TWI795189B

TWI795189B - 無線數據傳輸系統、傳送模組及接收模組

Info

Publication number: TWI795189B
Application number: TW111102867A
Authority: TW
Inventors: 陳柏宏; 徐緯勳; 柯明道
Original assignee: 國立陽明交通大學
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2023-03-01
Also published as: TW202332164A

Abstract

本發明關於一種無線數據傳輸系統，包含提供能量的一傳送模組及接收能量的一接收模組。傳送模組包含一數據調變器、與數據調變器電性連接的一直流對直流轉換器、與直流對直流轉換器電性連接的一功率放大器以及與該功率放大器連接的一傳送單元。接收模組包含與傳送單元進行電磁共振或電磁感應的一接收單元、與接收單元電性連接的一主動式穩壓整流器以及與主動式穩壓整流器電性連接的一數據解調器。

Description

無線數據傳輸系統、傳送模組及接收模組

本發明係關於一種數據傳輸技術，特別是一種無線數據傳輸技術。

隨著技術發展，目前已發展出透過無線充電技術進行數據傳輸的相關應用，例如生醫裝置，其可同時進行無線充電及數據傳輸。然而現有技術仍有諸多缺點，舉例來說，振幅偏移調變(ASK)或開關調變技術(OOK)會透過偵測無線充電的接收端線圈上的電壓振幅變化來進行資料解調，但此技術無法供穩定的電壓以供負載進行充電，因此大幅地限制了接收端的整體效率。PSK透過偵測電壓的相位變化來進行資料傳輸，但需要複雜的電路才能對資料進行解調，有設計難度高及成本高的問題。FSK藉由偵測頻率改變來進行資料傳輸，但其資料在傳輸時常會偏移預設的線圈共振頻率，導致傳輸功率下降。因此，這些缺點會對相關應用造成影響，例如導致生醫裝置的效率低落。

因此，需要一種新的無線數據傳輸系統、用於無線數據傳輸系統的傳送模組及用於無線數據傳輸系統的接收模組來改善上述問題。

本發明提供一種無線數據傳輸系統、用於無線數據傳輸系統的傳送模組及用於無線數據傳輸系統的接收模組，透過採用工作週期偏移調變技術(duty shift keying，DSK)調整能量的傳輸功率，進而實現數據的傳輸，且無線數據傳輸系統可藉由簡易的電路達成整流及穩壓功能，並可提升傳輸的效率。

無線數據傳輸系統包含：一傳送模組及一接收模組，其中傳送模組用於提供一傳輸能量，接收模組用於接收該傳輸能量。傳送模組包含一數據調變器、與數據調變器電性連接的一直流對直流轉換器、與直流對直流轉換器電性連接的一功率放大器以及與功率放大器連接的一傳送單元。接收模組包含與傳送單元進行電磁共振或電磁感應的一接收單元、與接收單元電性連接的一主動式穩壓整流器以及與主動式穩壓整流器電性連接的一數據解調器。

用於無線數據傳輸系統的傳送模組包含：一數據調變器、與數據調變器電性連接的一直流對直流轉換器、與直流對直流轉換器電性連接的一功率放大器以及與功率放大器連接的一傳送單元。其中，無線數據傳輸系統包含一接收模組，接收模組包含一接收單元、與接收單元電性連接的一主動式穩壓整流器以及與主動式穩壓整流器電性連接的一數據解調器。其中，傳送模組用於提供傳輸能量，接收模組用於接收傳輸能量，且傳送單元與接收單元進行電磁共振或電磁感應。

用於無線數據傳輸系統的接收模組包含：一接收單元、與接收單元電性連接的一主動式穩壓整流器、與主動式穩壓整流器電性連接的數據解調器。其中，無線數據傳輸系統包含一傳送模組，傳送模組包含一數據調變器、與數據調變器電性連接的一直流對直流轉換器、與直流對直流轉換器電性連接的一功率放大器以及與功率放大器連接的一傳送單元。其中，傳送模組用於提供傳輸能量，接收模組用於接收傳輸能量，且傳送單元與接收單元進行電磁共振或電磁感應。

