CN110729975A - 一种磁耦合谐振式无线输电功放*** - Google Patents

一种磁耦合谐振式无线输电功放*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁耦合谐振式无线输电功放***。***为AB类功放***，采用双管推挽式电路；***包括：前级功放电路，用于对初始信号进行功率放大，得到初次放大信号；后级功放电路，用于对初次放大信号进行功率放大，得到二次放大信号；所述的后级功放电路包括用于实现输电时电源与负载阻抗匹配的传输线变压器，传输线变压器初级绕组的两端分别连接一个NMOS管的漏极作为初次放大信号的输入；传输线变压器的次级绕组一端，与输出LC滤波电路连接，另一端接地。本发明能够提高输电效率和功率，且***的稳定性好。

Description

一种磁耦合谐振式无线输电功放***
技术领域
本发明涉及智能家居、电动汽车及工业等领域的无线输电技术，特别涉及一种磁耦合谐振式无线输电功放***。
背景技术
目前，无线输电技术按主流分类主要分为三大类：电磁感应式无线输电、磁耦合谐振式无线输电、微波式无线输电。
电磁感应式无线输电，其原理是电流通过线圈，线圈产生磁场，对附近线圈产生感应电势，产生电流。电磁感应式无线输电的优点是；原理简单，容易实现；适合短距离输电。但其存在下述缺点；输电时需特定位置摆放才能精确输电，损耗大，距离短，传输效率会因为传输距离增大急剧减小，金属感应接触会发热。
微波式无线输电，其原理是射频天线在空间激发电磁能量，空间中接收端吸收电磁能量，通过电路传输电流。微波式无线输电的优点是：适合远距离小功率无线输电；自动随时随地充电。但其存在下述缺点：发射接收天线设计要求高；传输效率不高，利用效率低；接受的功率信号比较小；可能存在辐射和安全问题。
磁耦合谐振式无线输电作为一种新兴的输电方式，其原理是发送端能谥遇到谐振频率相同的接收端，利用谐振原理进行输电。磁耦合谐振式无线输电综合了上述两种输电方式的优点，其适合远距离大功率无线输电，转换效率也较为适中且对人体无害。基于磁耦合谐振式无线输电的优良特性，其具有较大的市场潜力。而目前的磁耦合谐振式无线输电，存在一个技术难点：为了确保输电效率和功率，需要两个谐振线圈(即处于输电电源端和充电负载端的谐振线圈，以下简称电源端线圈和负载端线圈)处于同一频率；但是通常情况下，负载的电阻都是不可变的。因此，如何实现两个谐振线圈处于同一频率，成为目前所亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种磁耦合谐振式无线输电功放***。本发明能够提高输电效率和功率，且***的稳定性好。
本发明的技术方案：一种磁耦合谐振式无线输电功放***，该***为AB类功放***，采用双管推挽式电路；***包括：
前级功放电路，用于对初始信号进行功率放大，得到初次放大信号；
后级功放电路，用于对初次放大信号进行功率放大，得到二次放大信号；
所述的后级功放电路包括用于实现输电时电源与负载阻抗匹配的传输线变压器，传输线变压器初级绕组的两端分别连接一个NMOS管的漏极作为初次放大信号的输入；传输线变压器的次级绕组一端，与输出LC滤波电路连接，另一端接地。
前述的磁耦合谐振式无线输电功放***中，所述的阻抗匹配的步骤如下：
首先，利用传输线变压器将阻抗变换到预设阻值；
然后，设置预设阻值→预设阻值的、所述的输出LC滤波电路。
前述的磁耦合谐振式无线输电功放***中，所述的输出LC滤波电路为用于过滤高次谐波的LC低通滤波电路。
前述的磁耦合谐振式无线输电功放***中，所述的LC低通滤波电路为五阶LC低通滤波电路，所述的五阶LC低通滤波电路包括两个相串联的滤波电感，两滤波电感串联形成的两个开放端，其中一个与所述的次级绕组一端连接，另一个为二次放大信号的输出端；每个所述滤波电感的两端还分别连接有一个一端已接地的滤波电容。
前述的磁耦合谐振式无线输电功放***中，所述的滤波电感，是由0.8mm漆包圆铜线在两个并在一起的铁单体磁芯T50-6上绕制8匝而成的。
前述的磁耦合谐振式无线输电功放***中，所述的初始信号的频率为13.56MHz，初次放大信号的功率为10w；所述的二次放大信号的功率为100w。
前述的磁耦合谐振式无线输电功放***中，所述的预设阻值为50Ω。
