CN216564653U - 一种无线功率传输系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种无线功率传输系统，包括振荡电路、逻辑电平转换电路、功率MOS管、线圈振荡发射电路、振荡接收电路、LDO启动电路I和LDO启动电路II，所述振荡电路的输出端与逻辑电平转换电路相连，所述逻辑电平转换电路的输出端与功率MOS管的栅极相连，所述功率MOS管的漏极与线圈振荡发射电路相连，线圈振荡发射电路与振荡接收电路电磁共振无线连接，LDO启动电路I与振荡电路相连，LDO启动电路II与逻辑电平转换电路相连，本实用新型能够有效的进行无线功率传输，提供频率宽范围的振荡电路、电压宽范围的逻辑电平转换电路，能够为多个频率不同、功率不同的设备进行远距离无线功率传输，兼容性强，能够适用于常见设备的功率需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线供电领域，尤其涉及一种无线功率传输系统。
背景技术
无线功率传输又名无接触式电能传输，就是不使用导线连接、借助于电磁场或电磁波等软介质进行能量传递的一种技术。目前，有线电能传输存在线路老化、尖端放电容易导致电火花产生的不安全因素，有线电能传输不能满足一些特殊场合的应用。除此之外，随着电子设备的广泛应用，如手机、笔记本、冰箱、电视，太多的插座和电线给人们的生活带来不便，无线功率传输能够很好的解决这些问题。在无线供电研究中，磁场共振技术被广泛应用，即当两个物体在同一频率实现共振时，将实现能量的无线传输。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种无线功率传输系统，能够有效的进行无线功率传输，提供频率宽范围的振荡电路、电压宽范围的逻辑电平转换电路，能够为多个频率不同、功率不同的设备进行远距离无线功率传输，兼容性强，能够适用于常见设备的功率需求。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种无线功率传输系统，包括振荡电路、逻辑电平转换电路、功率MOS管、线圈振荡发射电路、振荡接收电路、LDO启动电路I和LDO启动电路II，所述振荡电路的输出端与逻辑电平转换电路相连，所述逻辑电平转换电路的输出端与功率MOS管的栅极相连，所述功率MOS管的漏极与线圈振荡发射电路相连，线圈振荡发射电路与振荡接收电路电磁共振无线连接，LDO启动电路I与振荡电路相连，LDO启动电路II与逻辑电平转换电路相连。
所述振荡电路包括双稳态振荡器，双稳态振荡器的两个触发器相互触发达到振荡的效果，两个触发器的CX引脚分别依次串联固定电容、电位器后与LDO启动电路I的输出端相连，触发器的RXCX引脚依次串联电位器后与LDO启动电路I的输出端相连，双稳态振荡器的VCC引脚和两个触发器的两个R引脚分别连接LDO启动电路I的输出端，两个触发器的输出引脚分别接入逻辑电平转换电路。
所述固定电容的大小为100pF，电位器的大小为5kΩ-200kΩ。
所述逻辑电平转换电路包括N型MOS管I、N型MOS管II、P型MOS管 I和P型MOS管II，P型MOS管I的源极和P型MOS管II的源极与LDO启动电路II的输出端相连，P型MOS管I的漏极与N型MOS管I的漏极和P型MOS管 II的栅极相连，P型MOS管II的漏极与N型MOS管II的漏极和P型MOS管I 的栅极相连，N型MOS管I的源极和N型MOS管II的源极连接GND，所述N型 MOS管I的栅极和N型MOS管II的栅极与振荡电路的输出端相连，P型MOS管 I的的栅极与功率MOS管的栅极相连。
N型MOS管I、N型MOS管II的导电性强于P型MOS管I和P型MOS管 II。
LDO启动电路I包括三极管U10、电位器Pot9、电阻R1和电阻R2，三极管U10的集电极接VCC，三极管U10的集电极依次串联电位器Pot9和电阻R1 后接三极管U10的基极，三极管U10的基极串联电阻R2后接GND，三极管U10 的集电极串联电容C10后接地，三极管U10的发射极串联电容C20后接地，三极管U10的发射极的作为LDO启动电路I的输出端。
