Lc槽路谐振耦合和非谐振耦合槽路控制方法及电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供的一种LC槽路谐振耦合和非谐振耦合槽路控制方法，在包含耦合电感和谐振电容的LC槽路中加入受控开关元件，控制开关元件当电感电流为零时断开槽路，加入保持时间，以调整LC槽路谐振的特征周期，实现耦合电感和谐振电容的谐振耦合，所述保持时间是指所述开关元件断开的时间；在包含耦合电感和储能电容的非谐振槽路中加入受控开关元件，控制开关元件的接通、续流和开路的时间，通过耦合电感线圈中的电流的变化，实现能量耦合传输。本发明的方法无需精确调谐元件参数，是简单易实现的无线耦合能量传输方法，是性能和费用的折衷优化。本发明还提供LC槽路谐振耦合控制电路和非谐振耦合槽路控制电路。
【专利说明】
LC槽路谐振耦合和非谐振耦合槽路控制方法及电路
技术领域
[0001]本发明涉及无线耦合能量传输技术领域，特别是涉及一种LC槽路谐振耦合和非谐振耦合槽路控制方法及电路。
【背景技术】
[0002]LC槽路是指包含电感和电容的电路，当存在电感和电容储能相互转移并且需要利用这个转移过程时，这个电路叫LC槽路。在基于LC槽路谐振耦合的无线电能传输的应用中，LC槽路的储能元件的电磁参数通常难以精确控制，需要相互耦合时更进一步受到周边电磁感应体的电磁透镜效果的影响，难以控制其特征周期，(这里的特征周期是指LC储能一次往复转移的时间)。在类似无线感应充电的应用中，如何把收发系统简单高效地调谐有多种方案，现有技术中普遍采用高Q值的精确调整的槽路配合低Q值的耦合结构，以槽路的特征周期强制耦合系统的周期的方案，(这里的Q值是指LC槽路中每个周期往复转移的储能与周期内消耗的能量的比)，或采用切换不同参数的元件或调整元件参数的方案。这些方案要么不能充分利用耦合结构的电感或电容，元件利用率低，要么需要精确的元件参数或复杂的元件切换或昂贵的变参数元件，制造和维护困难、成本高。目前，较低工作频率的无线耦合系统有125kHz的RFID标准和10kHz的Qi/WPA无线充电标准，这些系统都需要匹配电感电容满足谐振频率的要求;W4PA和PMA的标准统一到6.75MHz，采用的也是电感电容匹配满足谐振频率要求的方法。
【发明内容】
[0003]本发明针对现有技术存在的缺陷，提供一种LC槽路谐振耦合和非谐振耦合槽路控制方法及电路，通过加入受控开关元件，控制LC谐振槽路中耦合电感和谐振电容的连接，或者在非谐振槽路中控制耦合电感与储能电容/电源的连接，实现无线耦合能量转移，无需精确调谐元件参数，是简单易实现的无线耦合能量传输方法，是性能和费用的折衷优化。
[0004]本发明的技术方案是:
[0005]1.一种LC槽路谐振耦合控制方法，其特征在于，在包含耦合电感和谐振电容的LC槽路中加入受控开关元件，控制开关元件当电感电流为零时断开槽路，加入保持时间，以调整LC槽路谐振的特征周期，实现耦合电感和谐振电容的谐振耦合，所述保持时间是指所述开关元件断开的时间。
[0006]2.所述开关元件的开关时间根据要达成的谐振频率以频率足够稳定的频率基准电路控制;在一个谐振周期内，每次开关元件接通时开始检测电感电流，当电感电流为零时断开开关，直到达成的谐振周期时间到，开始下一次的接通。
[0007]3.—种非谐振耦合槽路控制方法，其特征在于，在包含耦合电感和储能电容的非谐振槽路中加入受控开关元件，控制开关元件的接通、续流和开路的时间，通过耦合电感线圈中的电流的变化，实现能量耦合传输。