前述的磁耦合谐振式无线输电功放***中，所述的NMOS管的漏极设置有漏极电路；所述的漏极电路包括：RFC电感，RFC电感一端与传输线变压器初级绕组端的抽头连接，RFC电感另一端分别与电解电容正极和电路供电电压连接，电解电容负极接地，电解电容还并联有一个以上的贴片电容。
前述的磁耦合谐振式无线输电功放***中，所述的RFC电感，是由0.8mm漆包圆铜线在两个并在一起的铁氧体磁芯FT-50-43上绕制8匝而成的。
前述的磁耦合谐振式无线输电功放***中，所述的NMOS管的栅极设置有稳定栅极工作电容自谐振频率的栅极偏置电路；所述的栅极偏置电路是：在栅极工作电容旁并联一个以上的、用于抵消所述栅极工作电容产生的寄生电感的消感电容。
为了得到本发明的技术方案，申请人进行了如下研究：
影响磁耦合谐振式无线电能传输的因素主要有传输距离、谐振频率、品质因数等。一般情况下，传输距离越大，传输效率越低；工作频率偏离谐振频率时，远距离处的传输功率和传输效率急剧下降，而对于近距离处的传输功率和传输效率反而上升，出现这种情况的原因是谐振***的频率在近距离时发生了***。为了抑制这种频率***现象，可以减小电源内阻抗，这样不仅可以抑制频率***，同时又提高了***的传输效率；而使用L型阻抗匹配网络来调节等效负载电阻的方法能达到同样的效果。随着频率的增大无线电能传输的功率和效率先是增大随后又减小，因此可以通过调整频率改变负载阻抗值使得功放模块的输出功率达到最大值。输出功率最大时，反射功率就会降到最低，此时功放模块上的热损就会减小，因此，输出功率最大时传输效率也最大。综上分析，负载阻值越小，得到的无线电能传输的功率和效率也就越大。
阻抗匹配是射频电路(无线电能传输电路)设计中的重中之重，整个射频电路设计的过程中，只要有一处没有实现阻抗匹配，其效率就会大打折扣。阻抗匹配所匹配的就是负载阻抗和源阻抗。在普通电路中，负载电阻与电源电阻相同时，电路输出功率和效率最高。
基于上述的研究分析，在设计匹配网络时，要注意如下这四点:
(1)简单性:可以完成匹配的网络越简单，需要的元件就越少，造成的损耗和成本也越低。因此，只要满足设计要求这一前提条件，就可以选择最简单的电路。
(2)频带宽度:又叫做匹配电路的Q值，一般情况下，消除某一特定频率的反射，可以有很多种匹配网络。但是，有时候电路并不只工作在一个频率，而是工作在一个频率范围，此时单频点的匹配己经不能满足要求，而要设计频带匹配，频带匹配设计时更加困难和复杂，所以成本也高很多。
(3)电路种类:在匹配电路种类确定之前，必须首先确定电路传输线的种类。举个例子，假如***使用微带传输线，对应的就可以使用并联分支、λ/4传输线变化和集总参数器件等电路，实现起来特别简单。换言之，假如***使用波导和同轴线，枝节匹配电路以及终端短路结构就更为简单。
(4)可调节性:匹配网络的核心是源跟负载进行匹配，但是，假如负载有所变化，对应的匹配网络也要跟着负载变化，做出必要的调整。因此，在设计匹配网络时，负载变化也对匹配结果有很大影响，匹配网络应该具有很强的可调节性。
基于上述的研究分析，发明人最终设计得到本发明的技术方案。与现有技术相比，本发明的***构架，针对无源传感器的特性需求，选择效率、线性度和功率都相对适中的AB类功放***；同时采用双管推挽式电路，解决AB类功放***导通周期在π-2π之间，输出波形不完整的问题。此外，本发明通过在输电电源端后级功放电路中设置传输线变压器，传输线变压器初级绕组的两端分别连接一个NMOS管的漏极作为初次放大信号的输入；该设置的传输线变压器，能够进行电源端线圈的阻抗变换调节，将电源端线圈和负载端线圈的阻抗调节相等，使两线圈处于同一频率，实现阻抗匹配，确保了输电的效率和功率。
本发明的***频率选用国际通用的13.56MHz，能够有效避免输电中的辐射和安全问题。
本发明在传输线变压器的次级绕组一端连接输出LC滤波电路，使输电信号在输出前先经其过滤除去各次谐波并抑制杂散。本发明在输电时，功放***的电路会输出一定的高次谐波，针对这一特性，本发明采用LC低通滤波电路，滤掉输出的高次谐波。为了提高和优化滤波性能，本发明采用五阶LC低通滤波电路，图8是五阶LC滤波电路在ADS软件中仿真得到的S21参数曲线，由图可知在0-18MHz时S21的值特别小，即表示0-18MHz之内的信号可以通过滤波电路，大于18MHz时，S21参数急剧减小，即大于18MHz的信号不能通过此滤波电路，之所以没有选择13.56MHz作为截止频率，是因为在实际测试中可能会用到13.56MHz左右的其他频率，18MHz作为截止频率，不仅可以完美的抑制13.56MHz的高次谐波，且保证了13.56MHz信号的通过，还可以确保电路可以在一定频段内进行调试。