LDO启动电路II包括三极管U4、电阻R3、电位器Pot5、电位器Pot6，三极管U4的集电极接VCC，三极管U4的集电极串联电阻R3后接三极管U4的基极，三极管U4的基极依次串联电位器Pot5、电位器Pot6后接GND，三极管 U4的发射极串联电容后接地，三极管U4的发射极的作为LDO启动电路II的输出端。
线圈振荡发射电路包括多个并联电容，功率MOS管的漏极接并联电容的一端，并联电容的另一端接VCC，线圈振荡发射电路的线圈与振荡接收电路的线圈电磁共振。
所述功率MOS管的源极接GND。
根据上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
本系统选用CD74HC123芯片，可以通过更改电容或电阻提供高达数MHz 的输出频率以及宽范围频率的调节，能够适应振荡接收电路高谐振频率的情况，能够为高频率、宽范围的设备进行远距离无线传输；增设逻辑电平转换电路，使得振荡电路的输出信号能够驱动功率MOS管；通过线圈振荡发射电路的线圈与振荡接收电路的线圈电磁共振，线圈振荡发射电路的线圈与振荡接收电路的线圈电磁处于相同的频率，形成电磁共振，实现无线功率传输。
附图说明
图1为本实用新型的设计框图；
图2为本实用新型的原理图；
图3为本实用新型逻辑电平转换电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1、2所示，一种无线功率传输系统，包括振荡电路、逻辑电平转换电路、功率MOS管、线圈振荡发射电路、振荡接收电路，振荡电路、逻辑电平转换电路各带一个LDO启动电路作为电源，振荡电路含有双稳态振荡器，双稳态振荡器选用CD74HC123芯片进行设计，CD74HC123可以通过更改电容或电阻提供高达数MHz的输出频率，能够适应振荡接收电路高谐振频率的情况，逻辑电平转换电路包括N型MOS管I、N型MOS管II、P型MOS管I和P型MOS管II。
双稳态振荡器的两个触发器相互触发达到振荡的效果，两个触发器的 CX引脚分别依次串联固定电容、电位器后与其作为电源的LDO启动电路I的输出端相连，触发器的RXCX引脚依次串联电位器后与其作为电源的LDO启动电路 I的输出端相连，选择100pF的固定电容和最大值200kΩ的电位器实现调节频率的功能，提供约2MHz-50kHz的频率调节范围，其中电位器最低电阻需要高于 5kΩ。双稳态振荡器的VCC引脚和两个触发器的两个R引脚分别连接LDO启动电路I的输出端，两个触发器的输出引脚分别接入逻辑电平转换电路。
TRUTH TABLE
设计时根据如上双稳态振荡器的真值表(真值表为输入电平的所有可能值与对应的输出电平的的对照表)，将A连接到地，同时，根据真值表可以看出 B由上升沿触发，且触发对上升时间没有要求，利用CD74HC123上电时Q从低到高的电位变化对B进行触发，无论哪一个B被触发，其输出端的Q都会输出一个脉冲，这个脉冲可以触发另一个触发器的B，这样可以触发另一端的Q，循环往复，相互触发实现振荡。振荡的频率及占空比由两个触发器连接的电容和电阻决定，触发器在触发后输出的脉冲宽度为0.45RxCx，通过调节Rx或Cx 便可以调节信号的占空比和频率。
P型MOS管I的源极和P型MOS管II的源极与LDO启动电路II的输出端相连，P型MOS管I的漏极与N型MOS管I的漏极和P型MOS管II的栅极相连，P型MOS管II的漏极与N型MOS管II的漏极和P型MOS管I的栅极相连， N型MOS管I的源极和N型MOS管II的源极连接GND，所述N型MOS管I的栅极和N型MOS管II的栅极与振荡电路的输出端相连，P型MOS管I的的栅极与功率MOS管的栅极相连，所述功率MOS管的源极接GND。
虽然CD74HC123可以提供较高的频率，但其输出信号峰值最大仅有6V，不足以驱动功率MOS管，为了实现功率MOSF管的驱动需要一个逻辑电平转换电路将其上升到较高的电位。逻辑电平转换电路的原理图如图3所示，当Vin+为高，Vin-为低时，N1开启，P1关闭，OUT-输出逻辑低电平，P2开启，N2关闭， OUT+输出逻辑高电平，反之同理。
