CN109391045B - 一种距离-频率自适应磁共振能量传输器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种距离‑频率自适应磁共振能量传输器,包括磁共振能量发射装置和磁共振能量接收装置。所述磁共振能量发射装置由Class‑E功率放大电路、发射线圈、电容串联网络一、变容二极管构成的电容并联网络一,分压电路一、整流电路一、滤波电路一和扼流圈一组成。所述磁共振能量接收装置由接收线圈、电容串联网络二、变容二极管构成的电容并联网络二、整流电路二、滤波电路二、分压电路二和扼流圈二组成。本发明当能量收发线圈之间的距离改变时,谐振频率可以动态调整至固有谐振频率,即距离‑频率自适应;当能量收发线圈之间的距离改变时,可以减小频率***效应,不致于使***在固有共振频率点的能量传输效率大幅降低。
Description
技术领域
本技术涉及到无线能量传输技术,具体地说,是一种距离-频率自适应磁共振能量传输器。
背景技术
无线能量传输***分为电场耦合无线能量传输***、电磁耦合无线能量传输***、磁共振耦合无线能量传输***和无线电波无线能量传输***。其中电磁耦合无线能量传输***和磁共振耦合无线能量传输***的应用较为广泛,但传统的磁共振耦合无线能量传输***仍然存在着以下缺陷:(1)当能量收发线圈之间的距离改变时,会引起谐振频率的改变;(2)通常情况下当能量收发线圈间的距离在一定范围时,磁共振能量传输***在固有共振频率点处可以获得最大的输出功率和电压增益,但是当进一步减小距离时,***获得最大输出功率的频率点一般位于固有频率点的两侧,也就是发生了频率***现象,使得接收端的接收功率大幅降低。亦即当发生频率***时,在***固有共振频率点两侧出现了两个功率峰值,并随着互感的增大,两个功率峰值不断向外扩张;另外随着互感由小变大,***最大输出功率表现为先由小变大,然后再变小最后趋于稳定。可见频率***现象使得输出功率对线圈间的距离变化十分敏感。
发明内容
本发明的目的是为了减小当收发线圈间距离改变时所引起的频率***现象,以及由于实际工作频率偏离固有共振频率导致能量传输效率大幅降低这一问题,提出一种距离-频率自适应的磁共振能量传输器。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种距离-频率自适应磁共振能量传输器,包括磁共振能量发射装置和磁共振能量接收装置。
所述磁共振能量发射装置由Class-E功率放大电路10,发射线圈一11,电容串联网络一12,变容二极管构成的电容并联网络一13,分压电路一14,整流电路一15,滤波电路一16和扼流圈一17组成。其中,所述Class-E功率放大电路10,发射线圈一11,电容串联网络一12,变容二极管构成的电容并联网络一13依次级联;所述分压电路一14的输入端接所述发射线圈一11和电容串联网络一12之间的连接点,所述分压电路一14,整流电路一15,滤波电路一16和扼流圈一17依次级联,所述扼流圈一17的输出端接所述变容二极管构成的电容并联网络一13中变容二极管的阴极。
进一步,上述所述Class-E功率放大电路(10)由高频功率管、两个分压电阻以及一个高频扼流圈构成的偏置电路,以及与高频功率管输出端并联的电容,完成对交流信号的高效率放大;所述高频功率管的工作频率范围为1~100MHz,最小输出功率10W;两个分压电阻的阻值范围为10~200kΩ;高频扼流圈工作范围为频率0.1~10MHz;与高频功率管输出端并联的电容的容值范围为100~4700pF。
进一步,上述所述发射线圈一11与所述电容串联网络一12,以及变容二极管构成的电容并联网络一13构成谐振网络,谐振于固有频率。
进一步,上述所述电容串联网络一12由至少两个电容串联构成,每个电容的容值范围为100~4700pF。
进一步,上述所述变容二极管构成的电容并联网络一13由一个电容以及至少两个变容二极管构成,其相互之间并联,以实现总电容值在一定范围内可变;其中电容的容值范围为100~1000pF,变容二极管的可变容值范围为50~470pF,总电容的容值可变范围为2600~3400pF。