從下列的詳細描述並結合附圖，本發明的其他的新穎特徵將變得更為清楚。

1:無線數據傳輸系統

2:傳送模組

3:接收模組

4:數據來源

5:負載

21:數據調變器

22:直流對直流轉換器

23:功率放大器

24:傳送單元

31:接收單元

32:主動式穩壓整流器

33:數據解調器

321:橋式整流器

322:遲滯窗產生器

323:遲滯窗比較器

324:模式切換器

331:第一計數器

332:第二計數器

333:暫存器

334:比較器

335:邏輯閘

C1:第一電容元件

L1:第一電感元件

C2:第二電容元件

L2:第二電感元件

Φ_IN:輸入訊號

Φ_OUT:輸出訊號

VIN:電壓源

V_PA:直流電壓

V_AC1:第一交流電壓

V_AC2:第二交流電壓

V_OUT:輸出電壓

V_REF,H:遲滯窗上界

V_REF,L:遲滯窗下界

S0:第一控制訊號

S1:放電通知訊息

S2:充電通知訊息

圖1是本發明一實施例的無線數據傳輸系統的系統架構圖。

圖2是本發明一實施例的主動式穩壓整流器的結構示意圖。

圖3是本發明一實施例的數據解調器的結構示意圖。

圖4是本發明一實施例的主動式穩壓整流器及數據解調器運作時的訊號時序圖。

當結合附圖閱讀時，下列實施例用於清楚地展示本發明的上述及其他技術內容、特徵及/或效果。透過具體實施方式的闡述，人們將進一步瞭解本發明所採用的技術手段及效果，以達到上述的目的。此外，由於本發明所揭示的內容應易於理解且可為本領域技術人員所實施，因此，所有不脫離本發明的概念的相等置換或修改應包含在權利要求中。

應注意的是，在本文中，除了特別指明者之外，「一」元件不限於單一的該元件，還可指一或更多的該元件。

此外，說明書及權利要求中例如「第一」或「第二」等序數僅為描述所請求的元件，而不代表或不表示所請求的元件具有任何順序的序數，且不是所請求的元件及另一所請求的元件之間或製造方法的步驟之間的順序。這些序數的使用僅是為了將具有特定名稱的一個請求元件與具有相同名稱的另一請求元件區分開來。

此外，說明書及權利要求中例如「相鄰」一詞是用於描述相互鄰近，不必然表示相互接觸。

此外，本發明中關於“當...”或“...時”等描述表示”當下、之前或之後”等態樣，而不限定為同時發生之情形，在此先行敘明。本發明中關於“設置於...上”等類似描述係表示兩元件的對應位置關係，並不限定兩元件之間是否有所接觸，除非特別有限定，在此先行敘明。再者，本發明記載多個功效時，若在功效之間使用“或”一詞，係表示功效可獨立存在，但不排除多個功效可同時存在。

此外，說明書及權利要求中例如「連接」或「耦接」一詞不僅指與另一元件直接連接，也可指與另一元件間接連接或電性連接。另外，電性連接包含直接連接、間接連接或二元件間以無線電信號交流的態樣。

此外，說明書及權利要求中，「約」、「大約」、「實質上」、「大致上」之用語通常表示在一值與一給定值的差距在該給定值的10%內，或5%內，、或3%之內、，或2%之內、，或1%之內、，或0.5%之內的範圍。在此給定的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」、「大約」、「實質上」、「大致上」的情況下，仍可隱含「約」、「大約」、「實質上」、「大致上」之含義。此外，用語「範圍為第一數值至第二數值」、「範圍介於第一數值至第二數值之間」表示所述範圍包含第一數值、第二數值以及它們之間的其它數值。

此外，各元件可以適合的方式來實現成單一電路或一積體電路，且可包括一或多個主動元件，例如，電晶體或邏輯閘，或一或多個被動元件，例如，電阻、電容、或電感，但不限於此。各元件可以適合的方式來彼此連接，例如，分別配合輸入信號及輸出信號，使用一或多條線路來形成串聯或並聯。此外，各元件可允許輸入信號及輸出信號依序或並列進出。上述組態皆是依照實際應用而定。

此外，在本文中，「系統」、「設備」、「裝置」、「模組」、或「單元」等用語，是指一電子元件或由多個電子元件所組成的一數位電路、一類比電路、或其他更廣義電路，且除了特別指明者之外，它們不必然有位階或層級關係。

