一种无线能量传输系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种无线能量传输系统，通过开关对接收电路进行储能模式和放电模式的切换，当开关闭合时，负载被短路，且次级谐振电路处于储能模式，当开关断开时，负载接入，且次级谐振电路处于放电模式，并将其储存的能量释放给负载；实现将次级谐振电路作为接收电路的AC‑DC转换器的电流源输入，提高电压转换比，从而提高输出电压，更能满足高输出电压的应用要求，不需要额外的片外电容；而且通过适时关闭功率放大器，有利于节省发射能源，提高系统的传输效率，且不需要采用复杂的反馈技术或者无线通信技术，也能将接收电路的模式切换信号返回到发射电路中，大大降低系统复杂度。

A wireless energy transmission system

The utility model relates to a wireless energy transmission system, which switches the energy storage mode and discharge mode of the receiving circuit through the switch. When the switch is closed, the load is short circuited and the secondary resonant circuit is in the energy storage mode. When the switch is broken, the load is connected and the secondary harmonic circuit is in the discharge mode and is stored in the storage mode. The storage energy is released to the load, and the secondary resonant circuit is used as the current source of the AC DC converter of the receiving circuit to increase the voltage conversion ratio, thus to increase the output voltage, to meet the application requirements of the high output voltage, and not to require extra off chip capacitance; and it is good for the joint to close the power amplifier at the right time. The transmission efficiency of the system is enhanced by the province, and the complex feedback technology or wireless communication technology is not needed, and the mode switching signal of the receiving circuit can be returned to the transmission circuit, which greatly reduces the complexity of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种无线能量传输系统
本技术涉及无线能量传输领域，特别是涉及一种无线能量传输系统。
技术介绍
像无线通信技术一样摆脱有形介质的束缚，实现无线能量的传输一直也是人类的追求。19世纪末，NikolaTesla便开始无线能量传输的研究，他用一个电场点亮了一个气体放电管，证明了无线能量传输是有可能的，并预言：几十年后人类将彻底解决无线供电问题。近年来，随着无线传输和电磁学理论的不断发展和完善，尤其是基于磁耦合谐振式的无线能量传输技术迅速发展起来，使无线能量传输技术成为国内外学者研究的热点之一。该技术已经被广泛应用于电动汽车充电、便携式/穿戴式电子设备、医疗设备、水下作业、现代农业等领域，具有广阔的市场空间和实际的应用价值。目前，已有的谐振式无线能量传输系统通过片上AC-DC转换器，如全波整流器、半波整流器、倍压器和AC-DC转换器等，将次谐振回路(由电感和电容构成)接收到的交流电压VR转化为直流电压VOUT供给负载，实现对负载的供电。为了提高转换效率，采用MOS晶体管和高速比较器构成的有源二极管进行整流，由于二极管的存在导通压降，导致输出的直流电压VOUT仍然VR比略低。因此，为了提高电压转换的比值VOUT/VR，增大输出电压，已有技术采用AC-DC多倍压整流器或DC-DC电荷泵实现，但是，会增加系统面积和接收机的复杂度；并由于其将次级谐振电路作为AC-DC转换电路的电压源输入，也大大限制了负载上的最大输出电压的大小。
技术实现思路