本发明在NMOS管的栅极设置有稳定栅极工作电容自谐振频率的栅极偏置电路；具体是在栅极工作电容旁并联一个以上的、用于抵消所述栅极工作电容产生的寄生电感的消感电容；该结构，能够通过消感电容抵消栅极工作电容产生的寄生电感，扩展栅极工作电容对交流信号的衰减频段，进而稳定输出的线性度。理论上来讲，只要滤波所用的电容值足够大，就完全可以将某频率信号滤除。但是由于目前制作工艺的限制，制作出来的容值比较大的电容器(即栅极工作电容)一般也会存在很大的等效串联电感，这就会导致自谐振频率变低，呈现出感抗。因此，就需要并联若干个小电容(即消感电容)在大电容旁边，以此来抵消大电容(即栅极工作电容)产生的寄生电感。
本发明在NMOS管的漏极设置有漏极电路；其电路结构主要包括RFC电感，RFC电感一端与传输线变压器初级绕组端的抽头连接，RFC电感另一端分别与电解电容正极和电路供电电压连接，电解电容负极接地，电解电容还并联有一个以上的贴片电容；通过采用电解电容并联若干个贴片电容的电路结构，能够对电路供电电压进行滤波处理，还能够提升该结构的耐压值，进而提升***工作的稳定性。
本发明中，由于输电功放***的输出电流较大，为了增加RFC电感和滤波电感的电流耐受值，提升***工作的稳定性，其中：RFC电感由0.8mm漆包圆铜线在两个并在一起的铁氧体磁芯FT-50-43上绕制8匝而成；滤波电感由0.8mm漆包圆铜线在两个并在一起的铁单体磁芯T50-6上绕制8匝而成。
综上，本发明实现了两个谐振线圈处于同一频率，提高了输电效率和功率，且***的稳定性好。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是后级功放电路的结构示意图；
图3是五阶LC低通滤波电路的结构示意图；
图4是滤波电感的实物图；
图5是前级功放电路的结构示意图；
图6是漏极电路的结构示意图；
图7是栅极偏置电路的结构示意图；
图8是五阶LC低通滤波电路经ADS仿真得到的S21参数曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种磁耦合谐振式无线输电功放***，构成如图1所示，***为AB类功放***，采用双管推挽式电路；***包括：
前级功放电路，用于对初始信号进行功率放大，得到初次放大信号；
后级功放电路，用于对初次放大信号进行功率放大，得到二次放大信号；
所述的后级功放电路参见图2，包括用于实现输电时电源与负载阻抗匹配的传输线变压器，传输线变压器初级绕组的两端分别连接一个NMOS管的漏极作为初次放大信号的输入；传输线变压器的次级绕组一端，与输出LC滤波电路连接，另一端接地。
前述的阻抗匹配的步骤如下：
首先，利用传输线变压器将阻抗变换到预设阻值；
然后，设置预设阻值→预设阻值的、所述的输出LC滤波电路。
在输电***中，一般都需要获得最大功率的输出。负载要得到最大功率，条件就是负载电阻等同于电源电阻，这个过程被称为阻抗匹配。但是通常情况下，负载电阻都是不可变的。因此，采用上述的传输线变压器，选择适当的匝数比值，将设计好的传输线变压器接到负载和电源间，就完成了阻抗匹配，负载就会获得最大功率的输出。
从变压器的原绕组两端看入，其阻抗为：
Figure BDA0002230152540000071
从变压器的副绕组两端看入，其阻抗为：
Figure BDA0002230152540000072
因为
Figure BDA0002230152540000073
式(3)中：K为变压器变比。
所以
Figure BDA0002230152540000074
从式(4)中可以看出，变压器原副边线圈的阻抗，与线圈匝数的平方成正比关系。知晓这一特性，就能通过改变变压器的匝数比来实现变压器两端的阻抗变换。
具体地，前述的输出LC滤波电路为用于过滤高次谐波的LC低通滤波电路。
具体地，前述的LC低通滤波电路为五阶LC低通滤波电路，参见图3，所述的五阶LC低通滤波电路包括两个相串联的滤波电感，两滤波电感串联形成的两个开放端，其中一个与所述的次级绕组一端连接，另一个为二次放大信号的输出端；每个所述滤波电感的两端还分别连接有一个一端已接地的滤波电容。
