CN113541329A - 一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，包括发射端和接收端，发射端包括：功率放大器，连接于功率放大器输出端的LC补偿电路，连接于LC补偿电路输出端的谐振耦合电路和解调电路，以及PWM控制电路；其中，PWM控制电路连接于解调电路输出端和功率放大器输入端之间；接收端包括：耦合电路，连接于耦合电路的整流桥，以及连接于整流桥的调制电路；其中，谐振耦合电路和耦合电路共同构成所述无线能量传输系统的能量耦合链路；所述调制电路根据输出电压的状态产生相应的调制信号，所述解调电路检测采样节点电压在所述调制信号作用下的变化，以在发射端恢复出包含输出电压状态的信息，即解调信号，并将解调信号传输至所述PWM控制电路。

Description

一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计领域，具体涉及一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统。

背景技术

无线充电技术具有便于连接、节省器件端口等优势，能够为一些极端情况下工作的电路提供更优的充电方案。例如，对于人体植入设备，若通过有线方式充电或频繁更换电池，则成本过高，操作过难，采用无线充电技术便能很好的解决这些设计上的困难。

典型的无线充电电路如图1所示，主要包括发射端和接收端。其中，发射端主要包括功率放大器和补偿电路，接收端通常包括级联的补偿网络、整流桥和稳压电路。因为无线能量传输系统工作时必然会遇到周围环境干扰、线圈相对位置变化等问题导致的耦合因子变化，进一步导致接收端输出电压不稳定，所以接收端稳压电路不可或缺。常见的稳压电路包括LDO、BUCK等，在一些充电电路设计中，还会在稳压电路后加入充电管理电路。然而，器件的多级级联一方面会降低工作效率，大面积功率管导致接收端体积增大；另一方面，仅调制接收端功率无法提升系统整体效率。

因此，在一些采用全局控制的无线充电电路中，通过上行通信链路将输出状态传输至发射端，调整发射功率。这种方式能够有效提高无线能量传输整体效率，但通信器件将产生额外的面积和功耗开销；尤其对于人体植入设备而言，接收端设计应该在实现功能的前提下越简单越好。

综上所述，亟需提出新的无线充电电路。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，无需额外的通信链路即可实现上行数据传输，并实现全局功率控制，解决了现有的全局功率控制系统所存在的接收端占用面积和功耗开销大的问题。

为达上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括：功率放大器，连接于功率放大器输出端的LC补偿电路，连接于LC补偿电路输出端的谐振耦合电路和解调电路，以及PWM控制电路；其中，PWM控制电路连接于解调电路输出端和功率放大器输入端之间；所述接收端包括：耦合电路，连接于耦合电路的整流桥，以及连接于整流桥的调制电路；其中，谐振耦合电路和耦合电路共同构成所述无线能量传输系统的能量耦合链路；所述调制电路根据输出电压的状态产生相应的调制信号，所述解调电路检测采样节点电压在所述调制信号作用下的变化，以在发射端恢复出包含输出电压状态的信息，即解调信号，并将解调信号传输至所述PWM控制电路。

更进一步地，所述调制电路连接于整流桥的输出端，包括：并联的第一负载支路和第二负载支路，以及负载控制单元；其中，第二负载支路的等效电阻大于第一负载支路的等效电阻；所述负载控制单元基于输出电压而产生控制第一负载支路和第二负载支路交替通断的脉冲信号；其中，所述调制电路的信号调制方式为调频，根据输出电压的状态调整所述脉冲信号的频率。

更进一步地，所述负载控制单元包括：PFM控制电路，以及连接于PFM控制电路输入端的第一比较器和第二比较器，所述第一比较器的两路输入分别为所述输出电压、设定电压范围的上限，所述第二比较器的两路输入分别为所述输出电压、设定电压范围的下限；其中，PFM控制电路采用系统谐振频率的时钟信号，PFM控制电路的输出去向两路，其中一路直接输入所述第一负载支路，以控制所述第一负载支路的开关器件通断；另一路经由一反相器输出至所述第二负载支路，以控制所述第二负载支路的开关器件通断。

更进一步地，所述第一负载支路包括第一MOS管、第一等效负载电阻和第一电容；其中，第一MOS管的源极连接于整流桥的第一输出端，第一等效负载电阻和第一电容并联后连接于第一MOS管的漏极和整流桥的第二输出端之间，第一MOS管的栅极连接于PFM控制电路的输出端；所述第二负载支路包括第二MOS管、第二等效负载电阻和第二电容；其中，第二MOS管的源极连接于整流桥的第一输出端，第二等效负载电阻和第二电容并联后连接于第二MOS管的漏极和整流桥的第二输出端之间，第二MOS管的栅极连接于所述反相器的输出端；第二等效负载电阻的阻值大于第一等效负载电阻的阻值。

