DE102015205714A1

DE102015205714A1 - Sendeverstärker zum Verstärken eines Signals in einem drahtlosen Übertragungssystem

Info

Publication number: DE102015205714A1
Application number: DE102015205714.3A
Authority: DE
Inventors: Franz Eiermann; Ralph Oppelt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2016-10-06
Also published as: CN107431464B; EP3251210A1; CN107431464A; US10439568B2; WO2016156032A1; US20180367108A1

Abstract

Es wird ein Sendeverstärker zum Verstärken eines Signals in einem drahtlosen Übertragungssystem vorgeschlagen. Der Sendeverstärker weist eine Vorverstärkerstufe und eine Verstärkerendstufe auf, die mit der Vorverstärkerstufe gekoppelt ist. Die Verstärkerendstufe ist aus Gatterbausteinen gebildet und ist dazu eingerichtet, ein eingespeistes Signal als verstärktes Ausgangssignal ausgangsseitig bereitzustellen. Durch die Verwendung von Gatterbausteinen kann ein kompakter und günstiger Sendeverstärker bereitgestellt werden, der einen Wirkungsgrad von ungefähr 90% aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sendeverstärker zum Verstärken eines Signals in einem drahtlosen Übertragungssystem, beispielweise in einem System zum Laden von Batterien, insbesondere von Batterien in einem Elektrofahrzeug.
Beim induktiven Laden von Batterien in Elektro-Fahrzeugen, sogenannten E-Cars, müssen neben der eigentlichen Ladeantenne in der Bodenstation und der Empfangsantenne mit Gleichrichter am Kraftfahrzeug auch andere Antennen inklusive deren Sende- und Empfangssystem für bestimmte drahtlose Peripherieanwendungen zwischen Kraftfahrzeug und Bodenstation mit integriert werden. Zu diesen Peripherieanwendungen gehören beispielsweise eine Positionskontrolle des Fahrzeugs zur Ladefreigabe, Luftspaltüberwachung, d.h. der Spalt zwischen Boden und Kraftfahrzeug, beim induktiven Laden auf Materialien oder Lebewesen oder generell der Datenaustausch von Ladebodenstation und Ladeempfangsstation am Kraftfahrzeug. Da in dieser Einheit am Kraftfahrzeug oder in der Bodenstation während des Ladevorgangs Temperaturen von mehr als 80°C auftreten können, ist es wünschenswert, dass diese Peripherieanwendungen zum einen temperaturfest entwickelt werden, zum anderen soll deren Verlustleistung, insbesondere die der Sendeverstärker, minimiert werden, d.h. der Wirkungsgrad möglichst hoch sein, um die Temperatur in dem Verstärker durch Eigenerwärmung nicht weiter zu erhöhen und damit die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls des Verstärkers zu reduzieren.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Sendeverstärker bereitzustellen, der einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
Demgemäß wird ein Sendeverstärker zum Verstärken eines Signals in einem drahtlosen Übertragungssystem für Sensoranwendungen vorgeschlagen. Der Sendeverstärker weist eine Vorverstärkerstufe und eine Verstärkerendstufe auf, die mit der Vorverstärkerstufe gekoppelt ist. Die Verstärkerendstufe ist aus Gatterbausteinen gebildet und ist dazu eingerichtet, ein eingespeistes Signal als verstärktes Ausgangssignal ausgangsseitig bereitzustellen.
Als Gatterbausteine zählen auch sogenannte Buffer, welche als Spezialfall eines Gatters mit nur einem Eingang angesehen werden können. Im Folgenden ist deshalb der Einfachheit halber meist nur von dem Begriff Gatter bzw. Gatterbaustein die Rede.
Die Verstärkerendstufe ist daher dazu ausgelegt, durch das eingespeiste Signal, d.h. das aussteuernde Schaltsignal, Hochfrequenzleistung ausgangsseitig bereitzustellen. Die Verstärkerendstufe kann das eingespeiste Signal als verstärktes Ausgangssignal an einem oder zwei Ausgängen der Verstärkerendstufe bereitstellen.
Die Vorverstärkerstufe kann einen Ausgang oder zwei komplementäre Ausgänge aufweisen. Im ersten Fall ist ein Eingang der Verstärkerendstufe mit dem einen Ausgang der Vorverstärkerstufe gekoppelt. Im zweiten Fall sind zwei Eingänge der Verstärkerendstufe mit den zwei komplementären Ausgängen der Vorverstärkerstufe gekoppelt.
Die Verstärkerendstufe ist als Schaltverstärker zur Ansteuerung einer erdsymmetrischen Last realisiert, weshalb sie grundsätzlich zwei zueinander komplementäre Ausgangssignale gleicher Leistung liefert.
Der vorgeschlagene Sendeverstärker verwendet zumindest in der Verstärkerendstufe Gatterbausteine. Diese sind kostengünstig und haben einen hohen Wirkungsgrad, da diese als Schaltverstärker eingesetzt werden. Zusätzlich ist mit solchen Gatterbausteinen eine kompakte Bauweise des Sendeverstärkers möglich.
Das bedeutet, dass mit günstigen Gatterbausteinen eine sehr kompakte Schaltverstärker-Endstufe für drahtlose Übertragungssysteme realisiert werden kann. Dies ist mit anderen Bausteinen kostenmäßig und mit derart hohem Wirkungsgrad schwer zu realisieren.
Die Gatterbausteine können verschiedene Logikgatterbausteine sein, die in geeigneter Weise kombiniert werden, um eine Verstärkerendstufe zu bilden. Mögliche Ausgestaltungen werden im Folgenden näher beschrieben.
