專利名稱：磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，具體地說(shuō)，是涉及一種磁諧振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸是一項(xiàng)仍處于起步階段的新型能量傳輸技術(shù)，這一技術(shù)能夠有效地克服有線供電方式存在的設(shè)備移動(dòng)靈活性差、環(huán)境不美觀、容易產(chǎn)生接觸火花、供電線暴露等問題，由于在利用磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸技術(shù)傳輸電能的過程中，外界障礙物、接收端負(fù)載及電路工作溫度變化等會(huì)導(dǎo)致諧振電路中收發(fā)線圈電感量變化，從而引起諧振頻率的變化，即失諧，這會(huì)嚴(yán)重影響電能的傳輸效率。傳統(tǒng)的諧振電路中，電能的傳輸效率隨著諧振頻率的上升逐漸增加，隨著距離的 增加而迅速降低，而發(fā)射線圈電感量的變化是影響電能無(wú)線傳輸效率的重要因素，當(dāng)發(fā)射線圈的電感偏移理論值+/-2%時(shí)，傳輸效率會(huì)下降很多，因此，發(fā)明創(chuàng)造一種傳輸效率確定，即諧振頻率確定，損耗較低的磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)為技術(shù)發(fā)展所需。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的由于諧振頻率不確定導(dǎo)致傳輸效率不穩(wěn)定，造成能量損耗的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，包括直流電源，還包括輸入端與直流電源相連的驅(qū)動(dòng)放大器，均與驅(qū)動(dòng)放大器輸出端相連的鎖相環(huán)頻率跟蹤電路和諧振天線系統(tǒng)，以及與該諧振天線系統(tǒng)輸出端相連的接收電路，所述諧振天線系統(tǒng)還與鎖相環(huán)頻率跟蹤電路的輸入端相連。具體地說(shuō)，所述直流電源由交流電源及與交流電源輸出端相連的交直流轉(zhuǎn)換器組成，所述驅(qū)動(dòng)放大器與交直流轉(zhuǎn)換器的輸出端相連；所述鎖相環(huán)頻率跟蹤電路包括與驅(qū)動(dòng)放大器輸出端相連的PWM驅(qū)動(dòng)電路，和與PWM驅(qū)動(dòng)電路輸入端相連的頻率跟蹤電路，所述諧振天線系統(tǒng)與頻率跟蹤電路的輸入端相連；所述諧振天線系統(tǒng)包括與驅(qū)動(dòng)放大器輸出端相連的第一諧振補(bǔ)償電路，與第一諧振補(bǔ)償電路輸出端相連的第一 PCB感應(yīng)天線，與第一 PCB感應(yīng)天線相對(duì)應(yīng)的第二 PCB感應(yīng)天線，所述第一 PCB感應(yīng)天線與頻率跟蹤電路的輸入端相連；所述接收電路包括與第二 PCB感應(yīng)天線輸出端相連的第二諧振補(bǔ)償電路，與第二諧振補(bǔ)償電路輸出端相連的整流濾波電路，與整流濾波電路輸出端相連的穩(wěn)壓電路，以及與該穩(wěn)壓電路輸出端相連的負(fù)載。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
(I)本發(fā)明通過簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了提高能量傳輸效率，減小能量在傳輸過程中的損耗的目的，實(shí)施方便，具有很好的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。(2)本發(fā)明中，我們選擇在硬質(zhì)基板上制作通過諧振原理產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的發(fā)射和接受能量用的螺旋線圈，由此制成的PCB感應(yīng)天線能夠增強(qiáng)傳輸效率，且便于植入及在實(shí)際應(yīng)用中批量生產(chǎn)，符合實(shí)際應(yīng)用中的需求。( 3 )本發(fā)明中，通過鎖相環(huán)頻率跟蹤電路進(jìn)行諧振補(bǔ)償，通過諧振天線系統(tǒng)進(jìn)行能量傳輸，充分保證了能量的傳輸效率，最大限度地降低了能量在傳輸過程中的損耗。( 4 )本發(fā)明中，通過整流濾波電路和穩(wěn)壓電路對(duì)含大量紋波的直流信號(hào)進(jìn)行處理，得到穩(wěn)定的直流電壓，之后再將該穩(wěn)定的直流電壓傳輸?shù)截?fù)載，這樣的處理方式充分保證了輸出電能的穩(wěn)定性，安全可靠，符合實(shí)際需求。


圖I為本發(fā)明的整體系統(tǒng)框圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的鎖相環(huán)電路圖。 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的信號(hào)轉(zhuǎn)化電路圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的整體電路原理圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例中接收電路的原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。