更进一步地，所述第一MOS管和所述第二MOS管均为PMOS管。

更进一步地，所述解调电路通过检测所述采样节点电压降低的时刻，并测量采样节点电压的相邻两个低点之间的间隔，恢复出所述解调信号。

更进一步地，所述解调电路包括第一低通滤波器、第二低通滤波器、比较器和滤波电路；所述第一低通滤波器以所述采样节点电压作为输入，并利用介于调制信号频率和系统谐振频率之间的第一截止频率得到包络电压；所述第二低通滤波器以所述第一低通滤波器的输出作为输入，并利用低于所述第一截止频率的第二截止频率得到均值电压；当所述包络电压小于所述均值电压时，对应所述采样节点电压的所述低点；所述比较器以所述均值电压和所述包络电压作为输入，所述滤波电路对所述比较器的输出进行采样，得到所述解调信号。

更进一步地，所述第一低通滤波器为由二极管、电阻和电容组成的包络检测电路。

更进一步地，所述滤波电路包括级联的模拟滤波器和数字滤波器。

本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果包括：本发明提出的无线能量传输系统接收端非常简单，能够根据输出电压状态产生调制信号，并无需额外通信器件或通信链路即可实现接收端到发射端的上行数据通信，获悉接收端的输出电压状态，最终能产生稳定输出电压，将有效地应用在多数领域。

附图说明

图1是一种现有的无线充电电路图；

图2是本发明实施例具备全局功率控制功能的无线能量传输系统的示意图；

图3是本发明实施例中采样节点电压V_M和脉冲信号的示意图；

图4是本发明实施例中解调电路的原理框图；

图5是本发明实施例中解调电路的一种示例性电路图；

图6是本发明实施例中发射端采样节点电压V_M示意图；

图7是本发明实施例中解调电路的第一级滤波器的输出波形；

图8是本发明实施例中解调电路的第二级滤波器的输出波形；

图9是本发明实施例调制信号与解调信号的波形示意图；

图10是本发明实施例调制电路工作前后的关键节点脉冲波形对比；

图11是本发明实施例系统输出电压V_Leff的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

如图2所示，为本发明实施例提出的一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统的示意图，该无线能量传输系统包括发射端和接收端。如图2所示，发射端包括：功率放大器11，连接于功率放大器11输出端的LC补偿电路12，连接于LC补偿电路12输出端的谐振耦合电路13和解调电路14，以及PWM控制电路15。其中，PWM控制电路15连接于解调电路14输出端和功率放大器11输入端之间，根据解调信号实现对功率放大器的控制。接收端包括：耦合电路21，连接于耦合电路21的整流桥22，以及连接于整流桥22的调制电路23。其中，发射端的谐振耦合电路13和接收端的耦合电路21共同构成该无线能量传输系统的能量耦合链路，实现无线能量传输。调制电路23根据输出电压的状态产生相应的调制信号(如图2中TX端调制信号)，解调电路14检测发射端采样节点电压V_M(如图2中RX端采样信号)在所述调制信号作用下的变化，以在发射端恢复出包含输出电压状态的信息，即解调信号，并将解调信号传输至PWM控制电路15。这样一来，无需设置从接收端到输入端的专门用于反馈接收端输出电压状态的上行数据通信链路，也能获知接收端输出电压的状态，实现更高效的能量传输。

下面根据基尔霍夫定律以及互感方程，对电路列出方程，以此来说明本发明的发明原理：

V_S-V_M＝I_S·Z_Lf (1)

V_M-V₁＝I₁·Z_C1 (2)

V_M＝(I_S-I₁)·Z_Cf (3)

V₁＝I₁·Z_L1-Z_M·I₂ (4)

V₂＝-I₂·Z_L2-Z_M·I₁ (5)

V₂＝I₂·(Z_C2+R_Leff) (6)

其中，V_S为功率放大器11的输出电压，I_S为功率放大器11的输出电流，V_M为发射端解调电路采样的节点电压，Z_Lf、Z_c1、Z_cf、Z_L1、Z_L2、Z_c2分别表示图2中L_f、C₁、C_f、L₁、L₂、C₂的等效阻抗，Z_M为线圈L₁、L₂互感经过等效的阻抗，R_Leff为整流桥输入端看进去的等效负载电阻，通过整理可以得到两个线圈中的电流I₁、I₂分别为：

