CN111355309B - 一种基于硅通孔电感器的无线功率传输电路 - Google Patents

一种基于硅通孔电感器的无线功率传输电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于硅通孔电感器的无线功率传输电路，包括发射端和接收端，发射端包括输入电压源、谐振电容和谐振电感，接收端包括平面金属电感器、第一电容、第一整流器、第一整流电感、垂直硅通孔电感器、第二电容、第二整流器、第二整流电感、负载电容和负载电阻；本发明采用具有特定结构的垂直硅通孔电感器与平面金属电感器构成的正交线圈作为无线功率传输电路接收端的接收线圈，并通过第一整流电感和第二整流电感对第一整流器和第二整流器输出的电流进行相加求和，电路元件个数少，无需增加额外的补偿电路，可提高无线功率传输电路在线圈偏移情况下的负载接收功率，具有工艺兼容性好、电路结构简单、抗线圈偏移能力强与电源传输效率高的优点。

Description

一种基于硅通孔电感器的无线功率传输电路
技术领域
本发明涉及三维集成电路(Three dimensional integrated circuits,3D ICs)技术领域，具体是一种基于硅通孔电感器的无线功率传输电路。
背景技术
三维集成技术能够将不同工艺技术制备的芯片或电路模块在垂直方向堆叠，并通过硅通孔(Through Silicon Vias,TSVs)实现层间连接。三维集成技术可大幅减小芯片面积，提高系统集成度，具有堆叠方式灵活、工艺一致性好、可靠性高等特点。基于TSV技术构建的三维可植入系统可以把生物传感、数据转换处理、能量供给等异质单元集成于一体，为可植入体微型化高密度集成提供了新的途径。
目前业界普遍采用无线功率传输(Wireless Power Transfer,WPT)的方式为可植入体供能。无线功率传输通过非接触的线圈进行能量传输，具有能量传输效率高、安全可靠等优点。理想工作条件下，无线功率传输电路发射端的发射线圈与接收端的接收线圈处于对准模式，此刻，发射线圈与接收线圈的耦合最强，线圈间耦合系数最大，发射端以电磁耦合的方式将功率信号无线传输至接收端，接收端将接收到的功率信号输入整流器进行整流滤波，再输送至负载输出端。为了减少线圈的功率损耗，提高无线功率传输的效率，通常还在电感线圈的两端串联或并联一个谐振电容器。但在实际应用中，发射线圈与接收线圈常处于偏移状态，包括角度偏移与水平偏移，线圈的偏移导致线圈间电磁泄漏的增加与电磁耦合系数减小，进而造成接收线圈可接收功率与负载输出功率的降低，从而降低整个无线功率传输电路的电源传输效率。在发射端采用多发射线圈的结构(B.Kallel,O.kanoun andH.Trabelsi.K,Large air gap misalignment tolerable muoti-coil inductive powertransfer for wirelss sensors,IET Power Electronics,2016)，可以提高接收端在线圈偏移情况下的负载输出功率，但该设计并未改善WPT电路的电源传输效率。在接收端增加偏移感知电路，根据线圈偏移实时调整接收线圈位置的方式(I.Cortes,and W.Kim,Lateralposition error reduction using misalignment sensing coils in inductive powertransfer systems,IEEE/ASME Trans.Mech.,2018)，可以改善WPT电路的电源传输效率，但增加了接收电路的外形尺寸与电路功耗，并不适用于可植入体的微型化设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于硅通孔电感器的无线功率传输电路，该电路工艺兼容性好、结构简单、抗线圈偏移能力强与电源传输效率高。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于硅通孔电感器的无线功率传输电路：