考虑到逻辑电平转换电路的直流功耗，若Vin+和Vin-会出现高电平交叠的情况，四个管子同时开启会产生较大的直流电，且随着频率的升高，这个交叠出现的频率也会越来越高，也就意味着更高的功耗。为了降低功耗，Vin+ 和Vin-不应出现高电平交叠，利用CD74HC123的自身时延可以实现1Q和2Q输出的无高电平交叠，因此采用1Q和2Q对逻辑电平转换电路进行驱动。
为了实现低到高的转换，VCC的电位相对较高，因此在选择MOS管时需要注意其栅极和漏源击穿电压。除此以外，在相同电压下P型MOS管的RDS(on)需要比N型MOS管的RDS(on)小很多，这是由于P型MOS管在开启时其VSG将比N 型MOS管开启时的VSG大很多，N型MOS管由CD74HC123驱动，一般情况下其高电平仅有5V，即N型MOS管的VSG为5V，而P型MOS管开启时的VSG可以达到 VCC的大小。如果Vin+和Vin-的信号有高电平交叠，即N1、N2同时开启的状况，就会出现四个MOS管同时开启的状态，在该状态下，若N型MOS管的开启电阻较P型MOS管的大，就可能出现OUT-和OUT+同时处于高电平将P型MOS管关断无法充放电的情况。假设Vin+先从低变为高，Vin-再从高变为低，Vin+先将N1打开，但因为N1开启电阻较大，OUT-仍维持在高电平，P2处于关断状态，当Vin-从高变为低时，需要经由P2对电容进行充电，将OUT+的电位从低拉到高，然而P2处于关断状态无法充电，OUT+仍然维持在低，逻辑电平转换电路没办法实现电位的翻转，失去作用。即使N1的开启电阻并没有大到会使OUT-无法下降，以至于关断P2，N型MOS管较弱的情况也会导致逻辑电平转换的上升时间和下降时间小于下降时间，上升下降时间的不平衡在其他应用中也可能导致逻辑上的错误。因此，在选择N型MOS管时其导电能力要较P型MOS管强。
综合以上考虑，本设计选用的N型MOS管型号为SI2302DDS，栅极击穿电压为8V，漏源击穿电压为20V，最大开启电阻为0.057Ω，P型MOS管型号为 SI2309CDS，栅极击穿电压为20V，漏源击穿电压为60V，最小开启电阻不会大于0.15Ω，可以保证逻辑电平转换电路正常工作。
本设计中需要两个LDO启动电路，一个作为CD74HC123的电源，另一个作为逻辑电平转换电路的电源，选用三极管时考虑到击穿电压和供电能力，本设计选用型号为MMBTA42LT1G的三极管。
LDO启动电路I包括三极管U10、电位器Pot9、电阻R1和电阻R2，三极管U10的集电极接VCC，三极管U10的集电极依次串联电位器Pot9和电阻R1 后接三极管U10的基极，三极管U10的基极串联电阻R2后接GND，三极管U10 的集电极串联电容C10后接地，三极管U10的发射极串联电容C20后接地，三极管U10的发射极的作为LDO启动电路I的输出端。
通过更改电阻R1和电阻R2的电阻值可以更改输出电压的大小，三极管 U10输出电压大小为其基极电压扣除发射结压降，为了减小整体功耗，电阻分压电路的最大直流电流设置为0.1mA，电位器Pot9为200kΩ电位器，用于调节 LDO启动电路I输出电压，保证提供CD74HC123正常工作电压。
LDO启动电路II包括三极管U4、电阻R3、电位器Pot5、电位器Pot6，三极管U4的集电极接VCC，三极管U4的集电极串联电阻R3后接三极管U4的基极，三极管U4的基极依次串联电位器Pot5、电位器Pot6后接GND，三极管 U4的发射极串联电容后接地，三极管U4的发射极的作为LDO启动电路II的输出端。
电位器Pot6为1MΩ，用于粗调电压，电位器Pot5为50KΩ，用于细调电压，LDO启动电路II设计输出范围为4V-16V，提供不同的驱动电压，适应各种功率需求的振荡接收电路。
线圈振荡发射电路包括多个并联电容，功率MOS管的漏极接并联电容的一端，并联电容的另一端接VCC，线圈振荡发射电路的线圈与振荡接收电路的线圈电磁电磁共振，线圈振荡发射电路的线圈与振荡接收电路的线圈电磁处于相同的频率，形成电磁共振，实现无线功率传输。