为解决上述现有技术的缺点和不足，本技术提供了一种无线能量传输系统，通过开关对接收电路进行储能模式和放电模式的切换，当开关闭合时，负载被短路，且次级谐振电路处于储能模式，当开关断开时，负载接入，且次级谐振电路处于放电模式，并将其储存的能量释放给负载；实现将次级谐振电路作为接收电路的AC-DC转换器的电流源输入，提高电压转换比，从而提高输出电压，更能满足高输出电压的应用要求，不需要额外的片外电容；而且通过适时关闭功率放大器，有利于节省发射能源，提高系统的传输效率，且不需要采用复杂的反馈技术或者无线通信技术，也能将接收电路的模式切换信号返回到发射电路中，大大降低系统复杂度。一种无线能量传输系统，包括发射电路和接收电路；所述发射电路包括供电电路、栅极驱动控制电路、功率放大器、初级谐振电路和数据检测单元；所述供电电路为所述栅极驱动控制电路和所述功率放大器供电；所述功率放大器的输入端与所述栅极驱动控制电路的输出端电连接，输出端与所述初级谐振电路串接；且所述功率放大器用于对输入信号进行放大处理，并输出到所述初级谐振电路中；所述初级谐振电路用于将能量发射到所述接收电路；所述数据检测单元用于感应初级谐振电路的初级电流变化，并根据初级电流和预输入的门限电压处理得到功率通断控制信号，并输出至所述栅极驱动控制电路，由所述栅极驱动控制电路根据所述功率通断控制信号控制所述功率放大器的工作状态；以及，所述接收电路包括次级谐振电路、AC-DC转换器、储能控制单元和电流检测单元；所述次级谐振电路与所述初级谐振电路通过磁场耦合，接收由所述初级谐振电路发射的能量；所述AC-DC转换器的输入端与所述次级谐振电路的输出端电连接，输出端用于接入负载；所述储能控制单元并联连接于所述次级谐振电路和AC-DC转换器之间；所述电流检测单元用于检测次级谐振电路的次级电流大小，并根据次级电流和预设的电流峰值处理得到负载通断控制信号，并输出至所述储能控制单元，通过储能控制单元控制负载的接入或短路；当电流检测单元检测到的次级电流小于预设的电流峰值时，储能控制单元控制负载短路，能量存储在次级谐振电路中，而不释放到负载上；且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器导通；当电流检测单元检测到的次级电流等于或大于预设的电流峰值时，储能控制单元控制负载接入，能量从次级谐振电路释放到负载上；且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器截止；当电流检测单元检测到的次级电流从预设的电流峰值下降至零时，储能控制单元控制负载短路，且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器再次导通。相对于现有技术，本技术通过开关对接收电路进行储能模式和放电模式的切换，当开关闭合时，负载被短路，且次级谐振电路处于储能模式，当开关断开时，负载接入，且次级谐振电路处于放电模式，并将其储存的能量释放给负载；实现将次级谐振电路作为接收电路的AC-DC转换器的电流源输入，提高电压转换比，从而提高输出电压，更能满足高输出电压的应用要求，不需要额外的片外电容；而且通过适时关闭功率放大器，有利于节省发射能源，提高系统的传输效率，且不需要采用复杂的反馈技术或者无线通信技术(如蓝牙、Zigbee和UWB等)，而是直接通过感应初级谐振电路所在的谐振回路中的电流变化，即能将接收电路的模式切换信号返回到发射电路中，从而控制功率放大器的通断，大大降低系统复杂度。此外，除了初级线圈和次级线圈外，整个无线能量传输系统和下述的无线能量传输系统方法可以完全用集成电路CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)工艺实现，很适合集成于SOC(systemonchip)芯片，具有良好的推广价值和研究意义。进一步，所述供电电路由电池和电池管理单元组成。通过此处限定，实现电池的管理，能够合理应用电池，节省用电。进一步，所述栅极驱动控制电路由栅极驱动电路和死区时间控制电路组成；所述功率放大器为D类功率放大器；所述初级谐振电路包括初级谐振电容和初级谐振电感；所述数据检测单元包括感应线圈和电流传感器；所述栅极驱动电路的电源输入端与所述供电电路的电源输出端电连接，输出端与所述D类功率放大器的输入端电连接，控制端与所述死区时间控制电路的输出端电连接；所述功率放大器的电源输入端与所述供电电路的电源输出端电连接，其中一输出端与初级谐振电容的一端串接，另一输出端与初级谐振电感一端串接并共地；所述初级谐振电容的另一端和所述初级谐振电感的另一端串接；所述感应线圈感应初级谐振电路的中初级电流变化，且感应线圈的感应输出端与所述电流传感器的信号输入端电连接；所述电流传感器的控制输出端与所述死区时间控制电路的输入端电连接，且所述电流传感器根据感应线圈检测得到的信号进行处理，获得功率通断控制信号，由死区时间控制电路根据该功率通断控制信号，通过栅极驱动电路控制所述D类功率放大器的导通或截止。通过上述限定，实现保证发射电路能够完成所需功能的同时，具有较为简单的结构，而进一步降低整个系统的复杂度和生产难度。