基于过零比较的自谐振、超静音无线供电系统技术方案

本发明专利技术涉及电能传输领域，为实现谐振频率的自动跟踪，提升供电功率和效率，降低对外电磁干扰。本发明专利技术，基于过零比较的自谐振、超静音无线供电系统，包括：电源、扼流圈、电容、发射线圈、磁芯、接收线圈、全波整流桥、稳压电容、谐振电容、耦合器、零点检测器、D触发器、脉冲宽度调制PWM信号发生器、或门、反相器、开关组成，电源与扼流圈的第一个引脚连接，扼流圈的第二个引脚与电容的第一个引脚连接，电容的第二个引脚接地；扼流圈的第二个引脚与发射线圈的中心抽头连接，发射线圈通过磁芯与接收线圈耦合。本发明专利技术主要应用于超静音无线供电系统设计制造场合。

Self-resonant and super-silent wireless power supply system based on zero-crossing comparison

【技术实现步骤摘要】
基于过零比较的自谐振、超静音无线供电系统
本专利技术涉及电能传输领域，尤其是涉及非接触式供电领域。
技术介绍
旋转测量设备例如激光雷达系统、旋转机械遥测系统等在工作状态下实现水平360°扫描，传统的导线供电方式会出现导线缠绕问题，无法满足供电要求。同时，设备在工作状态下转速普遍较高，若采用接触式供电如滑环、电刷等进行供电，则系统的使用寿命将会受到限制，根据文献报道，采用滑环供电的激光雷达使用寿命约为一千小时，需要定期进行维护。为了提高其使用寿命，供电方式应选择非接触式供电。常见的非接触式供电方式有电磁耦合谐振无线供电和感应耦合无线供电，磁耦合谐振式无线供电的优势在于能够将电能传送至较远距离，但磁耦合谐振无线供电方式效率低、电磁干扰大，并且当传输功率较大时，线圈的尺寸也较大，不利于集成化。与此同时，在上述应用中，供电距离并不大，约为1mm，因此本系统可以进一步降低发射线圈和接收线圈的距离，转而采用感应耦合的方式。在采用感应耦合方式进行供电时，为了增大耦合系数、提升供电效率、降低对外电磁干扰，应引入磁芯收束线圈产生的磁力线，同时采用电流型并联谐振开关电源，并使电路工作在电路的自然频率下。根据以上原则设计的电路以其低干扰的特点，被称为超静音变换器。但在旋转设备供电的应用中，线圈距离会产生微小的变换，而由于引入磁芯，发射线圈和接受线圈处于紧耦合和松耦合之间，这些微小的距离变化会影响系统的谐振频率，使系统无法长期工作在谐振状态。传统的静音变换器一般工作在静止工况下，无法实现频率的跟踪，为了弥补这个不足，应增加频率跟踪系统，将传统的静音变换器改进为自谐振、超静音无线供电系统。而目前常用的频率跟踪方法，一般需要比较原边线圈电压和电流相位差或者原边线圈电压和副边线圈电压相位差，虽然能够实现自动调谐，但都较为复杂。为了保证该供电系统始终工作在谐振状态，降低电路复杂程度，设计一种基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统。该系统通过检测发射线圈的电压零点，调整开关电源的开关频率，实现谐振频率的自动跟踪，提升供电功率和效率，降低对外电磁干扰。为此，本专利技术采取的技术方案是，基于过零比较的自谐振、超静音无线供电系统，包括：电源、扼流圈、电容、发射线圈、磁芯、接收线圈、全波整流桥、稳压电容、谐振电容、耦合器、零点检测器、D触发器、脉冲宽度调制PWM信号发生器、或门、反相器、开关组成，电源与扼流圈的第一个引脚连接，扼流圈的第二个引脚与电容的第一个引脚连接，电容的第二个引脚接地；扼流圈的第二个引脚与发射线圈的中心抽头连接，发射线圈通过磁芯与接收线圈耦合，接收线圈与全波整流桥连接；整流桥的输出与稳压电容连接，为负载提供功率；发射线圈与谐振电容并联，构成谐振腔；发射线圈的中心抽头通过耦合器与零点检测器相连，零点检测器的输出分别与D触发器的输入以及PWM发生器相连；D触发器的输出端与或门的一个输入端相连，PWM发生器的输出端与或门的另一个端口相连；或门的输出端与反相器的输入端以及一个开关的栅极相连，反相器的输出端与另外一个开关的栅极相连；两个开关的源极分别接地，两个开关的漏极分别接在发射线圈的两端。进一步地，电源的作用是为系统提供电能；扼流圈和电容的作用是保证所有状态下通过电路的电流是连续的；磁芯的一个作用是提高发射线圈与接收线圈的耦合系数，磁芯的另一个作用是屏蔽发射线圈与接收线圈的磁力线，减少发射线圈与接收线圈对外的电磁干扰；稳压电容的作用是使负载上的电压为恒定值；零点检测器的作用是检测发射线圈中心抽头处电压的零点，当检测到零点信号时，使D触发器的状态翻转，同时使PWM信号发生器的输出为0；PWM信号发生器的作用是在电路发生谐振之前产生PWM信号，两个开关的作用是控制发射线圈的两端交替接地。