包括发射端和接收端；
所述的发射端包括输入电压源、谐振电容和谐振电感，所述的输入电压源的正端与所述的谐振电容的输入端连接，所述的输入电压源的负端与所述的谐振电感的输出端连接，所述的谐振电感的输入端与所述的谐振电容的输出端连接；
所述的接收端包括平面金属电感器、第一电容、第一整流器、第一整流电感、垂直硅通孔电感器、第二电容、第二整流器、第二整流电感、负载电容和负载电阻，所述的平面金属电感器的输出端分别与所述的第一电容的输入端和所述的第一整流器的第一输入端连接，所述的平面金属电感器的输入端分别与所述的第一电容的输出端和所述的第一整流器的第二输入端连接，所述的第一整流器的第一输出端与所述的第一整流电感的输入端连接，所述的垂直硅通孔电感器的输出端分别与所述的第二电容的输入端和所述的第二整流器的第一输入端连接，所述的垂直硅通孔电感器的输入端分别与所述的第二电容的输出端和所述的第二整流器的第二输入端连接，所述的第二整流器的第一输出端与所述的第二整流电感的输入端连接，所述的第一整流电感的输出端和所述的第二整流电感的输出端连接后分别与所述的负载电容的输入端和所述的负载电阻的输入端连接，所述的负载电容的输出端和所述的负载电阻的输出端连接后分别与所述的第一整流器的第二输出端和所述的第二整流器的第二输出端连接；
所述的垂直硅通孔电感器包括垂直设置的多个硅通孔，每个所述的硅通孔内设金属芯，所述的多个硅通孔的金属芯分别经多根金属线依次首尾连接串联为一体；所述的谐振电感和所述的平面金属电感器均为平面螺旋电感，所述的谐振电感与所述的平面金属电感器平行间隔设置，所述的平面金属电感器与所述的垂直硅通孔电感器构成正交的接收线圈，所述的谐振电感与所述的垂直硅通孔电感器产生的磁场彼此正交，在所述的谐振电感与所述的平面金属电感器之间发生水平偏移或者角度偏移情况下，所述的垂直硅通孔电感器与所述的谐振电感发生电磁耦合并进行无线功率传输。
本发明采用具有特定结构的垂直硅通孔电感器与平面金属电感器构成的正交线圈作为无线功率传输电路接收端的接收线圈，并通过第一整流电感和第二整流电感对第一整流器和第二整流器输出的电流进行相加求和，增加了无线功率传输电路在线圈偏移情况下的电源传输效率，提高了电路抗线圈偏移的能力。
采用正交结构的接收线圈后，垂直硅通孔电感器与谐振电感发生电磁耦合，且随着线圈偏移的增加，两者的耦合效果越加显著；垂直硅通孔电感器接收到的功率通过整流器输入到负载端，可以弥补平面金属电感器接收功率的下降，进而提高整个负载输出端在线圈偏移情况下的输出功率与整个WPT电路的电源传输效率。
作为优选，每个所述的硅通孔的金属芯的外侧同轴设置有二氧化硅隔离介质层。
作为优选，所述的谐振电感埋设在绝缘层内，所述的平面金属电感器埋设在第一二氧化硅介质层内，位于所述的多个硅通孔的顶端的金属线埋设在第二二氧化硅介质层内，位于所述的多个硅通孔的底端的金属线埋设在第三二氧化硅介质层内，所述的多个硅通孔埋设在硅衬底内。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明公开的基于硅通孔电感器的无线功率传输电路，采用具有特定结构的垂直硅通孔电感器与平面金属电感器构成的正交线圈作为无线功率传输电路接收端的接收线圈，并通过第一整流电感和第二整流电感对第一整流器和第二整流器输出的电流进行相加求和，电路元件个数少，无需增加额外的补偿电路，可提高无线功率传输电路在线圈偏移情况下的负载接收功率，具有工艺兼容性好、电路结构简单、抗线圈偏移能力强与电源传输效率高的优点。
附图说明
图1为实施例1的无线功率传输电路的等效电路结构示意图；
图2为实施例1中的平面金属电感器与垂直硅通孔电感器构成的正交的接收线圈的结构示意图；