此外，本發明所揭示的不同實施例的技術特徵可結合形成另一實施例。

圖1是本發明一實施例的無線數據傳輸系統1的系統架構圖。如圖1所示，無線數據傳輸系統1包含一傳送模組2及一接收模組3。傳送模組2可用於傳送一傳輸能量。接收模組3可用於接收傳輸能量。傳送模組2與接收模組3之間可透過無線充電技術來傳輸該傳輸能量，其中無線充電技術可例如是電磁共振或電磁感應，但不限於此。

關於傳送模組2的架構。在一實施例中，傳送模組2可包含一數據調變器21、一直流對直流轉換器22、一功率放大器23及一傳送單元24。直流對直流轉換器22可與數據調變器21電性連接。功率放大器23可與直流對直流轉換器22電性連接。傳送單元24可與功率放大器23電性連接。此外，數據調變器21可與傳送模組2外部的一數據來源4電性連接。直流對直流轉換器22可與傳送模組2外部的一能量來源電性連接，能量來源例如但不限於是一電壓源VIN。另外，在一實施例中，傳送單元24可包含一第一電容元件C1及一第一電感元件L1，但不限於此。

關於接收模組3的架構。在一實施例中，接收模組3可包含一接收單元31、一主動式穩壓整流器32及一數據解調器33。主動式穩壓整流器32可與接收單元31電性連接。數據解調器33可與主動式穩壓整流器32電性連接。主動式穩壓整流器32亦可與一負載5電性連接。此外，傳送模組2的傳送單元24可與接收模組3的接收單元31進行電磁共振。另外，在一實施例中，接收單元31可包含一第二電容元件C2及一第二電感元件L2，但不限於此。

關於傳送模組2與接收模組3的運作。在一實施例中，數據來源4可提供一輸入訊號Φ_IN，其中輸入訊號Φ_IN可例如是一數位訊號，其數據類型為“0”或“1”，但不限於此；為方便說明，以下皆以數位訊號來舉例。數據調變器21可接收輸入訊號Φ_IN，並根據輸入訊號Φ_IN的目前數據，調整直流對直流轉換器22的工作週期(duty cycle)。直流對直流轉換器22可根據負載5的需求提供一直流電壓V_PA。功率放大器23可將來自直流對直流轉換器22的直流電壓V_PA轉換為一第一交流電壓V_AC1。傳送單元24可利用第一交流電壓V_AC1產生傳輸能量，並透過第一電感元件L1傳送傳輸能量至接收單元31。

在一實施例中，接收單元31可透過第二電感元件L2接收該傳輸能量，並將該傳輸能量轉換為一第二交流電壓V_AC2，其中第二交流電壓V_AC2與第一交流電壓V_AC1可相同或不同。主動式穩壓整流器32可取得第二交流電壓V_AC2，並對第二交流電壓V_AC2進行整流及穩壓，進而提供一輸出電壓V_OUT。負載5可接收輸出電壓V_OUT，並利用輸出電壓V_OUT對自身進行充電或是將輸出電壓V_OUT提供至後端電路(圖未顯示)進行後續處理，後續處理可例如是對其它裝置進行充電等，且不限於此。此外，數據解調器33可根據輸出電壓V_OUT輸出一輸出訊號Φ_OUT。

本發明的特色之一在於，數據調變器21可根據輸入訊號Φ_IN的一數據，調整直流對直流轉換器22的工作週期，進而改變傳輸能量的傳輸功率。舉例來說，當輸入訊號Φ_IN的數據為“0”時，數據調變器21可將直流轉換器22的工作週期調整為一第一週期，進而使傳輸能量具備一第一傳輸功率。當輸入訊號Φ_IN的數據為“1”時，數據調變器21可將直流轉換器22的工作週期調整為一第二週期，進而使傳輸能量具備一第二傳輸功率。在一實施例中，第二傳輸功率(對應輸入訊號Φ_IN的數據“1”)可設定為大於第一傳輸功率(對應輸入訊號Φ_IN的數據“0”)，但不限於此。