[0008]4.所述开关元件的开关时间根据要达成的频率由带有稳定频率源的电路驱动;在一个频率周期内，每次开关元件接通时开始检测电感电流，当电感电流为零时断开开关，直到拟达成的频率周期时间到，开始下一次的接通。
[0009]5.—种LC槽路谐振耦合控制电路，其特征在于，包括由耦合电感和谐振电容串联组成的谐振电路、与谐振电路并联的储能电容/电源SC，还包括受控开关元件，第一受控开关元件串联在耦合电感与储能电容/电源SC之间，第二受控开关元件并联在耦合电感和谐振电容串联组成的谐振电路的两端;所述第一受控开关元件用于总是在SC向外输出电流的时间片内接通，使SC作为电源向槽路注入能量;或总是在SC吸入电流的时间片接通，使SC作为负载电路的储能电容SC从槽路吸收能量;所述第二受控开关元件用于在耦合电感电流为零时断开槽路，在所述谐振电路中加入保持时间，以调整LC槽路谐振的特征周期，实现耦合电感和谐振电容的谐振耦合。
[0010]6.所述親合电感包括串联储能电感Ls和并联親合电感Lp，以及与Lp并联的等效电源Vc，Vc是谐振电容电压和从接收侧耦合过来的负载电压的和。
[0011 ] 7.所述第一受控开关和第二受控开关为单刀双掷开关，第一受控开关的动端连接在耦合电感和谐振电容串联组成的谐振电路的一端，第二受控开关的动端连接在所述谐振电路的另一端，第一受控开关和第二受控开关的两个不动端分别连接在储能电容/电源SC的两端，使两个单刀双掷开关与SC分别正向接通和反向接通，调换SC与谐振电路连接的方向。
[0012]8.—种非谐振耦合槽路控制电路，其特征在于，包括并联连接的耦合电感和储能电容/电源SC，还包括受控开关元件，所述开关元件并联在储能电容/电源的两端，用于总是在SC向外输出电流的时间片内接通，使SC作为电源向槽路注入能量;或总是在SC吸入电流的时间片接通，使SC作为负载电路的储能电容从槽路吸收能量;在开关元件接通、续流和开路的过程中利用耦合电感线圈中的电流变化实现能量传输。
[0013]9.所述耦合电感包括串联储能电感Ls和并联耦合电感Lp，以及与Lp并联的等效电源Vc，Vc是谐振电容电压和从接收侧耦合过来的负载电压的和。
[0014]10.所述开关元件为两个单刀双掷开关，两个单刀双掷开关的动端连接在耦合电感的两端，两个单刀双掷开关的两个不动端分别连接在储能电容/电源SC的两端，使两个单刀双掷开关与SC分别正向接通和反向接通，调换SC与耦合电感连接的方向。
[0015]本发明的技术效果:
[0016]本发明提供的一种LC槽路谐振耦合和非谐振耦合槽路控制方法及电路，通过加入受控开关元件，控制LC谐振槽路中耦合电感和谐振电容的连接，或者在非谐振槽路中控制耦合电感与储能电容/电源的连接实现无线耦合能量转移，无需精确调谐元件参数，是简单易实现的无线耦合能量传输方法，是性能和费用的折衷优化。其中，LC槽路的谐振耦合控制，是利用在每个谐振周期内耦合电感电流为零时断开槽路的方式，把槽路的能量存储往复时间延长，得到表观的特征周期，也即当能量存储在电感中时利用受控开关使能量以磁场能的形式保持在电感中，暂停转移过程，实现调谐;并且在开关断开保持期间，还可以简单地进行信号传送。这时开关处于开路状态，没有负载，加载到一侧线圈上的信号不需要大功率驱动就可以简单地传送到另一侧，实现随路通信。而本发明的另一特点是，还包括了非谐振耦合槽路控制，能量在非LC谐振情况下的定频传输和接收，无需谐振电容，不利用谐振实现耦合传输，只通过受控开关元件，延长能量在耦合电感与储能电容/电源之间的往复时间，实现能量传输。
【附图说明】
[0017]图la、图1b分别是谐振耦合的示意图及简化模型图。