In dem vorgeschlagenen Sendeverstärker dient die Vorverstärkerstufe der Verstärkung zwischen Oszillator und Verstärkerendstufe und schaltet diese nahezu leistungslos mit der Nutzfrequenz um. Je nach Ausführungsform der Verstärkerendstufe stellt die Vorverstärkerstufe zwei zueinander komplementäre Ansteuersignale bereit oder nur ein Ansteuersignal.
In einer Ausführungsform besteht die Verstärkerendstufe aus jeweils gleichen Gatterbausteinen (invertierend oder nicht invertierend). Zur Ansteuerung wird dann eine Vorverstärkerstufe mit zwei zueinander komplementären Ausgangssignalen verwendet. Diese beiden komplementären Signale werden benötigt, um die Endstufe als Schaltverstärker für eine erdsymmetrische Last gegenphasig ansteuern zu können. Dies wird in den folgenden Ausführungsformen näher erläutert.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Gatterbausteine CMOS-Gatterbausteine bzw. CMOS-Buffer.
Die Gatterbausteine können durch Feldeffekttransistoren, beispielsweise MOSFETs realisiert werden. Hierbei können p-Kanal-MOSFETs und n-Kanal-MOSFETs verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Vorverstärkerstufe eine Symmetrierstufe und ist dazu eingerichtet, ein komplementäres Steuersignal für die Verstärkerstufe bereitzustellen.
Gemäß dieser Ausführungsform dient die Vorverstärkerstufe zur Symmetrierung des eingespeisten Signals.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorverstärkerstufe (nur) einen Ausgang für die Ansteuerung der Verstärkerendstufe auf. Bevorzugt ist die Verstärkerendstufe in diesem Fall mit unterschiedlichen Gatterbausteinen ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht die Verstärkerendstufe aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil, wobei der erste Teil und der zweite Teil vorzugsweise die gleiche Anzahl an Gatterbausteinen vom ungleichen Gattertyp aufweist.
Hierbei enthält die eine Hälfte der Verstärkerendstufe invertierende und die andere Hälfte nicht-invertierende Gatterbausteine, was somit wieder komplementäre Ausgangssignale zur Folge hat. Dies kann als eine kombinierte Symmetrier- und Verstärkerendstufe gesehen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verstärkerendstufe eine Mehrzahl von Doppelgatterbausteinen auf. Hierbei sind in einem Baustein zwei invertierende Gatter (bzw. Buffer) oder zwei nicht-invertierende Gatter (bzw. Buffer) zusammengefasst, was Platz und Kosten spart. Auch Doppelgatterbausteine mit je einem invertierenden und nicht-invertierenden Gatter sind möglich, wenn sie in der Verstärkerendstufe so verschaltet werden, dass diese dann zwei komplementäre Ausgangssignale vorzugsweise gleicher Leistung liefert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verstärkerendstufe vier Doppelgatterbausteine auf.
Dabei enthält die eine Hälfte der Verstärkerendstufe zwei invertierende Doppelgatterbausteine und die andere Hälfte zwei nicht-invertierende Doppelgatterbausteine.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform stellt die Vorverstärkerstufe zwei zueinander komplementäre Steuersignale für die Verstärkerendstufe bereit. Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht die Verstärkerendstufe aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil, wobei der erste Teil und der zweite Teil vorzugsweise die gleiche Anzahl an Gatterbausteinen vom gleichen Gattertyp aufweist. Dann ist die Verstärkerendstufe aus Gatterbausteinen vom gleichen Typ gebildet.
Gemäß dieser Ausführungsform dient die Vorverstärkerstufe zur Symmetrierung des eingespeisten Signals. Das eingespeiste Signal kann durch einen Oszillator erzeugt werden. Dieser Oszillator kann Teil der Sendeverstärkeranordnung sein.
Zur Bereitstellung eines komplementären Ansteuersignales kann beispielsweise auch ein FlipFlop mit nicht invertierendem Q1-Ausgang und invertierendem Q2-Ausgang verwendet werden. Da ein solches FlipFlop die Eingangsfrequenz halbiert, kann in dieser Ausführungsform der Oszillator so ausgestaltet sein, dass er bei der doppelten Betriebsfrequenz schwingt. Das FlipFlop kann anstelle einer Vorverstärkerstufe mit zwei komplementären Ausgängen eingefügt sein. Da die Ausgänge des FlipFlops grundsätzlich komplementär zueinander sind, müssen die beiden Hälften der folgenden Verstärkerendstufe gleichartig ausgebildet sein, d.h. invertierend oder nicht-invertierend. Falls die Oszillatoramplitude zur Ansteuerung des FlipFlops nicht ausreicht, kann davor noch eine Vorverstärkerstufe mit einem Ausgang angebracht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorverstärkerstufe mindestens einen invertierenden Gatterbaustein und einen nicht-invertierenden Gatterbaustein auf, um das Oszillator oder Sendesignal der Verstärkerendstufe komplementär bereitzustellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die symmetrierende Vorverstärkerstufe eine Umwegleitung zur Laufzeitkompensation der Gatterbausteine auf. Diese Umwegleitung kann auch aus passiven, diskreten Bauelementen bestehen.