實(shí)施例如圖I所示，磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，包括順次連接的交流電源、交直流轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)放大器、第一諧振補(bǔ)償電路、第一 PCB感應(yīng)天線、第二 PCB感應(yīng)天線、第二諧振補(bǔ)償電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、負(fù)載，以及與驅(qū)動(dòng)放大器輸出端相連的PWM驅(qū)動(dòng)電路，所述第一 PCB感應(yīng)天線通過頻率跟蹤電路與PWM驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連。其中，交流電源及與其輸出端相連的交直流轉(zhuǎn)換器構(gòu)成了直流電源；與驅(qū)動(dòng)放大器輸出端相連的PWM驅(qū)動(dòng)電路及連接于第一 PCB感應(yīng)天線輸出端與PWM驅(qū)動(dòng)電路輸入端之間的頻率跟蹤電路構(gòu)成了鎖相環(huán)頻率跟蹤電路；直流電源，與直流電源輸出端相連的驅(qū)動(dòng)放大器，與驅(qū)動(dòng)放大器輸出端相連的鎖相環(huán)頻率跟蹤電路構(gòu)成了發(fā)射電路；順次連接的第一諧振補(bǔ)償電路、第一 PCB感應(yīng)天線、第二 PCB感應(yīng)天線構(gòu)成了諧振天線系統(tǒng)；順次連接的第二諧振補(bǔ)償電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、負(fù)載構(gòu)成了接收電路。本發(fā)明中，交直流轉(zhuǎn)換器將交流電源提供的220V交流電壓轉(zhuǎn)成直流電壓，并為驅(qū)動(dòng)放大器供電，鎖相環(huán)頻率跟蹤電路提取驅(qū)動(dòng)放大器產(chǎn)生的PWM信號(hào)和諧振天線系統(tǒng)固有的頻率信號(hào)，同時(shí)將所采集的電壓信號(hào)放大，并進(jìn)行頻率補(bǔ)償，以獲得最大的功率，然后將兩種信號(hào)輸入到鎖相環(huán)中，當(dāng)PWM信號(hào)頻率小于諧振頻率時(shí)，鎖相環(huán)增大PWM信號(hào)頻率，當(dāng)PWM信號(hào)頻率大于諧振頻率時(shí)，鎖相環(huán)減小PWM信號(hào)頻率，通過這樣的負(fù)反饋系統(tǒng)，PWM信號(hào)頻率最終將保持在諧振頻率附近，然后經(jīng)由PWM驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)放大器放大PWM信號(hào)，之后將能量通過第一諧振補(bǔ)償電路以最大的能量輸入到第一 PCB感應(yīng)天線，通過磁耦合，將能量傳輸?shù)降诙?PCB天線上，再通過第二諧振補(bǔ)償電路，以最大的能量傳輸?shù)秸鳛V波電路上。
本發(fā)明中，諧振天線系統(tǒng)通過第一諧振補(bǔ)償電路，使得PWM信號(hào)以最大功率傳輸，當(dāng)頻偏存在時(shí)，雖然PWM信號(hào)傳輸?shù)降谝?PCB感應(yīng)天線不能達(dá)到最大功率，但是通過頻率跟蹤，最終PWM信號(hào)將以最大功率傳輸?shù)降谝?PCB感應(yīng)天線上。傳輸?shù)降谝?PCB感應(yīng)天線的能量通過磁耦合將能量傳輸?shù)降诙?PCB感應(yīng)天線上，然后再通過第二諧振補(bǔ)償電路，以最大能量傳輸?shù)浇邮针娐分腥?，通過整流濾波電路獲得含大量紋波的直流信號(hào)，提取出信號(hào)的幅值，再通過穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定的直流電壓，之后將該穩(wěn)定的直流電壓傳輸?shù)截?fù)載。作為優(yōu)選，PCB感應(yīng)天線是通過諧振的原理產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的發(fā)射和接受能量用的螺旋線圈。為了增強(qiáng)傳輸效率，便于植入及在實(shí)際應(yīng)用中批量生產(chǎn)，我們選擇在硬質(zhì)基板，例如PCB板上制作線圈。如圖2所示，此為我們提供的一種鎖相環(huán)電路，包括與直流電源Ul相連的驅(qū)動(dòng)放大器U2，通過PCB感應(yīng)天線U8與驅(qū)動(dòng)放大器U2相連的接收電路U3，輸入端均與驅(qū)動(dòng)放大器U2相連的差分放大器U4和PWM驅(qū)動(dòng)電路U5，與差分放大器輸出端相連的相位補(bǔ)償比較模塊U6，該相位補(bǔ)償比較模塊U6還通過鎖相環(huán)U7與PWM驅(qū)動(dòng)電路U5相連。