[0018]图2a、图2b、图2c是本发明LC槽路加入保持时间的原理说明示意图。
[0019]图3a、图3b是本发明LC槽路谐振耦合控制电路(半桥)实施例示意图。
[0020]图4是本发明LC槽路谐振耦合控制电路(全桥)实施例示意图。
[0021 ]图5a是本发明半桥激励非谐振耦合槽路控制电路实施例示意图。
[0022]图5b是本发明全桥激励非谐振耦合槽路控制电路实施例示意图。
【具体实施方式】
[0023]以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
[0024]本发明涉及调谐、非谐振耦合传输、整流、功率传输方向控制和通信4个方面的内容，采用控制LC谐振槽路中耦合电感和谐振电容的连接实现，或者在非谐振耦合槽路中控制耦合电感与储能电容/电源的连接实现。本方案是适用于无线耦合能量转移的基础方案。
[0025]—种LC槽路谐振耦合控制方法，其特征在于，在包含耦合电感和谐振电容的LC槽路中加入受控开关元件，控制开关元件在电感电流为零时断开槽路，加入保持时间，以调整LC槽路谐振的特征周期，实现耦合电感和谐振电容的谐振耦合;所述保持时间是指开关断开的时间。所述开关元件的开关时间根据要达成的谐振频率以频率足够稳定的频率基准电路控制;在一个谐振周期内，每次开关元件接通时开始检测电感电流，当电感电流为零时断开开关，直到达成的谐振周期时间到，开始下一次的接通。具体的是，发送端是根据要达成的谐振频率带有频率足够稳定的频率基准的电路，例如采用石英晶体振荡器作为频率基准得到每个谐振周期的时间。在一个谐振周期内，从一次接通开始到检测到电流为零断开，等要达成的谐振周期时间到，开始下一次接通。接收端则是跟踪接收到的信号接通，电流到零时断开，直到检测到收到的信号变化启动下一次接通。
[0026]以下尝试从基本的简化模型解释耦合槽路谐振面临的问题以及如何采用插入保持时间调谐。图1a是磁场耦合结构的示意图，图1b是简化的电路模型。图中RC为谐振电容，Lc为耦合电感，Lm为互感。紧耦合的情况下两侧线圈合并成一个，电容也合并成一个，共同形成特征周期。松耦合情况下两侧除了各自的特征周期外，其特征周期的差值形成差拍2个特征周期以、一个与互感与两侧电容形成的一个特征周期以及这个特征周期与其它特征周期的差拍周期。这些特征周期是不是能观察到与其是否更有利于能量积累有关；当耦合系统存在损耗时一般只能观察到三者基本特征周期，即两侧各自的和互感的，差拍周期会被淹没。这种耦合结构是互易的，即其本身并不区别向哪一侧耦合，能量在这些电感、电容之间往复转移。当接入驱动源和负载后，驱动侧和负载侧的相位出现相反变化，使总能量转移表现出方向性。转移部分包括作为理想变压器耦合的部分和经过互感Lm传输的部分，其中变压器耦合的同相部分由磁路的几何关系决定，互感部分与对互感的激励有关。当几何关系确定后，设法增大互感的储能可提高能量传输。
[0027]图2a、图2b、图2c示意了加入保持时间调整特征周期的概念。利用电感电流为零时断开槽路的方式，可以把槽路的能量存储往复时间延长，得到表观的特征周期、实现调谐。调谐后合适的相位关系有利于增加单个周期存储的能量，但由于仅仅在张驰时间内出现能量耦合，增加保持时间等于降低了时间利用率;实际应用中该部分仅用于调整电感电容元件的参数差异。当采用方波激励时插入保持时间使LC上电压总是从最大电压开始变化和阻止电流从RC流回储能电容，效果更为显著。参考图2c，特征周期短时电容对电感反向偏置，使部分能量反向流入电感;特征周期长时，电感的能量尚未完全转移到电容。通过插入保持时间和选择特征周期略小的电感电容组合，则可做到每个张驰过程能量在电感和电容间完全转移，抵消时间利用率的降低。