本發明的特色之一在於，主動式穩壓整流器32具備一充電模式(1X mode，標示於圖2)及一放電模式(0X mode，標示於圖2)，其中充電模式(1X mode)與放電模式(0X mode)交替進行。於充電模式(1X mode)，主動式穩壓整流器32可提供輸出電壓V_OUT至負載5。於放電模式(0X mode)，主動式穩壓整流器32停止或逐漸停止提供輸出電壓V_OUT至負載5。其中，充電模式(1X mode)可對應一充電期間T_1X(n)(標示於圖3)，放電模式(0X mode)可對應一放電期間T_0X(標示於圖3)，且充電期間的長短與傳輸能量的傳輸功率相關聯，例如當傳輸能量的傳輸功率較大時，充電期間較短，而當傳輸能量的傳輸功率較小時，充電期間較長。在一實施例中，充電模式(1X mode)與放電模式(0X mode)的切換是以回授(feedback)的輸出電壓V_OUT做為依據。藉由充電模式(1X mode)與放電模式(0X mode)的交替進行，主動式穩壓整流器32可對第二交流電壓V_AC2及輸出電壓V_OUT進行穩壓。

本發明的特色之一在於，數據解調器33可根據充電期間T_1X(n)的長短，調整輸出訊號Φ_OUT的一數據。在一實施例中，數據解調器33可將本次充電期間T_1X(n)與前次充電期間T_1X(n-1)(標示於圖3)進行比較。當兩者實質上相同時，數據解調器33可輸出與前次相同的數據，而當兩者相異時，則數據解調器33可輸出與前次輸出相異的數據。由於充電期間長短是基於傳輸能量的傳輸功率，而傳輸功率是基於輸入訊號Φ_IN的數據，因此輸出訊號Φ_OUT可還原輸入訊號Φ_IN的每個時序的數據。

接著說明主動式穩壓整流器32及數據解調器33的內部結構與運作細節，請同時參考圖1至圖4。圖2是本發明一實施例的主動式穩壓整流器32的結構示意圖。圖3是本發明一實施例的數據解調器33的結構示意圖。圖4是本發明一實施例的主動式穩壓整流器32及數據解調器33運作時的訊號時序圖。

如圖2所示，主動式穩壓整流器32的內部結構可包含一橋式整流器321、一遲滯窗(hysteresis window)產生器322、一遲滯窗比較器323及一模式切換器324。在一實施例中，接收單元31可電性連接至橋式整流器321。橋式整流器321可電性連接至負載5及遲滯窗比較器323的一輸入端。遲滯窗產生器322可電性連接至遲滯窗比較器323的另外二輸入端。遲滯窗比較器323的一輸出端可電性連接至模式切換器324。模式切換器324可電性連接至橋式整流器321及數據解調器33。

如圖3所示，數據解調器33的內部結構可包含一第一計數器331、一第二計數器332、一暫存器333、一比較器334及一邏輯閘335。在一實施例中，主動式穩壓整流器32電性連接至第一計數器331及第二計數器332。第一計數器331電性連接至第二計數器332。第二計數器332連接至暫存器333及比較器334的一輸出端。暫存器333電性連接至比較器334的另一輸入端。比較器334的一輸出端電性連接至邏輯閘335。

接著說明主動式穩壓整流器32的運作。

如圖1及圖2所示，接收單元31接收來自傳送單元24的能量，並將能量轉換為第二交流電壓V_AC2。橋式整流器321可在充電模式(1X mode)及放電模式(0X mode)下進行切換，以對第二交流電壓V_AC2進行整流及穩壓，並提供輸出電壓V_OUT至負載5及遲滯窗比較器323的輸入端。遲滯窗產生器322可預設一遲滯窗上界V_REF,H及一遲滯窗下界V_REF,L，並分別將遲滯窗上界V_REF,H及遲滯窗下界V_REF,L輸入至遲滯窗比較器323的另外二輸入端。遲滯窗比較器323可將輸出電壓V_OUT的電壓值分別與遲滯窗上界V_REF,H及遲滯窗下界V_REF,L進行比較，並根據比較結果輸出一第一控制訊號S0至模式切換器324。模式切換器324可根據比較結果控制橋式整流器321切換為充電模式(1X mode)或放電模式(0X mode)，此外，當模式切換器324控制橋式整流器321進行模式切換時，模式切換器324亦可傳送一放電通知訊息S1或一充電通知訊息S2至數據解調器33。在一實施例中，橋式整流器321預設為進行放電模式(0X mode)，但不限於此。

如圖2及圖4所示，在一實施例中，當輸出電壓V_OUT的電壓值小於或等於遲滯窗下界V_REF,L時，模式切換器324可控制橋式整流器321切換為充電模式(1X mode)。在充電模式(1X mode)下，橋式整流器321可對負載5進行充電，而隨著充電時間經過，輸出電壓V_OUT的電壓值逐漸提升。當輸出電壓V_OUT的電壓值大於或等於遲滯窗上界V_REF,H時，模式切換器324可控制橋式整流器321切換為放電模式(0X mode)。在放電模式(0X mode)下，橋式整流器321停止對負載5供電，隨著充電時間經過，負載5對輸出電壓V_OUT進行抽載，使得輸出電壓V_OUT的電壓值逐漸下降。

