一级防干扰电路和二级防干扰电路，其中，一级防干扰电路与二级防干扰电路均由串联连接的电阻和电容组成，且一级防干扰电路并联连接于第一整流管两端，且二级防干扰电路并联连接于第二整流管两端，在发射回路与接收回路发生谐振时，进行高效能量传输。

Description

一种低功耗无线自供电传感器
技术领域
本发明涉及一种供电技术领域，具体为一种低功耗无线自供电传感器。
背景技术
用电设备一般通过导线连接获取能量，其供电过程中产生导线裸露、磨损、电火花等不安全供电因素，对一些特殊的场合，如水下检测、油田矿井、高山沙漠、化工等领域特殊供电时，不适宜采用有线供电，应采用无线供电。
目前使用电波辐射式无线供电将电能转换成电磁波或激光的形式通过空间传播；通过电磁波或激光装置把电能转换成电磁波或激光，由发射天线以电磁波辐射的形式在空间自由传播，电磁波能量通过接收天线接收，然后通过电磁波转换器和整流滤波电路转换供给负载；感应耦合式无线供电技术以可分离变压器或松耦合变压器为磁路结构进行电能无线传输，但是上述无线供电技术功耗过大，无法将功耗降到最低，现有技术已经不能满足现阶段人们的需求，基于现状，急需对现有技术进行改革。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗无线自供电传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明提供如下技术方案一种低功耗无线自供电传感器，包括：整流滤波电路，由整流网络、整流管、防干扰电路、LC次级滤波电路和π型滤波器组成；
所述整流网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3组成的分压网络和电阻R4与电容C3组成的初级整流电路，所述整流管包括第一整流管和第二整流管，其中，第一整流管和第二整流管分别并联连接于整流网络的两端，且所述防干扰电路包括一级防干扰电路和二级防干扰电路，其中，一级防干扰电路与二级防干扰电路均由串联连接的电阻和电容组成，且一级防干扰电路并联连接于第一整流管两端，且二级防干扰电路并联连接于第二整流管两端，所述一级防干扰电路与二级防干扰电路输出端电连接LC次级滤波电路，且LC次级滤波电路输出端电连接由电感L1并联连接滤波电容C6和滤波电容C7组成的π型滤波器；
当变压器次级上端为正时，电流经电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3使第二整流管Q2导通，电路构成回路，此时第一整流管Q1栅极由于处于反偏而截止；当变压器次级下端为正时，电流经电容C3、电阻R4、电阻R5使第一整流管Q1导通，第二整流管Q2栅极由于处于反偏而截止；LC次级滤波电路的电感L2为续流电感。
高频逆变电路，包括全桥逆变器和续流网络；
全桥逆变器，由三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3、三极管VT4组成，其中，三极管VT1和三极管VT3的发射极分别电连接三极管VT2和三极管VT4的集电极，且三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3和三极管VT4的基极端均连接与其相位相反的控制脉冲；所述三极管VT1、三极管VT4构成了全桥逆变器的其中一条桥臂，且所述三极管VT2、三极管VT3构成了全桥逆变器的另一条桥臂；
所述续流网络，由串联连接的续流二极管VD1与续流二极管VD2并联连接串联连接的续流二极管VD3与续流二极管VD4组成；
所述高频逆变电路还包括并联连接全桥逆变器的输入端的直流侧电容，所述全桥逆变器的半桥基点(三极管VT1的发射极与三极管VT2的集电极连接点和三极管VT3的发射极与三极管VT4的集电极连接点)两端串联连接电阻和电感；
高频逆变电路将输入直流电压转换为高频交流电，为发射回路提供近似正弦波的发射交流电，避免回路中产生很大的冲击陡峭电流和电压。
谐振补偿电路，由初级补偿电路和次级补偿电路组成；
谐振补偿电路采用并-串谐振补偿电路，初级补偿电路由电容并联连接电感L1组成，次级补偿电路由电感L2串联连接电容C2组成，把高频逆变转换的交流电通过发射线圈，该谐振补偿电路产生交变的磁场和电场，经过磁耦合谐振原理在接收线圈中产生感应电压提高系统的传输效率，对系统的发射回路和接收回路进行谐振补偿。