[0028]实际的耦合槽路还需要向槽路注入能量或从槽路提取能量的部分。如图3a、图3b所示，是本发明LC槽路谐振耦合控制电路实施例示意图。
[0029]—种LC槽路谐振耦合控制电路，包括由耦合电感Lc和谐振电容RC串联组成的谐振电路、与谐振电路并联的储能电容/电源SC，还包括受控开关元件S1、S2，第一受控开关元件SI串联在耦合电感Lc与储能电容/电源SC之间，第二受控开关元件S2并联在耦合电感Lc和谐振电容串联RC组成的谐振电路的两端;第一受控开关元件SI用于总是在SC向外输出电流的时间片内接通，使SC作为电源向槽路注入能量;或总是在SC吸入电流的时间片接通，使SC作为负载电路的储能电容SC从槽路吸收能量;第二受控开关元件S2用于在耦合电感电流为零时断开槽路，在谐振电路中加入保持时间，以调整(延长)LC槽路谐振的特征周期，实现耦合电感和谐振电容的谐振耦合。
[0030]参考图3a，其中储能电容SC可以是所负载电路的储能电容，也可以是电源。如果SI总是在SC可向外输出电流的时间片内接通，其作为电源向槽路注入能量;如果它总是在吸入电流的时间片接通，其作为负载电路的储能电容。在这里SI开关起到了受控整流器的的作用，即它保证SC和槽路之间是个单向电流路径。以激励电路为例，接通阶段:开关SI接通，S2断开，此时能量从SC转入LC槽路;开路保持阶段:开关SI断开，S2接通，能量保持在LC槽路中(理想的无损状态下)。这个电路每周期把能量转入LC槽路中，如果没有能量损失，槽路中的能量无限积累；谐振电容RC上会出现的电压高于SC的电压所能提供的摆幅以及因为相移出现不同极性关系。进一步利用SI和S2的开关时间配合把接通时间分解成经SI接通和经S2续流和S2断开保持三个时间段，通过控制保持时间调谐使其工作在预定的频率。控制SI的接通时间则可调整每个周期向槽路中注入的能量；调节注入槽路的能量即调节传输的能量。耦合槽路中的能量越高，相互耦合的部分越高。激励和接收谐振的目的在于提高槽路中的能量。
[0031]对接收一侧整流部分的控制可参照发射一侧的控制，控制向SC输出的时间和保持与发送的合适相位关系。耦合槽路接收侧在没有接收到耦合信号前是被动的，这时SI和S2都处于开路状态。如果接收侧是无源的，在SI和S2可以开关前需要一个与SI并联的二极管整流使其可以向SC供电、建立接收部分的工作电压。接收部分有供电、可以工作后，检测通过耦合槽路感应过来的激励信号，利用激励信号的相位控制控制SI和S2的开关时间实现整流。
[0032]图3b是图3a电路的细化模型，其中Ls是耦合槽路的串联电感，Lp为并联电感，与Lp并联在一起的Vc是从接收侧耦合过来的负载电压和谐振电容电压的和。接收侧控制SI的导通时间决定接收侧SC和RC上的电压，表现为Vc进一步影响到激励侧的槽路能量注入。图3b的电路进一步用来说明在断开保持期间，可以简单地进行信号传送。这时SI和S2都处于开路状态、没有负载，加载到一侧线圈上的信号不需要大功率驱动就可以简单地传送到另一侦U，实现随路通信。图3b所示的信号传输方式是由信号源Vc在线圈(Lp)上加载信号来发送信号，接受一侧相应的信号接收线圈得以感应和接收发射一侧发出的信号。信号的发送和接收发生在断开保持期间(S1、S2均断开)，因此用于发送和接收信号的一对线圈既可以是新增加的一对线圈，也可以利用已有的线圈。