Um einen Laufzeitunterschied zwischen den zwei verschiedenen Gattern auszugleichen, kann dieser mittels einer Umwegleitung oder anderen passiven Komponenten kompensiert werden.
Der Sendeverstärker kann bei Verwendung schneller Gatterfamilien einen Wirkungsgrad des Sendesignals von bis zu 90% erreichen. Dies gilt für einen Frequenzbereich bis zu 100MHz. Bei wesentlich höheren Frequenzen kann möglicherweise der Wirkungsgrad von 90% nicht mehr erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein System zum Laden von Batterien vorgeschlagen. Das System zum Laden von Batterien weist ein drahtloses Übertragungssystem mit einem wie oben beschriebenen Sendeverstärker auf. Der Sendeverstärker kann dabei für verschiedene Sensoranwendungen eingesetzt werden.
Wie oben erläutert kann der Sendeverstärker in einem System zum kontaktlosen Laden von Batterien, beispielsweise von Batterien eines Elektrofahrzeugs, für periphere Anwendungen, z.B. Sicherheitsmonitoring, eingesetzt werden. Der Sendeverstärker wird dabei nicht für das Laden von Batterien selbst eingesetzt, sondern vielmehr für Sensor- und/oder Peripherieanwendungen, die bei einem System zum Laden von Batterien anfallen.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Sendeverstärkers zum Verstärken eines Signals in einem drahtlosen Übertragungssystem;
2 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Sendeverstärkers zum Verstärken eines Signals in einem drahtlosen Übertragungssystem; und
3 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform eines FlipFlops zur Symmetrierung eines Signals.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Sendeverstärkers 100 zum Verstärken eines Signals in einem drahtlosen Übertragungssystem. Die komplementären Ausgangssignale werden hierbei durch unterschiedliche Gattertypen in den beiden Hälften einer Verstärkerendstufe 20 realisiert.
Der Sendeverstärker 100 weist eine Vorverstärkerstufe mit nur einem Ausgang auf.
Die Schaltverstärkerendstufe oder Verstärkerendstufe 20 kann aus einer Mehrzahl von Gatterbausteinen 21 gebildet werden. Die Gatterbausteine 21 können beispielweise CMOS Gatterbausteine sein.
Der Sendeverstärker 100 ist dazu eingerichtet, ein Eingangssignal zu verstärken und als verstärktes Ausgangssignal an den beiden Ausgängen der Verstärkerendstufe 20 bereitzustellen.
Durch die Verwendung von Gatterbausteinen 21 kann der Sendeverstärker 100 als Schaltverstärker kompakt, günstig und mit einem hohen Wirkungsgrad von ca. 90% realisiert werden.
Der Sendeverstärker 100 weist des Weiteren zur Ansteuerung einen Oszillator 1 und zur Auskopplung eine Impedanzanpassung 2 und eine erdsymmetrische Sendeantenne 3 auf. Diese Elemente werden unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert. Die Impedanzanpassung kann auch eine Tiefpassfilterung mit beinhalten, um bei Bedarf die Harmonischen des rechteckförmigen Ausgangssignals zu unterdrücken.
Ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung eines Sendeverstärkers 100 unter Verwendung von Gatterbausteinen ist in 2 gezeigt. Die komplementäre Ansteuerung wird hierbei durch unterschiedliche Gatter in der Vorverstärkerstufe 10 realisiert. Die Verstärkerendstufe 20 wird dabei mit gleichen Gattern realisiert, die gegenphasig in zwei Hälften angesteuert werden können.
Ein Oszillator 1 stellt ein Signal an die Vorverstärkerstufe 10 bereit. Die symmetrierende Vorverstärkerstufe 10 wird hier durch zwei unterschiedliche Gatterbausteine 11 gebildet. Beispielsweise ist ein Gatterbaustein 11 invertierend und ein Gatterbaustein 11 nicht-invertierend.
Die Vorverstärkerstufe 10 dient dazu, das Signal von dem Oszillator 1 der Verstärkerendstufe 20 komplementär bereitzustellen. Diese Verstärkerendstufe 20 besteht z.B. aus vier Doppelgatterbausteinen 22 gleichen Typs. Eine andere Anzahl von Doppelgatterbausteinen 22 ist ebenfalls möglich, wobei in jeder Verstärkerhälfte vorzugsweise die gleiche Anzahl von Gattern Verwendung finden soll. Wenn insgesamt eine ungerade Zahl von Doppelgatterbausteinen vorgesehen ist, so sollte bei einem dieser Bausteine das eine Gatter der einen Verstärkerhälfte und das andere der anderen Verstärkerhälfte zugeschlagen werden.
Die beiden Verstärkerendstufenausgänge werden über eine Impedanzanpassung 2 an die Sendeantenne 3 angeschlossen. Die Impedanzanpassung 2 dient dazu, einen Impedanzunterschied zwischen dem Verstärker und der Sendeantenne 3 auszugleichen und gegebenenfalls Harmonische des Ausgangssignals zu unterdrücken.
Das impedanzangepasste Signal wird dann der Sendeantenne 3 zugeführt. Diese kann beispielsweise eine Butterfly-Sendeantenne sein.
Anstelle unterschiedlicher Gatterbausteine 11 (2) kann die Symmetrierstufe 10 durch ein FlipFlop gebildet werden. Ein Beispiel für ein solches FlipFlop ist in 3 gezeigt. Das FlipFlop weist dabei einen nicht-invertierten Q1-Ausgang und einen invertierten Q2-Ausgang auf.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.