发射回路，由半桥驱动电路、自举电路、发射线圈和高频开关管电路组成；所述半桥驱动电路具有第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管，所述自举电路由第一晶体管并联连接自举二极管和电容组成，所述第一晶体管的发射极级联第二晶体管的集电极，且第三晶体管级联连接第四晶体管的集电极，所述高频开关管包括第一高频开关管和第二高频开关管，且第一高频开关管的基极通过电阻R11电连接第二晶体管的发射极，且第二高频开关管的基极通过电阻R11电连接第四晶体管的发射极，且第一高频开关管的集电极和第二高频开关管发射极均电连接发射线圈；其中，半桥驱动电路具有HO和LO为两个独立的高端和低端输出通道，可以同时驱动两个功率MOSFET或IGBT管。
接收回路补偿电路,由全桥滤波器、滤波电容和DC/DC稳压器组成，其中，全桥滤波器由四个二极管同向级联组成，且所述全桥滤波器输出端通过滤波电容串联连接DCDC稳压器；
接收回路首先把接收到的交流电通过二极管D1、D2、D3、D4及滤波电容C3变成直流电，此直流电再通过DC/DC串联稳压电路提供给负载；当接收回路采用并联谐振补偿时，流入接收端补偿电容中的电流与接收端中电流的无功分量相抵消，并联补偿的接收端线圈端口近似等效于电流源，端口输出电流不受负载电阻值影响。
有益之处：由发射回路产生高频磁场，发射线圈在外加激励下谐振，能量即由发射回路传递到了发射线圈，再通过线圈之间的磁场耦合把能量传输到接收回路的接收线圈最后与负载回路耦合，即能量最后传递到了负载回路，在发射回路与接收回路发生谐振时，进行高效能量传输，与传统的电能无线传输技术相比，具有传输功率大、传输效率高和无方向性的特点，且传输功率传输效率得到大大的提升，传输距离大大提高，突破了电磁感应原理的无线传输距离仅在毫米等级以内的限制。
附图说明
图1为本发明整流滤波电路图；
图2为本发明高频逆变电路图；
图3为本发明全桥逆变器工作状态图；
图4为本发明谐振补偿电路图；
图5为本发明发射回路电路图；
图6为本发明接收回路补偿电路图。
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。基于本发明中的领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
参考图1，本发明提供如下技术方案一种低功耗无线自供电传感器，包括：整流滤波电路，由整流网络、整流管、防干扰电路、LC次级滤波电路和π型滤波器组成；
所述整流网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3组成的分压网络和电阻R4与电容C3组成的初级整流电路，所述整流管包括第一整流管和第二整流管，其中，第一整流管和第二整流管分别并联连接于整流网络的两端，且所述防干扰电路包括一级防干扰电路和二级防干扰电路，其中，一级防干扰电路与二级防干扰电路均由串联连接的电阻和电容组成，且一级防干扰电路并联连接于第一整流管两端，且二级防干扰电路并联连接于第二整流管两端，所述一级防干扰电路与二级防干扰电路输出端电连接LC次级滤波电路，且LC次级滤波电路输出端电连接由电感L1并联连接滤波电容C6和滤波电容C7组成的π型滤波器；
当变压器次级上端为正时，电流经电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3使第二整流管Q2导通，电路构成回路，此时第一整流管Q1栅极由于处于反偏而截止；当变压器次级下端为正时，电流经电容C3、电阻R4、电阻R5使第一整流管Q1导通，第二整流管Q2栅极由于处于反偏而截止；LC次级滤波电路的电感L2为续流电感。
参考图2，高频逆变电路，包括全桥逆变器和续流网络；
全桥逆变器，由三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3、三极管VT4组成，其中，三极管VT1和三极管VT3的发射极分别电连接三极管VT2和三极管VT4的集电极，且三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3和三极管VT4的基极端均连接与其相位相反的控制脉冲；所述三极管VT1、三极管VT4构成了全桥逆变器的其中一条桥臂，且所述三极管VT2、三极管VT3构成了全桥逆变器的另一条桥臂；
续流网络，由串联连接的续流二极管VD1与续流二极管VD2并联连接串联连接的续流二极管VD3与续流二极管VD4组成；
所述高频逆变电路还包括并联连接全桥逆变器的输入端的直流侧电容，所述全桥逆变器的半桥基点(三极管VT1的发射极与三极管VT2的集电极连接点和三极管VT3的发射极与三极管VT4的集电极连接点)两端串联连接电阻和电感；
高频逆变电路将输入直流电压转换为高频交流电，为发射回路提供近似正弦波的发射交流电，避免回路中产生很大的冲击陡峭电流和电压。