[0033]图3a、图3b的电路只在半个谐振周期内，S卩RC上的电压比SC电压低的时候向槽路注入能量，在此电路基础上通过两个单刀双掷开关调换SC与槽路连接的方向，可以在整个周期向槽路注入能量;这时相同SC电压下可进一步提高传输功率。
[0034]如图4所示，是本发明LC槽路谐振耦合控制电路(全桥)实施例示意图。包括由耦合电感和谐振电容RC串联组成的谐振电路、与谐振电路并联的储能电容/电源SC，其中，耦合电感包括串联电感Ls和并联电感Lp，以及与Lp并联的Vc，Vc是从接收侧耦合过来的负载电压和谐振电容电压的和;还包括受控开关元件S1、S2，第一受控开关SI和第二受控开关S2为单刀双掷开关，第一受控开关的动端连接在耦合电感和谐振电容串联组成的谐振电路的一端，第二受控开关的动端连接在所述谐振电路的另一端，第一受控开关和第二受控开关的两个不动端分别连接在储能电容/电源SC的两端，使两个单刀双掷开关与SC分别正向接通和反向接通，调换SC与谐振电路连接的方向。
[0035]谐振过程建立后，谐振电容RC上的电压和SC上的电压一起作用在槽路耦合电感上，以等效提高耦合电感工作电压的方式提高了其耦合传输能力。当SC的电压相对期望传输的功率够高或者传输的功率够低时可以不利用谐振实现耦合传输。在这个情况下建立耦合磁场的能量采用类似的接通、续流和开路的方式控制，实现耦合传输，这就是非谐振耦合传输。
[0036]—种非谐振耦合槽路控制方法，其特征在于，在包含耦合电感和储能电容的非谐振槽路中加入受控开关元件，控制开关元件的接通、续流和开路的时间，通过耦合电感线圈中的电流的变化，实现能量耦合传输。具体的是，所述开关元件的开关时间根据要达成的频率由带有稳定频率源的电路驱动;在一个频率周期内，每次开关元件接通时开始检测电感电流，当电感电流为零时断开开关，直到达成的频率周期时间到，开始下一次的接通。
[0037]图5a是本发明半桥激励非谐振耦合槽路控制电路实施例示意图。
[0038]—种非谐振耦合槽路控制电路，包括并联连接的耦合电感和储能电容/电源SC，其中，親合电感包括串联电感Ls和并联电感Lp，以及与Lp并联的Vc，Vc是从接收侧親合过来的负载电压和谐振电容电压的和;还包括受控开关元件，所述开关元件并联在储能电容/电源的两端，用于总是在SC向外输出电流的时间片内接通，使SC作为电源向槽路注入能量;或总是在SC吸入电流的时间片接通，使SC作为负载电路的储能电容从槽路吸收能量;在开关元件接通、续流和开路的过程中利用耦合电感线圈中的电流变化实现能量传输。本实施例中，所述开关元件是单刀双掷开关，储能电容/电源SC包括两个串联的SC+和SC-，单刀双掷开关的动端连接串联电感Ls的一端，单刀双掷开关的两个不动端分别连接SC+的正端和SC-的负端。使图4分别在两个变化方向实现了图3电路的工作过程。
[0039]图5b是本发明全桥激励非谐振耦合槽路控制电路实施例示意图。包括两个受控开关元件，两个受控开关元件是两个单刀双掷开关，第一单刀双掷开关的动端连接串联电感Ls的一端，第二单刀双掷开关的动端连接等效电源Vc的一端，两个单刀双掷开关的两个不动端分别分别连接SC的两端，使两个单刀双掷开关与SC分别正向接通和反向接通，调换SC与耦合电感连接的方向。可以在整个周期向槽路注入能量;这时相同SC电压下可进一步提高传输功率。
[0040]在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
【主权项】