进一步地，通过扼流圈保证所有状态下通过电路的电流是连续的；磁芯可采用铁粉磁芯、铁铝硅粉磁芯、铁氧体磁芯，通过采用磁芯提高发射线圈与接收线圈的耦合系数，同时屏蔽发射线圈与接收线圈的磁力线，减少发射线圈与接收线圈对外的电磁干扰。系统开始工作时，D触发器输出为0，PWM发生器首先发出率略低于系统谐振频率的PWM控制信号，此时或门输出率略低于系统谐振频率的PWM控制信号，或门发出的PWM信号利用一个反相器，使两个开关工作在不同状态，此时发射线圈的中心抽头处电压会出现正弦波绝对值形式的波形，且频率为系统谐振频率的2倍；发射线圈中心抽头电压通过耦合器后由零点检测器检测，当零点检测器检测到发射线圈中心抽头电压零点时，复位PWM信号发生器，并使D触发器状态翻转，此时D触发器能够产生与系统谐振频率一致的PWM信号的频率，并使或门的输出为与系统谐振频率一致的PWM信号的频率，当系统的谐振频率发生波动时，系统能够根据发射线圈中心抽头电压的零点实现系统频率的跟踪。开关工作在零电压切换状态，电源可采用线性电源、开关电源等常用电源，电容可采用陶瓷电容、云母电容或聚苯乙烯电容，发射线圈可采用漆包线或利兹线进行制作，发射线圈的线径、尺寸和匝数根据最大传输功率制作，接收线圈可采用漆包线、利兹线进行制作，发射线圈的线径、尺寸和匝数根据最大传输功率制作，同时满足以下条件：发射线圈的线径为rt、线圈半径为Rt、线圈匝数为Nt；发射线圈6的线径为rr、线圈半径为Rr、线圈匝数为Nr，则应满足rt＝rr,Rt＝Rr,Nt＝2Nr。全波整流桥由4只同型号整流二极管组成，稳压电容可采用陶瓷电容、云母电容或聚苯乙烯电容，谐振电容可采用陶瓷电容、云母电容或聚苯乙烯电容，耦合器可采用直接耦合方式或容阻耦合方式，零点检测器采用比较器芯片搭建过零比较电路，PWM发生器采用比较器芯片搭建，开关可采用三极管或功率场效应晶体管。本专利技术的特点及有益效果是：1)基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统采用磁芯收束线圈产生的磁力线，能够有效降低系统对外的电磁干扰。2)基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统可自动跟踪供电系统的谐振频率，使系统始终工作在谐振状态下。3)基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统始终工作在谐振频率，可提高无线供电的功率和效率。附图说明：图1一种基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统图1中，1为电源，2为扼流圈，3为电容，4为发射线圈，5为磁芯，6为接收线圈，7为全波整流桥，8为稳压电容，9为谐振电容，10为耦合器，11为零点检测器，12为D触发器，13为PWM发生器，14为或门，15为反相器，16为开关。具体实施方式实现上述目的，设计一种基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统，包括：电源1，扼流圈2，电容3，发射线圈4，磁芯5，接收线圈6，全波整流桥7，稳压电容8，谐振电容9，耦合器10，零点检测器11，D触发器12，脉冲宽度调制(PWM)发生器13，或门14，反相器15，开关16。一种基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统，见图1，电源1与扼流圈2的第一个引脚连接，扼流圈2的第二个引脚与电容3的第一个引脚连接，电容3的第二个引脚接地。进一步地，扼流圈2的第二个引脚与发射线圈4的中心抽头连接，发射线圈4通过磁芯5与接收线圈6耦合，接收线圈6与由4只同样型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于过零比较的自谐振、超静音无线供电系统，其特征是，包括：电源、扼流圈、电容、发射线圈、磁芯、接收线圈、全波整流桥、稳压电容、谐振电容、耦合器、零点检测器、D触发器、脉冲宽度调制PWM信号发生器、或门、反相器、开关组成，电源与扼流圈的第一个引脚连接，扼流圈的第二个引脚与电容的第一个引脚连接，电容的第二个引脚接地；扼流圈的第二个引脚与发射线圈的中心抽头连接，发射线圈通过磁芯与接收线圈耦合，接收线圈与全波整流桥连接；整流桥的输出与稳压电容连接，为负载提供功率；发射线圈与谐振电容并联，构成谐振腔；发射线圈的中心抽头通过耦合器与零点检测器相连，零点检测器的输出分别与D触发器的输入以及PWM发生器相连；D触发器的输出端与或门的一个输入端相连，PWM发生器的输出端与或门的另一个端口相连；或门的输出端与反相器的输入端以及一个开关的栅极相连，反相器的输出端与另外一个开关的栅极相连；两个开关的源极分别接地，两个开关的漏极分别接在发射线圈的两端。