前述的滤波电感，参见图4，其结构是由0.8mm漆包圆铜线在两个并在一起的铁单体磁芯T50-6上绕制8匝而成的。该结构，能够增大滤波电感的电流耐受值。
前述的初始信号的频率为13.56MHz，基于安全考虑，采用国际通用的13.56MHz，针对智能家居、电动汽车及工业等领域的需求，所设计的初次放大信号的功率为10w，二次放大信号的功率为100w；放大初始信号的前级功放电路的结构参见图5，图5所示的前级功放电路其效率在50％以上，频率稳定在13.56MHz。放大初次放大信号的后级功放电路的效率在50％以上。
前述的预设阻值为50Ω。针对智能家居、电动汽车及工业等领域的需求，优选预设阻值为50Ω。
前述的NMOS管的漏极设置有漏极电路；所述的漏极电路参见图6，包括：RFC电感，RFC电感一端与传输线变压器初级绕组端的抽头连接，RFC电感另一端分别与电解电容正极和电路供电电压连接，电解电容负极接地，电解电容还并联有一个以上的贴片电容。RFC电感，即是射频扼流圈电感。
前述的RFC电感，是由0.8mm漆包圆铜线在两个并在一起的铁氧体磁芯FT-50-43上绕制8匝而成的。
前述的NMOS管的栅极设置有稳定栅极工作电容自谐振频率的栅极偏置电路，参见图7；所述的栅极偏置电路是：在栅极工作电容旁并联一个以上的、用于抵消所述栅极工作电容产生的寄生电感的消感电容。栅极电平要确保稳定，以免有噪声信号进入栅极影响输出的线性度。

Claims (10)

1.一种磁耦合谐振式无线输电功放***，其特征在于：***为AB类功放***，采用双管推挽式电路；***包括：
前级功放电路，用于对初始信号进行功率放大，得到初次放大信号；
后级功放电路，用于对初次放大信号进行功率放大，得到二次放大信号；
所述的后级功放电路包括用于实现输电时电源与负载阻抗匹配的传输线变压器，传输线变压器初级绕组的两端分别连接一个NMOS管的漏极作为初次放大信号的输入；传输线变压器的次级绕组一端，与输出LC滤波电路连接，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线输电功放***，其特征在于：所述的阻抗匹配的步骤如下：
首先，利用传输线变压器将阻抗变换到预设阻值；
然后，设置预设阻值→预设阻值的、所述的输出LC滤波电路。
3.根据权利要求2所述的磁耦合谐振式无线输电功放***，其特征在于：所述的输出LC滤波电路为用于过滤高次谐波的LC低通滤波电路。
4.根据权利要求3所述的磁耦合谐振式无线输电功放***，其特征在于：所述的LC低通滤波电路为五阶LC低通滤波电路，所述的五阶LC低通滤波电路包括两个相串联的滤波电感，两滤波电感串联形成的两个开放端，其中一个与所述的次级绕组一端连接，另一个为二次放大信号的输出端；每个所述滤波电感的两端还分别连接有一个一端已接地的滤波电容。
5.根据权利要求4所述的磁耦合谐振式无线输电功放***，其特征在于：所述的滤波电感，是由0.8mm漆包圆铜线在两个并在一起的铁单体磁芯T50-6上绕制8匝而成的。
6.根据权利要求3所述的磁耦合谐振式无线输电功放***，其特征在于：所述的初始信号的频率为13.56MHz，初次放大信号的功率为10w；所述的二次放大信号的功率为100w。
7.根据权利要求6所述的磁耦合谐振式无线输电功放***，其特征在于：所述的预设阻值为50Ω。
8.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线输电功放***，其特征在于：所述的NMOS管的漏极设置有漏极电路；所述的漏极电路包括：RFC电感，RFC电感一端与传输线变压器初级绕组端的抽头连接，RFC电感另一端分别与电解电容正极和电路供电电压连接，电解电容负极接地，电解电容还并联有一个以上的贴片电容。
9.根据权利要求8所述的磁耦合谐振式无线输电功放***，其特征在于：所述的RFC电感，是由0.8mm漆包圆铜线在两个并在一起的铁氧体磁芯FT-50-43上绕制8匝而成的。
10.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线输电功放***，其特征在于：所述的NMOS管的栅极设置有稳定栅极工作电容自谐振频率的栅极偏置电路；所述的栅极偏置电路是：在栅极工作电容旁并联一个以上的、用于抵消所述栅极工作电容产生的寄生电感的消感电容。
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