参考图3，在0～t1期间，三极管VT1、三极管VT4的基极控制脉冲都为高电平，三极管VT1、三极管VT4都导通，A点通过VT1与Ub正端连接，B点通过VT4与Ub负端连接，故电阻R、电感L两端的电压大小与Ub相等；
在t1～t2期间，三极管VT1的Ub1为高电平，三极管VT4的Ub4为低电平，三极管VT1导通，三极管VT4关断，流过电感L的电流突然变小，电感L1马上产生左负右正的电动势，该电动势通过VD3形成电流回路，该电流方向仍是由左往右；由于三极管VT1、二极管VD3都导通，A点和B点都与Ub正端连接，即UA＝UB，电阻R6、电感L1两端的电压Uo为0，三极管VT3的Ub3也为高电平，但因二极管VD3的导通使三极管VT3的电容C电压相等，三极管VT3无法导通；
在t2～t3期间，三极管VT2、三极管VT3的基极控制脉冲都为高电平，在此期间开始一段时间内，电感L还未能完全释放能量，还有左负右正电动势，但三极管VT1因基极变为低电平而截止，电感L1的电动势转而经二极管VD3和二极管VD2对直流侧电容C充电，二极管VD3、二极管VD2的导通使三极管VT2、三极管VT3不能导通，A点通过二极管VD2与Ub负端连接，B点通过二极管VD3与Ub正端连接，故电阻R6、电感L1两端的电压Uo大小与Ub相等，极性为左负右正，当电感L上的电动势下降到与Ub相等时，无法继续对电容C充电，二极管VD3、二极管VD2截止，三极管VT2、三极管VT3马上导通，有电流流过电阻R6和电感L1；
在t3～t4期间，三极管VT2的Ub2为高电平，三极管VT3的Ub3为低电平，三极管VT2导通，三极管VT3关断，流过电感L1的电流突然变小，电感L1马上产生左正右负的电动势，该电动势通过二极管VD4形成电流回路，由于三极管VT2、二极管VD4都导通，A点和B点都与Ub负端连接，电阻R6和电感L1两端的电压Uo为0，在此期间，三极管VT4的Ub4也为高电平，但因二极管VD4的导通使三极管VT4的电容C端电压相等，三极管VT4无法导通；
t4时刻以后，电路重复上述工作过程。
参考图4，谐振补偿电路采用并-串谐振补偿电路，初级补偿电路由电容并联连接电感L1组成，次级补偿电路由电感L2串联连接电容C2组成，把高频逆变转换的交流电通过发射线圈，该谐振补偿电路产生交变的磁场和电场，经过磁耦合谐振原理在接收线圈中产生感应电压提高系统的传输效率，对系统的发射回路和接收回路进行谐振补偿；
参考图5，发射回路由半桥驱动电路、自举电路、发射线圈和高频开关管电路组成；所述半桥驱动电路具有第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管，所述自举电路由第一晶体管并联连接自举二极管和电容组成，所述第一晶体管的发射极级联第二晶体管的集电极，且第三晶体管级联连接第四晶体管的集电极，所述高频开关管包括第一高频开关管和第二高频开关管，且第一高频开关管的基极通过电阻R11电连接第二晶体管的发射极，且第二高频开关管的基极通过电阻R11电连接第四晶体管的发射极，且第一高频开关管的集电极和第二高频开关管发射极均电连接发射线圈；
其中，半桥驱动电路具有HO和LO为两个独立的高端和低端输出通道，可以同时驱动两个功率MOSFET或IGBT管；
当输入信号端为高电平时，第一晶体管VM1导通，第二晶体管VM2截止，这时电容C相当于一个电压源，加在第一高频开关管S1的栅极和源极上，使得第一高频开关管S1导通；同时，第三晶体管VM3截止，第四晶体管VM4导通，这时聚集在第二高频开关管S2栅极和源极的电荷在芯片内部迅速对地放电，致使近似为0，第二高频开关管S2截止，又由于死区时间的影响使第二高频开关管S2在第一高频开关管S1开通之前迅速关断，保障了半桥驱动在某个时刻只允许一个管导通的特点
当输入信号端为低电平，时，第一晶体管VM1截止，第二晶体管VM2导通，这时聚集在第一高频开关管S1栅极和源极的电荷在芯片内部迅速放电，第一高频开关管S1截止；经过短暂的死区时间，第三晶体管VM3导通，第四晶体管VM4截止，此时VCC经过高频开关管S2的栅极和源极形成回路，第二高频开关管S2导通；与此同时VCC经过自举二极管，电容C和第二高频开关管S2形成回路，对电容C进行充电，迅速为C补充能量，如此循环反复；
参考图6，接收回路补偿电路,由全桥滤波器、滤波电容和DC/DC稳压器组成，其中，全桥滤波器由四个二极管同向级联组成，且所述全桥滤波器输出端通过滤波电容串联连接DCDC稳压器；
接收回路首先把接收到的交流电通过二极管D1、D2、D3、D4及滤波电容C3变成直流电，此直流电再通过DC/DC串联稳压电路提供给负载；当接收回路采用并联谐振补偿时，流入接收端补偿电容中的电流与接收端中电流的无功分量相抵消，并联补偿的接收端线圈端口近似等效于电流源，端口输出电流不受负载电阻值影响。