【技术特征摘要】
1.一种基于过零比较的自谐振、超静音无线供电系统，其特征是，包括：电源、扼流圈、电容、发射线圈、磁芯、接收线圈、全波整流桥、稳压电容、谐振电容、耦合器、零点检测器、D触发器、脉冲宽度调制PWM信号发生器、或门、反相器、开关组成，电源与扼流圈的第一个引脚连接，扼流圈的第二个引脚与电容的第一个引脚连接，电容的第二个引脚接地；扼流圈的第二个引脚与发射线圈的中心抽头连接，发射线圈通过磁芯与接收线圈耦合，接收线圈与全波整流桥连接；整流桥的输出与稳压电容连接，为负载提供功率；发射线圈与谐振电容并联，构成谐振腔；发射线圈的中心抽头通过耦合器与零点检测器相连，零点检测器的输出分别与D触发器的输入以及PWM发生器相连；D触发器的输出端与或门的一个输入端相连，PWM发生器的输出端与或门的另一个端口相连；或门的输出端与反相器的输入端以及一个开关的栅极相连，反相器的输出端与另外一个开关的栅极相连；两个开关的源极分别接地，两个开关的漏极分别接在发射线圈的两端。2.如权利要求1所述的基于过零比较的自谐振、超静音无线供电系统，其特征是，电源的作用是为系统提供电能；扼流圈和电容的作用是保证所有状态下通过电路的电流是连续的；磁芯的一个作用是提高发射线圈与接收线圈的耦合系数，磁芯的另一个作用是屏蔽发射线圈与接收线圈的磁力线，减少发射线圈与接收线圈对外的电磁干扰；稳压电容的作用是使负载上的电压为恒定值；零点检测器的作用是检测发射线圈中心抽头处电压的零点，当检测到零点信号时，使D触发器的状态翻转，同时使PWM信号发生器的输出为0；PWM信号发生器的作用是在电路发生谐振之前产生PWM信号，两个开关的作用是控制发射线圈的两端交替接地。3.如权利要求1所述的基于过零比较的自谐振、超静音无线供电系统，其特征是，通过扼流圈保证所有状态下通过电路的电流是连续的；磁芯可采用铁粉磁芯、铁铝硅粉磁芯、铁氧体磁芯，通过采用磁芯提高发射线圈与接收线圈的耦合系数，同时屏蔽发...

【专利技术属性】
技术研发人员：段发阶，李旭，蒋佳佳，傅骁，叶德超，李芳怡，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12