一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，包括发射端和接收端，发射端包括：功率放大器，连接于功率放大器输出端的LC补偿电路，连接于LC补偿电路输出端的谐振耦合电路和解调电路，以及PWM控制电路；其中，PWM控制电路连接于解调电路输出端和功率放大器输入端之间；接收端包括：耦合电路，连接于耦合电路的整流桥，以及连接于整流桥的调制电路；其中，谐振耦合电路和耦合电路共同构成所述无线能量传输系统的能量耦合链路；所述调制电路根据输出电压的状态产生相应的调制信号，所述解调电路检测采样节点电压在所述调制信号作用下的变化，以在发射端恢复出包含输出电压状态的信息，即解调信号，并将解调信号传输至所述PWM控制电路。输至所述PWM控制电路。输至所述PWM控制电路。

【技术实现步骤摘要】
一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统


[0001]本专利技术涉及模拟集成电路设计领域，具体涉及一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统。

技术介绍

[0002]无线充电技术具有便于连接、节省器件端口等优势，能够为一些极端情况下工作的电路提供更优的充电方案。例如，对于人体植入设备，若通过有线方式充电或频繁更换电池，则成本过高，操作过难，采用无线充电技术便能很好的解决这些设计上的困难。
[0003]典型的无线充电电路如图1所示，主要包括发射端和接收端。其中，发射端主要包括功率放大器和补偿电路，接收端通常包括级联的补偿网络、整流桥和稳压电路。因为无线能量传输系统工作时必然会遇到周围环境干扰、线圈相对位置变化等问题导致的耦合因子变化，进一步导致接收端输出电压不稳定，所以接收端稳压电路不可或缺。常见的稳压电路包括LDO、BUCK等，在一些充电电路设计中，还会在稳压电路后加入充电管理电路。然而，器件的多级级联一方面会降低工作效率，大面积功率管导致接收端体积增大；另一方面，仅调制接收端功率无法提升系统整体效率。
[0004]因此，在一些采用全局控制的无线充电电路中，通过上行通信链路将输出状态传输至发射端，调整发射功率。这种方式能够有效提高无线能量传输整体效率，但通信器件将产生额外的面积和功耗开销；尤其对于人体植入设备而言，接收端设计应该在实现功能的前提下越简单越好。
[0005]综上所述，亟需提出新的无线充电电路。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，无需额外的通信链路即可实现上行数据传输，并实现全局功率控制，解决了现有的全局功率控制系统所存在的接收端占用面积和功耗开销大的问题。
[0007]为达上述目的，本专利技术提出如下技术方案：
[0008]一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括：功率放大器，连接于功率放大器输出端的LC补偿电路，连接于LC补偿电路输出端的谐振耦合电路和解调电路，以及PWM控制电路；其中，PWM控制电路连接于解调电路输出端和功率放大器输入端之间；所述接收端包括：耦合电路，连接于耦合电路的整流桥，以及连接于整流桥的调制电路；其中，谐振耦合电路和耦合电路共同构成所述无线能量传输系统的能量耦合链路；所述调制电路根据输出电压的状态产生相应的调制信号，所述解调电路检测采样节点电压在所述调制信号作用下的变化，以在发射端恢复出包含输出电压状态的信息，即解调信号，并将解调信号传输至所述PWM控制电路。
[0009]更进一步地，所述调制电路连接于整流桥的输出端，包括：并联的第一负载支路和第二负载支路，以及负载控制单元；其中，第二负载支路的等效电阻大于第一负载支路的等
效电阻；所述负载控制单元基于输出电压而产生控制第一负载支路和第二负载支路交替通断的脉冲信号；其中，所述调制电路的信号调制方式为调频，根据输出电压的状态调整所述脉冲信号的频率。
[0010]更进一步地，所述负载控制单元包括：PFM控制电路，以及连接于PFM控制电路输入端的第一比较器和第二比较器，所述第一比较器的两路输入分别为所述输出电压、设定电压范围的上限，所述第二比较器的两路输入分别为所述输出电压、设定电压范围的下限；其中，PFM控制电路采用系统谐振频率的时钟信号，PFM控制电路的输出去向两路，其中一路直接输入所述第一负载支路，以控制所述第一负载支路的开关器件通断；另一路经由一反相器输出至所述第二负载支路，以控制所述第二负载支路的开关器件通断。
[0011]更进一步地，所述第一负载支路包括第一MOS管、第一等效负载电阻和第一电容；其中，第一MOS管的源极连接于整流桥的第一输出端，第一等效负载电阻和第一电容并联后连接于第一MOS管的漏极和整流桥的第二输出端之间，第一MOS管的栅极连接于PFM控制电路的输出端；所述第二负载支路包括第二MOS管、第二等效负载电阻和第二电容；其中，第二MOS管的源极连接于整流桥的第一输出端，第二等效负载电阻和第二电容并联后连接于第二MOS管的漏极和整流桥的第二输出端之间，第二MOS管的栅极连接于所述反相器的输出端；第二等效负载电阻的阻值大于第一等效负载电阻的阻值。
[0012]更进一步地，所述第一MOS管和所述第二MOS管均为PMOS管。
[0013]更进一步地，所述解调电路通过检测所述采样节点电压降低的时刻，并测量采样节点电压的相邻两个低点之间的间隔，恢复出所述解调信号。