首先由发射回路产生高频磁场，发射线圈在外加激励下谐振，能量即由发射回路传递到了发射线圈，再通过线圈之间的磁场耦合把能量传输到接收回路的接收线圈最后与负载回路耦合，即能量最后传递到了负载回路；
电压经过滤波整流、高频逆变后变成正弦交流电，当此正弦交流电通过耦合发射线圈时，会在附近产生变化的磁场；耦合接收线圈会在这变化的磁场中，由线圈电感产生感应电动势，并同样会在附近产生变化的磁场；当激励源正弦交流电的频率与谐振回路的频率一致时，通过耦合发射线圈电流反向发生改变，耦合接收线圈感生电动势；正弦交流电方向发生周期性变化，流过耦合接收线圈的电流被逐渐放大，直到接收线圈电磁能达到最大；接收回路连接负载，发射耦合回路会源源不断的给负载传递能量，从而实现能量的无线传输。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低功耗无线自供电传感器，其特征在于，包括：
整流滤波电路，由整流网络、整流管、防干扰电路、LC次级滤波电路和π型滤波器组成；
所述整流网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3组成的分压网络和电阻R4与电容C3组成的初级整流电路；
所述整流管包括第一整流管和第二整流管，其中，第一整流管和第二整流管分别并联连接于整流网络的两端；
所述防干扰电路包括一级防干扰电路和二级防干扰电路；
高频逆变电路，包括全桥逆变器和续流网络；
所述全桥逆变器由三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3、三极管VT4组成；
所述三极管VT1、三极管VT4构成了全桥逆变器的其中一条桥臂，且所述三极管VT2、三极管VT3构成了全桥逆变器的另一条桥臂；
所述续流网络由串联连接的续流二极管VD1与续流二极管VD2并联连接串联连接的续流二极管VD3与续流二极管VD4组成；
所述高频逆变电路还包括并联连接全桥逆变器的输入端的直流侧电容，所述全桥逆变器的半桥基点两端串联连接电阻和电感；
谐振补偿电路，由初级补偿电路和次级补偿电路组成；
发射回路，由半桥驱动电路、自举电路、发射线圈和高频开关管电路组成；
所述半桥驱动电路具有第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管；
所述自举电路由第一晶体管并联连接自举二极管和电容组成；
所述第一晶体管的发射极级联第二晶体管的集电极，且第三晶体管级联连接第四晶体管的集电极；
所述高频开关管包括第一高频开关管和第二高频开关管，且第一高频开关管的基极通过电阻电连接第二晶体管的发射极，且第二高频开关管的基极通过电阻电连接第四晶体管的发射极，且第一高频开关管的集电极和第二高频开关管发射极均电连接发射线圈；
接收回路补偿电路,由全桥滤波器、滤波电容和DC/DC稳压器组成；其中，
所述全桥滤波器由四个二极管同向级联组成，且所述全桥滤波器输出端通过滤波电容串联连接DCDC稳压器。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗无线自供电传感器，其特征在于：所述一级防干扰电路与二级防干扰电路输出端电连接LC次级滤波电路，且LC次级滤波电路输出端电连接由电感L1并联连接滤波电容C6和滤波电容C7组成的π型滤波器。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗无线自供电传感器，其特征在于：所述谐振补偿电路采用并-串谐振补偿电路；且，
所述初级补偿电路由电容C1并联连接电感L1组成；
所述次级补偿电路由电感L2串联连接电容C2组成。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗无线自供电传感器，其特征在于：所述半桥驱动电路具有HO和LO两个独立的高端和低端输出通道。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗无线自供电传感器，其特征在于：一级防干扰电路与二级防干扰电路均由串联连接的电阻和电容组成，且一级防干扰电路并联连接于第一整流管两端，且二级防干扰电路并联连接于第二整流管两端。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗无线自供电传感器，其特征在于：所述三极管VT1和三极管VT3的发射极分别电连接三极管VT2和三极管VT4的集电极，且三极管VT1、三极管VT2、三极管VT3和三极管VT4的基极端均连接与其相位相反的控制脉冲。
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