在一實施例中，於充電模式(1X mode)時，橋式整流器321可形成一全波整流器，以對第二交流訊號V_AC2及輸出電壓V_OUT進行全波整流，但不限於此。於放電模式(0X mode)時，橋式整流器321可形成一單向封閉迴路，以對第二交流訊號V_AC2及輸出電壓V_OUT進行短路連接，但不限於此。

藉此，主動式穩壓整流器32可具備穩壓及整流的功能。

接著說明數據解調器33的運作。

如圖3所示，當主動式穩壓整流器32切換為放電模式(0X mode)時，主動式穩壓整流器32傳送放電通知訊息S1至第一計數器331。第一計數器331計算放電模式(0X mode)的進行期間(亦即放電期間T_0X)，並將計算結果傳送至第二計數器332，其中第二計數器332將放電期間T_0X設定為計算充電模式(1X mode)的進行期間(亦即充電期間T_1X(n))的依據。而當主動式穩壓整流器32由放電模式(0X mode)切換為充電模式(1X mode)時，主動式穩壓整流器32傳送充電通知訊息 S2至第二計數器332。第二計數器332計算充電期間T_1X(n)，並將計算結果傳送至暫存器333及比較器334。暫存器333傳送前次充電期間T_1X(n-1)的資訊至比較器334的另一輸入端。比較器334將本次充電期間T_1X(n)與前次充電期間T_1X(n-1)進行比較。當本次充電期間T_1X(n)與前次充電期間T_1X(n-1)實質上相等時，比較器334控制邏輯閘335輸出與前次輸出相同的數據。當本次充電期間T_1X(n)與前次充電期間T_1X(n-1)實質上不相等時，比較器334控制邏輯閘335輸出與前次輸出不同的數據。

更詳細地，如圖3及圖4所示，以第三個充電期間T_1X(3)為例，由於第三個充電期間T_1X(3)小於第二充電期間T_1X(2)，因此第三個充電期間T_1X(3)對應的輸出訊號Φ_OUT的數據“1”與第二個充電期間T_1X(2)對應的輸出訊號Φ_OUT的數據“0”不同。又以第四個充電期間T_1X(4)為例，由於第四個充電期間T_1X(4)相等於第三充電期間T_1X(3)，因此第四個充電期間T_1X(4)對應的輸出訊號Φ_OUT的數據“1”與第三個充電期間T_1X(3)對應的輸出訊號Φ_OUT的數據“1”相同。

在一實施例中，如圖1及圖4所示，當輸入訊號Φ_IN的數據“1”設定為對應較高的傳輸功率，而輸入訊號Φ_IN的數據“0”設定為對應較低的傳輸功率時，由於較高的傳輸功率意指所需的充電期間T_1X(n)較短，因此當本次充電期間T_1X(n)小於前次充電期間T_1X(n-1)時，本次輸出訊號Φ_OUT對應的數據將會是“1”，例如圖4中第三個充電期間T_1X(3)所對應的輸出訊號的數據為“1”，而當本次充電期間T_1X(n)大於前次充電期間T_1X(n-1)時，本次輸出訊號Φ_OUT對應的數據將會是“0”，例如圖4中第五個充電期間T_1X(5)所對應的輸出訊號的數據為“0”。需注意的是，在其它實施例中，輸入訊號Φ_IN的數據“1”亦可設定為對應較低的較高的傳輸功率，而輸入訊號Φ_IN的數據“0”亦可設定為對應較高的較高的傳輸功率。

藉此，數據解調器33可輸出與輸入訊號Φ_IN相同的輸出訊號Φ_OUT。在一實施例中，無線數據傳輸系統1可應用於生醫裝置、植入式生醫裝置、穿戴式裝置、或車用無線充電應用上，且不限於此。

藉此，本發明提供了改良的無線數據傳輸系統1、傳送模組2及接收模組3，可解決現有技術的問題。

此外，本發明各實施例間的特徵只要不違背發明精神或相衝突，均可任意混合搭配使用。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。