Claims

Sendeverstärker (100) zum Verstärken eines Signals in einem drahtlosen Übertragungssystem, insbesondere für Sensoranwendungen, mit: einer Vorverstärkerstufe (10) und einer Verstärkerendstufe (20), die mit der Vorverstärkerstufe (10) gekoppelt ist, wobei die Verstärkerendstufe (20) aus Gatterbausteinen (21) gebildet ist und wobei die Verstärkerendstufe (20) dazu eingerichtet ist, ein eingespeistes Signal als verstärktes Ausgangssignal ausgangsseitig bereitzustellen.
Sendeverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang der Vorverstärkerstufe (10) mit einem Eingang der Verstärkerendstufe (20) gekoppelt ist oder dass zwei komplementäre Ausgänge der Vorverstärkerstufe mit zwei Eingängen der Verstärkerendstufe gekoppelt sind.
Sendeverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatterbausteine (21) CMOS-Gatterbausteine sind.
Sendeverstärker nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerendstufe (20) ein Schaltverstärker ist.
Sendeverstärker nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverstärkerstufe (10) eine Symmetrierstufe ist und dazu eingerichtet ist, ein komplementäres Steuersignal für die Verstärkerendstufe (20) bereitzustellen.
Sendeverstärker nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerendstufe (20) aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil besteht, wobei der erste Teil und der zweite Teil Gatterbausteine vom gleichen Gattertyp aufweisen.
Sendeverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil und der zweite Teil die gleiche Anzahl an Gatterbausteinen vom gleichen Gattertyp aufweisen.
Sendeverstärker nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverstärkerstufe (10) einen Ausgang für die Ansteuerung der Verstärkerendstufe aufweist.
Sendeverstärker nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerendstufe (20) aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil besteht, wobei der erste Teil und der zweite Teil Gatterbausteine vom ungleichen Gattertyp aufweisen.
Sendeverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil und der zweite Teil die gleiche Anzahl an Gatterbausteinen vom ungleichen Gattertyp aufweisen.
Sendeverstärker nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatterbausteine Doppelgatterbausteine (22) sind.
Sendeverstärker nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverstärkerstufe zur Symmetrierung eine Mehrzahl von Gatterbausteinen (11) aufweist.
Sendeverstärker nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverstärkerstufe mindestens einen invertierenden Gatterbaustein (11) und einen nicht-invertierenden Gatterbaustein (11) aufweist.
Sendeverstärker nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverstärkerstufe eine Umwegleitung zur Laufzeitkompensation der Gatterbausteine aufweist.
System zum Laden von Batterien, mit: einem drahtlosen Übertragungssystem, welches einen Sendeverstärker (100) nach einem der Ansprüche 1–14 aufweist, wobei der Sendeverstärker (100) für Peripherieanwendungen beim Laden einer Batterie verwendet wird.