由于无线能量传输系统一般工作在良好的谐振条件下，谐振网络满足：

Z_Lf+Z_Cf＝0 (9)

Z_L1+Z_C1+Z_Cf＝0 (10)

Z_L2+Z_C2＝0 (11)

因此可以得到输出电压表达式：

考虑到无源器件存在寄生电阻，当输出节点的等效电阻R_Leff发生变化时，输出电压V_Leff将发生变化。由前述的一系列公式反推可知，这种变化同样会导致发射端各个节点电压发生变化。基于这种特性，接收端经调制后的信号可在发射端采样得到，通过解调电路即可复原信号，无需额外通信电路实现收发端之间的信息传输。因此，如图2所示，本发明实施例将解调电路14的输入端连接于LC补偿电路12的电容C_f的两个电容之间，以此来检测节点电压V_M的实时变化，并进行解调，以此来获取输出电压的状态，这样一来，无需采用专门的上行数据传输链路即可在发射端获知接收端输出电压的状态，实现全局功率控制以及更高效的无线能量传输。

下面对系统各单元电路及相互之间的关系进行更加详细的说明。

继续参考图2，调制电路23连接于整流桥22的输出端，包括：并联的第一负载支路231和第二负载支路232，以及负载控制单元233；其中，第二负载支路232的等效电阻大于第一负载支路231的等效电阻。负载控制单元233基于输出电压而产生控制第一负载支路231和第二负载支路232交替通断的脉冲信号。具体而言，负载控制单元233包括：PFM控制电路，以及连接于PFM控制电路输入端的一对比较器，即比较器01和比较器02，用于监测输出电压。其中，比较器01的两路输入分别为输出电压、设定电压范围的上限V_ref-h，比较器02的两路输入分别为输出电压、设定电压范围的下限V_ref-l。PFM控制电路采用系统谐振频率的时钟信号，PFM控制电路的输出去向两条支路，其中一路直接输入第一负载支路231，以控制第一负载支路231的开关器件通断；另一路经由一反相器输出至第二负载支路232，以控制第二负载支路232的开关器件通断。在图2所示的实施例中，第一负载支路231包括MOS管S1、等效负载电阻R_L和电容C_L，其中MOS管S1的源极连接于整流桥22的第一输出端，等效负载电阻R_L和电容C_L并联后连接于MOS管S1的漏极和整流桥22的第二输出端之间，MOS管S1的栅极连接于PFM控制电路的输出端，即PFM控制电路的输出控制MOS管S1的导通和截止。第二负载支路232包括MOS管S2、等效负载电阻R_T和电容C_T，其中MOS管S2的源极连接于整流桥22的第一输出端，等效负载电阻R_T和电容C_T并联后连接于MOS管S2的漏极和整流桥22的第二输出端之间，MOS管S2的栅极连接于所述反相器的输出端，即PFM控制电路的输出的反向信号控制MOS管S2的导通和截止。在一种具体例子中，MOS管S1和S2均为PMOS管，但这只是举例，可以采用其它类型的开关管来替代。

调制电路需要在不影响负载工作的前提下改变负载等效电阻。由功率的计算公式P＝V²/R可知，如果在恒压条件下，等效负载电阻减小，负载功耗将升高。因此，应当增大等效电阻，如图2所示，原负载为R_L，引入的调制支路包含大电阻R_T，这样既不会改变输出电压，而且对效率的影响也较小，此处取R_T＝0.5Mohm。在调制电路正常工作时，脉冲信号在每个固定时长的周期内会短暂地置为有效值，即S₁周期性闭合，同时S₂周期性断开，电路的等效负载电阻大小将周期性地由R_L切换为R_T。等效负载发生变化时，根据前述的推导过程，电路中各节点电压将发生变化，因此在发射端可以检测、还原脉冲信号，如图3所示。