在該鎖相環(huán)電路中，采樣而來(lái)的電壓信號(hào)包含PWM信號(hào)，和諧振天線系統(tǒng)固有信號(hào)，通過差分放大器U4將信號(hào)放大，由于電壓采樣、頻率跟蹤、隔離驅(qū)動(dòng)以及MOSFET通斷等都需要時(shí)間，致使諧振電壓與諧振電流之間存在相位差，為了保證信號(hào)以最大能量傳輸，我們?cè)诖思尤胂辔谎a(bǔ)償比較模塊U6，經(jīng)過相位補(bǔ)償后，通過鎖相環(huán)U7，產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)，這個(gè)信號(hào)頻率通過PWM驅(qū)動(dòng)電路U5逐漸逼近諧振天線系統(tǒng)固有的頻率，由此大大地減小了傳輸損耗，提高了傳輸效率。如圖3所示，差分放大器采樣的電壓信號(hào)來(lái)自于第一諧振補(bǔ)償電路和PWM驅(qū)動(dòng)電路，差分放大器放大采集到的信號(hào)，同時(shí)將差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)，應(yīng)用于系統(tǒng)中。該電路中，R2=R3 ;R4=R5。如圖4所示，在本發(fā)明中，各電路及模塊均為現(xiàn)有的，作為優(yōu)選，我們采用NE564芯片及其構(gòu)成的基本電路來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)技術(shù)；采用IR2181芯片及其構(gòu)成的基本電路作為PWM驅(qū)動(dòng)電路；采用LM319芯片及其構(gòu)成的基本電路作為頻率跟蹤電路；如圖5所示，采用快恢復(fù)二級(jí)管1N5819組成的整流橋和電容濾波電路作為整流濾波電路；而采用TI公司的TPS5430芯片及其構(gòu)成的基本電路作為穩(wěn)壓電路。按照上述實(shí)施例，便可很好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，包括直流電源，其特征在于，還包括輸入端與直流電源相連的驅(qū)動(dòng)放大器，均與驅(qū)動(dòng)放大器輸出端相連的鎖相環(huán)頻率跟蹤電路和諧振天線系統(tǒng)，以及與該諧振天線系統(tǒng)輸出端相連的接收電路，所述諧振天線系統(tǒng)還與鎖相環(huán)頻率跟蹤電路的輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述直流電源由交流電源及與交流電源輸出端相連的交直流轉(zhuǎn)換器組成，所述驅(qū)動(dòng)放大器與交直流轉(zhuǎn)換器的輸出端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述鎖相環(huán)頻率跟蹤電路包括與驅(qū)動(dòng)放大器輸出端相連的PWM驅(qū)動(dòng)電路，和與PWM驅(qū)動(dòng)電路輸入端相連的頻率跟蹤電路，所述諧振天線系統(tǒng)與頻率跟蹤電路的輸入端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述諧振天線系統(tǒng)包括與驅(qū)動(dòng)放大器輸出端相連的第一諧振補(bǔ)償電路，與第一諧振補(bǔ)償電路輸出端相連的第一 PCB感應(yīng)天線，與第一 PCB感應(yīng)天線相對(duì)應(yīng)的第二 PCB感應(yīng)天線，所述第一 PCB感應(yīng)天線與頻率跟蹤電路的輸入端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述接收電路包括與第二 PCB感應(yīng)天線輸出端相連的第二諧振補(bǔ)償電路，與第二諧振補(bǔ)償電路輸出端相連的整流濾波電路，與整流濾波電路輸出端相連的穩(wěn)壓電路，以及與該穩(wěn)壓電路輸出端相連的負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，主要解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的由于能量在傳輸過程中諧振頻率不確定導(dǎo)致傳輸效率不高的問題。該磁諧振耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，包括直流電源，還包括輸入端與直流電源相連的驅(qū)動(dòng)放大器，均與驅(qū)動(dòng)放大器輸出端相連的鎖相環(huán)頻率跟蹤電路和諧振天線系統(tǒng)，與諧振天線系統(tǒng)輸出端相連的接收電路，所述諧振天線系統(tǒng)還與鎖相環(huán)頻率跟蹤電路的輸入端相連。通過上述方案，本發(fā)明達(dá)到了減小能量在傳輸過程中的損耗的目的，具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102780275SQ20121027485
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者劉佳奇, 廖余立, 李樂偉, 王瓏 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)