图3为实施例1中垂直硅通孔电感器的结构示意图；
图4为实施例1中谐振电感或平面金属电感器的俯视图；
图5为实施例1的无线功率传输电路中单个硅通孔的结构剖切示意图；
图6为实施例2的无线功率传输电路在线圈水平偏移情况下的电学特性曲线；
图7为实施例2的无线功率传输电路在线圈角度偏移情况下的电学特性曲线。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1的基于硅通孔电感器的无线功率传输电路，如图1所示，包括发射端和接收端；发射端包括输入电压源VAC、谐振电容CP和谐振电感LP，输入电压源VAC的正端与谐振电容CP的输入端连接，输入电压源VAC的负端与谐振电感LP的输出端连接，谐振电感LP的输入端与谐振电容CP的输出端连接。
实施例1中，接收端包括平面金属电感器LS1、第一电容CS1、第一整流器Ⅰ、第一整流电感Ld1、垂直硅通孔电感器LS2、第二电容CS2、第二整流器Ⅱ、第二整流电感Ld2、负载电容Cd和负载电阻Rd，平面金属电感器LS1的输出端分别与第一电容CS1的输入端和第一整流器Ⅰ的第一输入端IN11连接，平面金属电感器LS1的输入端分别与第一电容CS1的输出端和第一整流器Ⅰ的第二输入端IN12连接，第一整流器Ⅰ的第一输出端OUT11与第一整流电感Ld1的输入端连接，垂直硅通孔电感器LS2的输出端分别与第二电容CS2的输入端和第二整流器Ⅱ的第一输入端IN21连接，垂直硅通孔电感器LS2的输入端分别与第二电容CS2的输出端和第二整流器Ⅱ的第二输入端IN22连接，第二整流器Ⅱ的第一输出端OUT21与第二整流电感Ld2的输入端连接，第一整流电感Ld1的输出端和第二整流电感Ld2的输出端连接后分别与负载电容Cd的输入端和负载电阻Rd的输入端连接，负载电容Cd的输出端和负载电阻Rd的输出端连接后分别与第一整流器Ⅰ的第二输出端OUT12和第二整流器Ⅱ的第二输出端OUT22连接。
实施例1中，垂直硅通孔电感器LS2包括垂直设置的8个硅通孔11，如图5所示，每个硅通孔内设金属芯12，每个硅通孔的金属芯12的外侧同轴设置有二氧化硅隔离介质层13，如图3所示，8个硅通孔的金属芯12分别经多根金属线14依次首尾连接串联为一体；如图2所示，谐振电感LP和平面金属电感器LS1均为平面螺旋电感(如图4所示)，谐振电感LP与平面金属电感器LS1平行间隔设置，平面金属电感器LS1与垂直硅通孔电感器LS2构成正交的接收线圈，谐振电感LP与垂直硅通孔电感器LS2产生的磁场彼此正交，在谐振电感LP与平面金属电感器LS1之间发生水平偏移或者角度偏移情况下，垂直硅通孔电感器LS2与谐振电感LP发生电磁耦合并进行无线功率传输。
实施例1中，谐振电感LP埋设在绝缘层21内，平面金属电感器LS1埋设在第一二氧化硅介质层22内，位于8个硅通孔的顶端的金属线14埋设在第二二氧化硅介质层(图中未示出)内，位于8个硅通孔的底端的金属线14埋设在第三二氧化硅介质层(图中未示出)内，8个硅通孔埋设在硅衬底23内。
实施例1中，第一整流器Ⅰ和第二整流器Ⅱ输出的电流通过第一整流电感Ld1和第二整流电感Ld2后相加求和，求和电流流经负载电阻Rd，进而提高负载电阻Rd的接收功率与整个WPT电路的电源传输效率。
假设接收端的平面金属电感器LS1接收到的功率信号经第一整流器Ⅰ后，产生的输出电流为Iout1，垂直硅通孔电感器LS2接收到的功率信号经第二整流器Ⅱ后，产生的输出电流为Iout2。经过电流求和电路后，产生的总电流为Itotal，整个负载电阻Rd上的输出功率Pout可以表示为，
Figure BDA0002408939640000051
在谐振电感LP与平面金属电感器LS1发生偏移后，Iout1随着线圈偏移的增加而降低，Iout2将随着线圈偏移的增加而增加，进而减小WPT电路输出电流Itotal随线圈偏移变化的速度，增强WPT电路抗线圈偏移的能力。