调制电路的信号调制方式为调频，根据输出电压的状态调整控制PMOS开关的脉冲信号频率，即不同输出电压状态对应脉冲的间隔不同。在电压脱离工作范围(V_ref-l～V_ref-h)内时，等效负载由R_L切换为R_T的周期将会根据输出电压的状态而改变，因此解调信号的频率也会相应地改变。由于脉冲的宽度会影响发射端节点电压V_M变化的幅度，而脉冲宽度过大会导致负载上电压波动较大，经过折中后取脉冲频率为系统谐振频率(T＝1MHz)的一个周期。一方面，较小的脉冲宽度可以保证脉冲波置为有效值时，可以通过原负载支路中滤波电容C_L放电维持R_L的两端电压保持不变。另一方面，该电路中信息传输速率要求较低，而脉冲的频率正相关于信息传输速率，且电压恢复需要一定时间，所以可以取最小的脉冲间隔为10个脉冲(10T,T＝1us)。

在一种具体实施例中，设定接收端输出电压范围为4.8V～5.2V，当输出电压V_Leff为5.5V时偏离设定电压范围，此时调制信号的脉冲周期设定为15T。当输出电压为5.1V时在设定范围内，此时调制信号的脉冲周期设定为20T。

解调电路：当调制电路加入系统后，节点电压V_M的幅值会周期性地降低。解调电路14需要检测到该电压V_M降低的时刻，并测量电压V_M两个低点之间的间隔，即可恢复出包含输出电压状态的信息，即，解调信号。该电路主要由滤波器和电压比较器组成。如图4所示，解调电路14包括低通滤波器1、低通滤波器2、比较器03和滤波电路(噪声滤波器)，低通滤波器1以采样节点电压V_M作为输入，并利用介于调制信号频率和系统谐振频率之间的第一截止频率得到包络电压；低通滤波器2以低通滤波器1的输出作为输入，并利用低于所述第一截止频率的第二截止频率得到均值电压。如图7所示为包络电压和均值电压的一种示例，其中包络电压、均值电压分别作为比较器03的正端输入、负端输入。

如图5所示为解调电路的一种具体实现方式，因为要减小对原电路的影响，也尽可能地降低功耗，因此低通滤波器1为由二极管、电阻和电容组成的包络检测电路。如图5所示，解调电路以采样节点电压V_M作为输入，输入先经过包络检测电路，输出包络电压至比较器03，同时包络电压再经过电阻R₂得到节点电压V_M短时间内峰值的平均值，即均值电压。由于当包络电压小于均值电压时，即对应采样节点电压V_M的所述低点，因此将所述均值电压和所述包络电压作为比较器03的输入，通过滤波电路对比较器03的输出进行采样，即可恢复出脉冲波形，得到解调信号。在图5所示的电路中，解调电路的所述滤波电路包括级联的模拟滤波器和数字滤波器，所述模拟滤波器同样采用二极管、电阻和电容组成的包络检测电路来实现，数字滤波器采用比较器04来实现，模拟滤波器的输出与参考电压V_ref一同输入比较器04，通过级联的模拟滤波器和数字滤波器的滤波，达到消除毛刺的作用，得到如图8所示的波形，其中波形①代表数字滤波器的输出即解调电路的最终输出，波形②代表比较器03的输出，波形③代表模拟滤波器的输出。最终得到如图9所示的解调信号，在图9中与调制信号进行比对可知，解调信号与调制信号频率相同，验证了本发明实施例的无线能量传输系统可以正常工作。

本发明实施例的无线能量传输系统的工作过程大致如下：

第一步，启动后能量传输电路开始工作，能量链路上所有电感和电容经过一段时间进入稳定状态，具有稳定的输出电压；第二步，能量链路启动并稳定后，调制电路开始工作，利用输出电压生成脉冲信号控制第一、第二负载支路交替导通，负载周期性地改变，节点电压V_M会随着调制信号发生周期性的变化，如图6；第三步，解调电路开始工作，由调制电路中的一对比较器(比较器01和02)监测输出电压；参考图10，调制电路不工作时，输出电压偏高，调制电路工作后，PFM控制电路降低脉冲信号的频率，发射端利用解调电路采样调频信号并解调，数字电路根据解调后的信号调整PWM信号占空比，此时由于输出电压偏高，图10中对比可知PWM控制信号的占空比降低；第四步，经过逐步减小PWM信号的占空比，功率放大器的输出功率逐级减小，输出电压随之减小，最终稳定在设定的区间(4.8V～5.2V)，见于图11。

本发明提出的无线能量传输系统接收端非常简单，能够根据输出电压状态产生调制信号，并无需额外通信器件即可实现收发端通信，最终能产生稳定输出电压，将有效地应用在多数领域。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，包括发射端和接收端，其特征在于：