进一步，所述电流传感器包括包络检波器、带通滤波器、迟滞比较器和分压器；所述包络检波器的输入端与所述感应线圈的感应输出端电连接，输出端与所述带通滤波器的输入端电连接；所述迟滞比较器的信号输入端和门限电压输入端分别与所述带通滤波器的输出端和所述分压器的输出端电连接，输出端与所述死区时间控制电路的输入端电连接；所述分压器的电源输入端与所述供电电路电源输出端电连接，且所述分压器为所述迟滞比较器提供所述门限电压；所述包络检波器对由感应线圈输入的电压信号进行包络检测处理后，由带通滤波器进行滤波处理，并输出处理后的电压信号至所述迟滞比较器；所述迟滞比较器比较接收到的电压信号和门本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线能量传输系统，其特征在于：包括发射电路和接收电路；所述发射电路包括供电电路、栅极驱动控制电路、功率放大器、初级谐振电路和数据检测单元；所述供电电路为所述栅极驱动控制电路和所述功率放大器供电；所述功率放大器的输入端与所述栅极驱动控制电路的输出端电连接，输出端与所述初级谐振电路串接；且所述功率放大器用于对输入信号进行放大处理，并输出到所述初级谐振电路中；所述初级谐振电路用于将能量发射到所述接收电路；所述数据检测单元用于感应初级谐振电路的初级电流变化，并根据初级电流和预输入的门限电压处理得到功率通断控制信号，并输出至所述栅极驱动控制电路，由所述栅极驱动控制电路根据所述功率通断控制信号控制所述功率放大器的工作状态；以及，所述接收电路包括次级谐振电路、AC‑DC转换器、储能控制单元和电流检测单元；所述次级谐振电路与所述初级谐振电路通过磁场耦合，接收由所述初级谐振电路发射的能量；所述AC‑DC转换器的输入端与所述次级谐振电路的输出端电连接，输出端用于接入负载；所述储能控制单元并联连接于所述次级谐振电路和AC‑DC转换器之间；所述电流检测单元用于检测次级谐振电路的次级电流大小，并根据次级电流和预设的电流峰值处理得到负载通断控制信号，并输出至所述储能控制单元，通过储能控制单元控制负载的接入或短路；当电流检测单元检测到的次级电流小于预设的电流峰值时，储能控制单元控制负载短路，能量存储在次级谐振电路中，而不释放到负载上；且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器导通；当电流检测单元检测到的次级电流等于或大于预设的电流峰值时，储能控制单元控制负载接入，能量从次级谐振电路释放到负载上；且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器截止；当电流检测单元检测到的次级电流从预设的电流峰值下降至零时，储能控制单元控制负载短路，且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器再次导通。...

【技术特征摘要】
1.一种无线能量传输系统，其特征在于：包括发射电路和接收电路；所述发射电路包括供电电路、栅极驱动控制电路、功率放大器、初级谐振电路和数据检测单元；所述供电电路为所述栅极驱动控制电路和所述功率放大器供电；所述功率放大器的输入端与所述栅极驱动控制电路的输出端电连接，输出端与所述初级谐振电路串接；且所述功率放大器用于对输入信号进行放大处理，并输出到所述初级谐振电路中；所述初级谐振电路用于将能量发射到所述接收电路；所述数据检测单元用于感应初级谐振电路的初级电流变化，并根据初级电流和预输入的门限电压处理得到功率通断控制信号，并输出至所述栅极驱动控制电路，由所述栅极驱动控制电路根据所述功率通断控制信号控制所述功率放大器的工作状态；以及，所述接收电路包括次级谐振电路、AC-DC转换器、储能控制单元和电流检测单元；所述次级谐振电路与所述初级谐振电路通过磁场耦合，接收由所述初级谐振电路发射的能量；所述AC-DC转换器的输入端与所述次级谐振电路的输出端电连接，输出端用于接入负载；所述储能控制单元并联连接于所述次级谐振电路和AC-DC转换器之间；所述电流检测单元用于检测次级谐振电路的次级电流大小，并根据次级电流和预设的电流峰值处理得到负载通断控制信号，并输出至所述储能控制单元，通过储能控制单元控制负载的接入或短路；当电流检测单元检测到的次级电流小于预设的电流峰值时，储能控制单元控制负载短路，能量存储在次级谐振电路中，而不释放到负载上；且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器导通；当电流检测单元检测到的次级电流等于或大于预设的电流峰值时，储能控制单元控制负载接入，能量从次级谐振电路释放到负载上；且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器截止；当电流检测单元检测到的次级电流从预设的电流峰值下降至零时，储能控制单元控制负载短路，且数据检测单元通过栅极驱动控制电路控制所述功率放大器再次导通。2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述供电电路由电池和电池管理单元组成。3.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述栅极驱动控制电路由栅极驱动电路和死区时间控制电路组成；所述功率放大器为D类功率放大器；所述初级谐振电路包括初级谐振电容和初级谐振电感；所述数据检测单元包括感应线圈和电流传感器；所述栅极驱动电路的电源输入端与所述供电电路的电源输出端电连接，输出端与所述D类功率放大器的输入端电连接，控制端与所述死区时间控制电路的输出端电连接；所述功率放大器的电源输入端与所述供电电路的电源输出端电连接，其中一输出端与...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄沫，刘洋，李斌，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44