进一步,上述所述分压电路一14由两个电阻构成的分压网络,以降低交流信号的幅值,每个电阻的阻值范围为10~100kΩ。
进一步,上述所述整流电路一15为单个整流二极管或桥式整流电路,完成对交流信号的整流。
所述滤波电路一16用于输出直流信号。
所述扼流圈一17用于将所述滤波电路一16输出的直流信号耦合至所述变容二极管构成的电容并联网络一13中变容二极管的阴极,作为其反向偏置电压,同时隔断交流信号传输至所述滤波电路一16中。
所述磁共振能量发射装置的信号处理过程为:当能量收发线圈间距离减小时,互感增大;同时发射线圈11输出的交流信号幅度增大,由分压电路一14、整流电路一15和滤波电路一16所提取的直流信号增大,因此加在变容二极管构成的电容并联网络一13中变容二极管上的反向偏置电压增大,其容值减小,进而使与发射线圈11串联的总容值减小。所以当线圈间距离减小时,互感M增大导致电感量增加,但此时与之构成谐振的电容值在减小,反之亦然,从而使谐振频率趋于稳定。
所述磁共振能量接收装置由接收线圈20、电容串联网络二21、变容二极管构成的电容并联网络二22、整流电路二23、滤波电路二24、分压电路二25和扼流圈二26组成。其中,
所述接收线圈20、电容串联网络二21、变容二极管构成的电容并联网络二22依次级联;所述整流电路二23的输入端接所述接收线圈20、电容串联网络二21之间的连接点,所述整流电路二23、滤波电路二24、分压电路二25和扼流圈二26依次级联,所述扼流圈二26的输出端接所述变容二极管构成的电容并联网络二22中变容二极管的阴极。
进一步,上述所述接收线圈20与所述电容串联网络二21,以及变容二极管构成的电容并联网络二22构成谐振网络,谐振于固有频率。
进一步,上述所述电容串联网络二21由至少两个电容串联构成,每个电容的容值范围为100~4700pF。
进一步,上述所述变容二极管构成的电容并联网络二22由一个电容以及至少两个变容二极管,其相互之间并联,以实现电容值在一定范围内可变;其中电容的容值范围为100~1000pF,变容二极管的可变容值范围为50~470pF,总电容的容值可变范围为2600~3400pF。
进一步,上述所述分压电路二25由两个电阻构成的分压网络,以降低交流信号的幅值;每个电阻的阻值范围为10~100kΩ。
进一步,上述所述整流电路二23为单个整流二极管或桥式整流电路,完成对交流信号的整流。
所述滤波电路二24用于输出直流信号。
所述扼流圈二26用于将所述滤波电路24输出的直流信号耦合至所述变容二极管构成的电容并联网络二22中变容二极管的阴极,作为其反向偏置电压,同时隔断交流信号传输至所述滤波电路24中。
所述磁共振能量接收装置的信号处理过程为:当能量收发线圈间距离减小时,互感增大;同时接收线圈20输出的交流信号幅度增大,由整流电路二23、滤波电路二24和分压电路二25所提取的直流信号增大,因此加在变容二极管构成的电容并联网络二22中变容二极管上的反向偏置电压增大,其容值减小,进而使与接收线圈20串联的总容值减小。所以当线圈间距离减小时,互感M增大导致电感量增加,但此时与之构成谐振的电容值在减小,反之亦然,从而使谐振频率趋于稳定。
本发明的一种距离-频率自适应磁共振能量传输器具有如下优点和有益效果:
1)当能量收发线圈之间的距离改变时,谐振频率可以动态调整至固有谐振频率,即距离-频率自适应;
2)当能量收发线圈之间的距离改变时,可以减小频率***效应,不致于使***在固有共振频率点的能量传输效率大幅降低。
附图说明
图1为本发明的一种距离-频率自适应的磁共振能量传输器的构成框图,其中(a)为发射装置的构成框图,(b)为接收装置的构成框图。