[0014]更进一步地，所述解调电路包括第一低通滤波器、第二低通滤波器、比较器和滤波电路；所述第一低通滤波器以所述采样节点电压作为输入，并利用介于调制信号频率和系统谐振频率之间的第一截止频率得到包络电压；所述第二低通滤波器以所述第一低通滤波器的输出作为输入，并利用低于所述第一截止频率的第二截止频率得到均值电压；当所述包络电压小于所述均值电压时，对应所述采样节点电压的所述低点；所述比较器以所述均值电压和所述包络电压作为输入，所述滤波电路对所述比较器的输出进行采样，得到所述解调信号。
[0015]更进一步地，所述第一低通滤波器为由二极管、电阻和电容组成的包络检测电路。
[0016]更进一步地，所述滤波电路包括级联的模拟滤波器和数字滤波器。
[0017]本专利技术的技术方案与现有技术相比，其有益效果包括：本专利技术提出的无线能量传输系统接收端非常简单，能够根据输出电压状态产生调制信号，并无需额外通信器件或通信链路即可实现接收端到发射端的上行数据通信，获悉接收端的输出电压状态，最终能产生稳定输出电压，将有效地应用在多数领域。
附图说明
[0018]图1是一种现有的无线充电电路图；
[0019]图2是本专利技术实施例具备全局功率控制功能的无线能量传输系统的示意图；
[0020]图3是本专利技术实施例中采样节点电压V
M
和脉冲信号的示意图；
[0021]图4是本专利技术实施例中解调电路的原理框图；
[0022]图5是本专利技术实施例中解调电路的一种示例性电路图；
[0023]图6是本专利技术实施例中发射端采样节点电压V
M
示意图；
[0024]图7是本专利技术实施例中解调电路的第一级滤波器的输出波形；
[0025]图8是本专利技术实施例中解调电路的第二级滤波器的输出波形；
[0026]图9是本专利技术实施例调制信号与解调信号的波形示意图；
[0027]图10是本专利技术实施例调制电路工作前后的关键节点脉冲波形对比；
[0028]图11是本专利技术实施例系统输出电压V
Leff
的波形图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图和具体的实施方式对本专利技术作进一步说明。
[0030]如图2所示，为本专利技术实施例提出的一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统的示意图，该无线能量传输系统包括发射端和接收端。如图2所示，发射端包括：功率放大器11，连接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端包括：功率放大器(11)，连接于功率放大器(11)输出端的LC补偿电路(12)，连接于LC补偿电路(12)输出端的谐振耦合电路(13)和解调电路(14)，以及PWM控制电路(15)；其中，PWM控制电路(15)连接于解调电路(14)输出端和功率放大器(11)输入端之间；所述接收端包括：耦合电路(21)，连接于耦合电路(21)的整流桥(22)，以及连接于整流桥(22)的调制电路(23)；其中，谐振耦合电路(13)和耦合电路(21)共同构成所述无线能量传输系统的能量耦合链路；所述调制电路(23)根据输出电压的状态产生相应的调制信号，所述解调电路(14)检测发射端采样节点电压(V
M
)在所述调制信号作用下的变化，以在发射端恢复出包含输出电压状态的信息，即解调信号，并将解调信号传输至所述PWM控制电路。2.如权利要求1所述的具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，其特征在于，所述调制电路(23)连接于整流桥(22)的输出端，包括：并联的第一负载支路(231)和第二负载支路(232)，以及负载控制单元(233)；其中，第二负载支路(232)的等效电阻大于第一负载支路(231)的等效电阻；所述负载控制单元(233)基于输出电压而产生控制第一负载支路(231)和第二负载支路(232)交替通断的脉冲信号；其中，所述调制电路的信号调制方式为调频，根据输出电压的状态调整所述脉冲信号的频率。3.如权利要求2所述的具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，其特征在于，所述负载控制单元(233)包括：PFM控制电路，以及连接于PFM控制电路输入端的第一比较器(01)和第二比较器(02)，所述第一比较器(01)的两路输入分别为所述输出电压、设定电压范围的上限(V
ref
‑
h
)，所述第二比较器(02)的两路输入分别为所述输出电压、设定电压范围的下限(V
ref
‑
l
)；其中，PFM控制电路采用系统谐振频率的时钟信号，PFM控制电路的输出去向两路，其中一路直接输入所述第一负载支路(231)，以控制所述第一负载支路(231)的开关器件通断；另一路经由一反相器输出至所述第二负载支路(232)，以控制所述第二负载支路(232)的开关器件通断。4.如权利要求3所述的具备全局功率控制功能的无线能量传输系统，其特征在于：所述第一负载支路(231)包括第一MOS管(S1)、第一等效负载电阻(R
L
...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐仙，蔡灏禹，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：