1.一种LC槽路谐振耦合控制方法，其特征在于，在包含耦合电感和谐振电容的LC槽路中加入受控开关元件，控制开关元件在电感电流为零时断开槽路，加入保持时间，以调整LC槽路谐振的特征周期，实现耦合电感和谐振电容的谐振耦合;所述保持时间是指所述开关元件断开的时间。2.根据权利要求1所述的LC槽路谐振耦合控制方法，其特征在于，所述开关元件的开关时间根据要达成的谐振频率以频率足够稳定的频率基准电路控制;在一个谐振周期内，每次开关元件接通时开始检测电感电流，当电感电流为零时断开开关，直到达成的谐振周期时间到，开始下一次的接通。3.—种非谐振耦合槽路控制方法，其特征在于，在包含耦合电感和储能电容的非谐振槽路中加入受控开关元件，控制开关元件的接通、续流和开路的时间，通过耦合电感线圈中的电流的变化，实现能量耦合传输。4.根据权利要求3所述的非谐振耦合槽路控制方法，其特征在于，所述开关元件的开关时间根据要达成的频率由带有稳定频率源的电路驱动;在一个频率周期内，每次开关元件接通时开始检测电感电流，当电感电流为零时断开开关，直到达成的频率周期时间到，开始下一次的接通。5.—种LC槽路谐振耦合控制电路，其特征在于，包括由耦合电感和谐振电容串联组成的谐振电路、与谐振电路并联的储能电容/电源SC，还包括受控开关元件，第一受控开关元件串联在耦合电感与储能电容/电源SC之间，第二受控开关元件并联在耦合电感和谐振电容串联组成的谐振电路的两端;所述第一受控开关元件用于总是在SC向外输出电流的时间片内接通，使SC作为电源向槽路注入能量;或总是在SC吸入电流的时间片接通，使SC作为负载电路的储能电容SC从槽路吸收能量;所述第二受控开关元件用于在耦合电感电流为零时断开槽路，在所述谐振电路中加入保持时间，以调整LC槽路谐振的特征周期，实现耦合电感和谐振电容的谐振耦合。6.根据权利要求5所述的LC槽路谐振耦合控制电路，其特征在于，所述耦合电感包括串联储能电感Ls和并联親合电感Lp，以及与Lp并联的等效电源Vc，Vc是谐振电容电压和从接收侧耦合过来的负载电压的和。7.根据权利要求5或6所述的LC槽路谐振耦合控制电路，其特征在于，所述第一受控开关和第二受控开关为单刀双掷开关，第一受控开关的动端连接在耦合电感和谐振电容串联组成的谐振电路的一端，第二受控开关的动端连接在所述谐振电路的另一端，第一受控开关和第二受控开关的两个不动端分别连接在储能电容/电源SC的两端，使两个单刀双掷开关与SC分别正向接通和反向接通，调换SC与谐振电路连接的方向。8.—种非谐振耦合槽路控制电路，其特征在于，包括并联连接的耦合电感和储能电容/电源SC，还包括受控开关元件，所述开关元件并联在储能电容/电源的两端，用于总是在SC向外输出电流的时间片内接通，使SC作为电源向槽路注入能量;或总是在SC吸入电流的时间片接通，使SC作为负载电路的储能电容从槽路吸收能量;在开关元件接通、续流和开路的过程中利用耦合电感线圈中的电流变化实现能量传输。9.根据权利要求8所述的非谐振耦合槽路控制电路，其特征在于，所述耦合电感包括串联储能电感Ls和并联親合电感Lp，以及与Lp并联的等效电源Vc，Vc是谐振电容电压和从接收侧耦合过来的负载电压的和。10.根据权利要求8或9所述的非谐振耦合槽路控制电路，其特征在于，所述开关元件为两个单刀双掷开关，两个单刀双掷开关的动端连接在耦合电感的两端，两个单刀双掷开关的两个不动端分别连接在储能电容/电源SC的两端，使两个单刀双掷开关与SC分别正向接通和反向接通，调换SC与親合电感连接的方向。
【文档编号】H02J50/10GK105896744SQ201610266933
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】谭磊, 易新敏, 朱华, 姚若亚, 王柏军
【申请人】圣邦微电子（北京）股份有限公司