实施例2的基于硅通孔电感器的无线功率传输电路，与实施例1的无线功率传输电路的结构相同，不同之处在于，实施例2中，垂直硅通孔电感器LS2包括垂直设置的100个硅通孔。实施例2的无线功率传输电路在线圈水平偏移下的电源传输效率曲线如图6所示。从图6所示的曲线可以看出，基于垂直硅通孔电感器LS2的正交接收线圈增强了无线功率传输电路抗线圈水平偏移的能力，在10mm的水平偏移距离下，实施例2的WPT电路的电源传输效率达到了43.6％，而传统的未采用垂直硅通孔电感器的无线功率传输电路的电源传输效率为34.6％。实施例2的无线功率传输电路在线圈角度偏移下的电源传输效率曲线如图7所示。从图7所示的曲线可以看出，基于垂直硅通孔电感器LS2的正交接收线圈增强了无线功率传输电路抗线圈角度偏移的能力，在75度的水平偏移距离下，实施例2的WPT电路的电源传输效率达到了36.4％，而传统的未采用垂直硅通孔电感器的无线功率传输电路的电源传输效率为16.8％。

Claims (3)

1.一种基于硅通孔电感器的无线功率传输电路，其特征在于：
包括发射端和接收端；
所述的发射端包括输入电压源、谐振电容和谐振电感，所述的输入电压源的正端与所述的谐振电容的输入端连接，所述的输入电压源的负端与所述的谐振电感的输出端连接，所述的谐振电感的输入端与所述的谐振电容的输出端连接；
所述的接收端包括平面金属电感器、第一电容、第一整流器、第一整流电感、垂直硅通孔电感器、第二电容、第二整流器、第二整流电感、负载电容和负载电阻，所述的平面金属电感器的输出端分别与所述的第一电容的输入端和所述的第一整流器的第一输入端连接，所述的平面金属电感器的输入端分别与所述的第一电容的输出端和所述的第一整流器的第二输入端连接，所述的第一整流器的第一输出端与所述的第一整流电感的输入端连接，所述的垂直硅通孔电感器的输出端分别与所述的第二电容的输入端和所述的第二整流器的第一输入端连接，所述的垂直硅通孔电感器的输入端分别与所述的第二电容的输出端和所述的第二整流器的第二输入端连接，所述的第二整流器的第一输出端与所述的第二整流电感的输入端连接，所述的第一整流电感的输出端和所述的第二整流电感的输出端连接后分别与所述的负载电容的输入端和所述的负载电阻的输入端连接，所述的负载电容的输出端和所述的负载电阻的输出端连接后分别与所述的第一整流器的第二输出端和所述的第二整流器的第二输出端连接；
所述的垂直硅通孔电感器包括垂直设置的多个硅通孔，每个所述的硅通孔内设金属芯，所述的多个硅通孔的金属芯分别经多根金属线依次首尾连接串联为一体；所述的谐振电感和所述的平面金属电感器均为平面螺旋电感，所述的谐振电感与所述的平面金属电感器平行间隔设置，所述的平面金属电感器与所述的垂直硅通孔电感器构成正交的接收线圈，所述的谐振电感与所述的垂直硅通孔电感器产生的磁场彼此正交，在所述的谐振电感与所述的平面金属电感器之间发生水平偏移或者角度偏移情况下，所述的垂直硅通孔电感器与所述的谐振电感发生电磁耦合并进行无线功率传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅通孔电感器的无线功率传输电路，其特征在于：每个所述的硅通孔的金属芯的外侧同轴设置有二氧化硅隔离介质层。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅通孔电感器的无线功率传输电路，其特征在于：所述的谐振电感埋设在绝缘层内，所述的平面金属电感器埋设在第一二氧化硅介质层内，位于所述的多个硅通孔的顶端的金属线埋设在第二二氧化硅介质层内，位于所述的多个硅通孔的底端的金属线埋设在第三二氧化硅介质层内，所述的多个硅通孔埋设在硅衬底内。
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