需要说明的是，上述实施例仅用来说明本实用新型，但本实用新型并不局限于上述实施例，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型的保护范围内。
Claims (9)
1.一种无线功率传输系统，其特征在于：包括振荡电路、逻辑电平转换电路、功率MOS管、线圈振荡发射电路、振荡接收电路、LDO启动电路I和LDO启动电路II，所述振荡电路的输出端与逻辑电平转换电路相连，所述逻辑电平转换电路的输出端与功率MOS管的栅极相连，所述功率MOS管的漏极与线圈振荡发射电路相连，线圈振荡发射电路与振荡接收电路电磁共振无线连接，LDO启动电路I与振荡电路相连，LDO启动电路II与逻辑电平转换电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种无线功率传输系统，其特征在于：所述振荡电路包括双稳态振荡器，双稳态振荡器的两个触发器相互触发达到振荡的效果，两个触发器的CX引脚分别依次串联固定电容、电位器后与LDO启动电路I的输出端相连，触发器的RXCX引脚依次串联电位器后与LDO启动电路I的输出端相连，双稳态触发器的VCC引脚和两个触发器的两个R引脚分别连接LDO启动电路I的输出端，两个触发器的输出引脚分别接入逻辑电平转换电路。
3.根据权利要求2所述的一种无线功率传输系统，其特征在于：所述固定电容的大小为100pF，电位器的大小为5kΩ-200kΩ。
4.根据权利要求1所述的一种无线功率传输系统，其特征在于：所述逻辑电平转换电路包括N型MOS管I、N型MOS管II、P型MOS管I和P型MOS管II，P型MOS管I的源极和P型MOS管II的源极与LDO启动电路II的输出端相连，P型MOS管I的漏极与N型MOS管I的漏极和P型MOS管II的栅极相连，P型MOS管II的漏极与N型MOS管II的漏极和P型MOS管I的栅极相连，N型MOS管I的源极和N型MOS管II的源极连接GND，所述N型MOS管I的栅极和N型MOS管II的栅极与振荡电路的输出端相连，P型MOS管I的栅极与功率MOS管的栅极相连。
5.根据权利要求4所述的一种无线功率传输系统，其特征在于：N型MOS管I、N型MOS管II的导电性强于P型MOS管I和P型MOS管II。
6.根据权利要求1所述的一种无线功率传输系统，其特征在于：LDO启动电路I包括三极管U10、电位器Pot9、电阻R1和电阻R2，三极管U10的集电极接VCC，三极管U10的集电极依次串联电位器Pot9和电阻R1后接三极管U10的基极，三极管U10的基极串联电阻R2后接GND，三极管U10的集电极串联电容C10后接地，三极管U10的发射极串联电容C20后接地，三极管U10的发射极的作为LDO 启动电路I的输出端。
7.根据权利要求1所述的一种无线功率传输系统，其特征在于：LDO启动电路II包括三极管U4、电阻R3、电位器Pot5、电位器Pot6，三极管U4的集电极接VCC，三极管U4的集电极串联电阻R3后接三极管U4的基极，三极管U4的基极依次串联电位器Pot5、电位器Pot6后接GND，三极管U4的发射极串联电容后接地，三极管U4的发射极的作为LDO启动电路II的输出端。
8.根据权利要求1所述的一种无线功率传输系统，其特征在于：线圈振荡发射电路包括多个并联电容，功率MOS管的漏极接并联电容的一端，并联电容的另一端接VCC，线圈振荡发射电路的线圈与振荡接收电路的线圈电磁共振。
9.根据权利要求1所述的一种无线功率传输系统，其特征在于：所述功率MOS管的源极接GND。
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| CN202122956671.3U CN216564653U (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 一种无线功率传输系统 |
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