所述发射端包括：功率放大器(11)，连接于功率放大器(11)输出端的LC补偿电路(12)，连接于LC补偿电路(12)输出端的谐振耦合电路(13)和解调电路(14)，以及PWM控制电路(15)；其中，PWM控制电路(15)连接于解调电路(14)输出端和功率放大器(11)输入端之间；

所述接收端包括：耦合电路(21)，连接于耦合电路(21)的整流桥(22)，以及连接于整流桥(22)的调制电路(23)；其中，谐振耦合电路(13)和耦合电路(21)共同构成所述无线能量传输系统的能量耦合链路；

所述调制电路(23)根据输出电压的状态产生相应的调制信号，所述解调电路(14)检测发射端采样节点电压(V_M)在所述调制信号作用下的变化，以在发射端恢复出包含输出电压状态的信息，即解调信号，并将解调信号传输至所述PWM控制电路。

2.如权利要求1所述的具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，其特征在于，所述调制电路(23)连接于整流桥(22)的输出端，包括：并联的第一负载支路(231)和第二负载支路(232)，以及负载控制单元(233)；其中，第二负载支路(232)的等效电阻大于第一负载支路(231)的等效电阻；

所述负载控制单元(233)基于输出电压而产生控制第一负载支路(231)和第二负载支路(232)交替通断的脉冲信号；其中，所述调制电路的信号调制方式为调频，根据输出电压的状态调整所述脉冲信号的频率。

3.如权利要求2所述的具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，其特征在于，所述负载控制单元(233)包括：PFM控制电路，以及连接于PFM控制电路输入端的第一比较器(01)和第二比较器(02)，所述第一比较器(01)的两路输入分别为所述输出电压、设定电压范围的上限(V_ref-h)，所述第二比较器(02)的两路输入分别为所述输出电压、设定电压范围的下限(V_ref-l)；

其中，PFM控制电路采用系统谐振频率的时钟信号，PFM控制电路的输出去向两路，其中一路直接输入所述第一负载支路(231)，以控制所述第一负载支路(231)的开关器件通断；另一路经由一反相器输出至所述第二负载支路(232)，以控制所述第二负载支路(232)的开关器件通断。

4.如权利要求3所述的具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，其特征在于：

所述第一负载支路(231)包括第一MOS管(S1)、第一等效负载电阻(R_L)和第一电容(C_L)；其中，第一MOS管(S1)的源极连接于整流桥(22)的第一输出端，第一等效负载电阻(R_L)和第一电容(C_L)并联后连接于第一MOS管(S1)的漏极和整流桥(22)的第二输出端之间，第一MOS管(S1)的栅极连接于PFM控制电路的输出端；

所述第二负载支路(232)包括第二MOS管(S2)、第二等效负载电阻(R_T)和第二电容(C_T)；其中，第二MOS管(S2)的源极连接于整流桥(22)的第一输出端，第二等效负载电阻(R_T)和第二电容(C_T)并联后连接于第二MOS管(S2)的漏极和整流桥(22)的第二输出端之间，第二MOS管(S2)的栅极连接于所述反相器的输出端；

第二等效负载电阻(R_T)的阻值大于第一等效负载电阻(R_L)的阻值。

5.如权利要求4所述的具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，其特征在于：所述第一MOS管(S1)和所述第二MOS管(S2)均为PMOS管。

6.如权利要求1所述的具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，其特征在于：所述解调电路(14)通过检测所述采样节点电压(V_M)降低的时刻，并测量所述采样节点电压(V_M)的相邻两个低点之间的间隔，恢复出所述解调信号。

7.如权利要求6所述的具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，其特征在于：所述解调电路(14)包括第一低通滤波器、第二低通滤波器、比较器(03)和滤波电路；所述第一低通滤波器以所述采样节点电压(V_M)作为输入，并利用介于调制信号频率和系统谐振频率之间的第一截止频率得到包络电压；所述第二低通滤波器以所述第一低通滤波器的输出作为输入，并利用低于所述第一截止频率的第二截止频率得到均值电压；当所述包络电压小于所述均值电压时，对应所述采样节点电压(V_M)的所述低点；

所述比较器(03)以所述均值电压和所述包络电压作为输入，所述滤波电路对所述比较器(03)的输出进行采样，得到所述解调信号。

8.如权利要求7所述的具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，其特征在于：所述第一低通滤波器为由二极管、电阻和电容组成的包络检测电路。

9.如权利要求7所述的具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，其特征在于：所述滤波电路包括级联的模拟滤波器和数字滤波器。

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