图2为本发明的一种距离-频率自适应的磁共振能量传输器的实施方式的器件连接图,其中(a)为发射装置的器件连接图,(b)为接收装置的器件连接图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步的详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1和图2所示,为本发明的一种距离-频率自适应磁共振能量传输器,包括磁共振能量发射装置和磁共振能量接收装置。所述磁共振能量发射装置由Class-E功率放大电路10,发射线圈11,电容串联网络一12,变容二极管构成的电容并联网络一13,分压电路一14,整流电路一15,滤波电路一16和扼流圈一17组成,(如图1(a)所示)。其中所述Class-E功率放大电路10由高频功率放大管M1(如RD16HHF1)、电阻R101(200kΩ)和可变电阻R102(50kΩ)构成的分压电路(为M10的栅极提供直流电压)、高频扼流圈RFC10(RF Choke,为M10的漏极提供直流电流),输入耦合电容C101(10uF,一端连接信号源,另一端连接M10的栅极)以及与M10漏极并联的电容C102(3000pF)构成;其中R101和R102的中间连线接M10的栅极;RFC10的一端接电源,另一端接M10的漏极;M10的源极和C102的另一端接地。所述发射线圈11为直径30mm、线径1mm的线圈(L11),其电感量为10.4uH。所述电容串联网络一12由电容C121(3000pF)和C122(3000pF)串联构成。所述变容二极管构成的电容并联网络一13由电容C131(200pF)、变容二极管Cj132(IS149)和变容二极管Cj133(IS149)并联构成。所述分压电路一14由电阻R141(10kΩ)、R142(30kΩ)构成分压网络。所述整流电路一15由单个整流二极管D15(如1N5809)构成。所述滤波电路一16由电容C161(10uF)、C162(0.1uF)构成。所述扼流圈一17由扼流圈RFC17(RF Choke)构成,(如图2(a)所示)。所述发射线圈一11与所述电容串联网络一12,以及变容二极管构成的电容并联网络一13谐振于2MHz。所述Class-E功率放大电路10的输出端(漏极)接发射线圈11;所述发射线圈11、电容串联网络一12,变容二极管构成的电容并联网络一13依次级联,即L11、C121、C122、以及C131、Cj132和Cj133的并联网络依次串联,且C131、Cj132和Cj133的另一端均接地;所述分压电路一14的输入端接所述发射线圈11和电容串联网络一12之间的连接点,即R141的一端接L11和C121的连接点;所述分压电路一14,整流电路一15,滤波电路一16和扼流圈一17依次级联,即R141、R142的中间连接依次接D15、C161和C162并联的一端(R142、C161和C162的另一端接地)、RFC17;所述扼流圈一17的输出端接所述变容二极管构成的电容并联网络一13中变容二极管的阴极,即RFC17的另一端与Cj132和Cj133的阴极相连(如图1(a)所示)。
如图1(b)和图2(b)所示,所述磁共振能量接收装置由接收线圈20、电容串联网络二21、变容二极管构成的电容并联网络二22、整流电路二23、滤波电路二24、分压电路二25和扼流圈二26组成。所述接收线圈20与所述发射线圈11规格相同。其余各部分构成与所述磁共振能量发射装置的对应部分相同,此处不再赘述。所述接收线圈20、电容串联网络二21、变容二极管构成的电容并联网络二22依次级联,即L20、C211、C212、以及C221、Cj222和Cj223的并联网络依次串联,且C221、Cj222和Cj223的另一端均接地。所述整流电路二23的输入端接所述接收线圈20、电容串联网络二21之间的连接点,即D23的一端接L20和C221的中间连线。所述整流电路二23、滤波电路二24、分压电路二25和扼流圈二26依次级联,即D23的另一端、C241和C242并联的一端、R251、RFC26依次串联,R252与R251的一端相连,R252、C241和C242的另一端接地。所述扼流圈二26的输出端接所述变容二极管构成的电容并联网络二22中变容二极管的阴极,即RFC26的另一端接Cj222和Cj223的阴极。该实施例所述的一种距离-频率自适应磁共振能量传输器,当发射线圈11和接收线圈20之间的距离在10~20mm范围内变化且中心对准时,***的输出频率在1.8~2.2MHz之间动态调整,最后稳定于2MHz。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式。当然,本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,任何熟悉本技术领域的技术人员,当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形,都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种距离-频率自适应磁共振能量传输器,包括磁共振能量发射装置和磁共振能量接收装置;其特征在于:
所述磁共振能量发射装置由Class-E功率放大电路(10),发射线圈(11),电容串联网络一(12),电容并联网络一(13),分压电路一(14),整流电路一(15),滤波电路一(16)和扼流圈一(17)组成;其中所述Class-E功率放大电路(10),发射线圈(11),电容串联网络一(12),电容并联网络一(13)依次级联;所述分压电路一(14)的输入端接所述发射线圈(11)和电容串联网络一(12)之间的连接点,所述分压电路一(14)输出端,整流电路一(15),滤波电路一(16)和扼流圈一(17)依次级联,所述扼流圈一(17)的输出端接所述电容并联网络一(13)中变容二极管的阴极;
所述磁共振能量接收装置由接收线圈(20)、电容串联网络二(21)、电容并联网络二(22)、整流电路二(23)、滤波电路二(24)、分压电路二(25)和扼流圈二(26)组成;其中所述接收线圈(20)、电容串联网络二(21)、电容并联网络二(22)依次级联;所述整流电路二(23)的输入端接所述接收线圈(20)和电容串联网络二(21)之间的连接点,所述整流电路二(23)输出端、滤波电路二(24)、分压电路二(25)和扼流圈二(26)依次级联,所述扼流圈二(26)的输出端接所述电容并联网络二(22)中变容二极管的阴极;
所述电容并联网络一(13)和电容并联网络二(22)分别由一个电容以及至少两个变容二极管并联构成。
2.根据权利要求1所述的距离-频率自适应磁共振能量传输器,其特征在于:所述Class-E功率放大电路(10)由高频功率管、两个分压电阻以及一个高频扼流圈构成的偏置电路,以及与高频功率管输出端并联的电容构成;其中所述高频功率管的工作频率范围为1~100MHz,最小输出功率10W;两个分压电阻的阻值范围为10~200kΩ;高频扼流圈工作范围为频率0.1~10MHz;与高频功率管输出端并联的电容的容值范围为100~4700pF。
3.根据权利要求1所述的距离-频率自适应磁共振能量传输器,其特征在于:所述发射线圈(11)与所述电容串联网络一(12)、以及所述电容并联网络一(13)构成谐振网络;所述接收线圈(20)与所述电容串联网络二(21)、以及电容并联网络二(22)构成谐振网络。
4.根据权利要求1所述的距离-频率自适应磁共振能量传输器,其特征在于:所述电容串联网络一(12)由至少两个电容串联构成,每个电容的容值范围为100~4700pF。
5.根据权利要求1所述的距离-频率自适应磁共振能量传输器,其特征在于:所述电容的容值范围为100~1000pF,所述变容二极管的可变容值范围为50~470pF。
6.根据权利要求1所述的距离-频率自适应磁共振能量传输器,其特征在于:所述分压电路一(14),分压电路二(25)分别为由两个电阻构成的分压网络,电阻的阻值范围为10~100kΩ。
7.根据权利要求1所述的距离-频率自适应磁共振能量传输器,其特征在于:所述整流电路一(15),整流电路二(23)均为单个整流二极管或桥式整流电路。
8.根据权利要求1所述的距离-频率自适应磁共振能量传输器,其特征在于:所述扼流圈一(17)用于将所述滤波电路一(16)输出的直流信号耦合至所述电容并联网络一(13)中变容二极管的阴极,作为其反向偏置电压,同时隔断交流信号传输至所述滤波电路一(16)中;所述扼流圈二(26)用于将所述滤波电路二(24)输出的直流信号耦合至所述电容并联网络二(22)中变容二极管的阴极,作为其反向偏置电压,同时隔断交流信号传输至所述滤波电路二(24)中。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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