本发明涉及无线充电领域，特别涉及一种恒流功率放大电路及设计方法。
背景技术：
无线充电是一种不需要实际的导线就能进行电力的传输的技术，目前的主要技术有两种，一是通过磁共振原理(magneticresonance)来传输能量，如无线充电联盟(allianceforwirelesspower，简称“a4wp”)即采用该技术；另一种是通过磁感应(magneticinduction)来分享电力，如无线充电联盟(wirelesspowerconsortium简称“wpc”)和电源事项联盟(powermattersalliance简称“pma”)都采用该技术。现在使用较为广泛的无线充电技术是a4wp，它具备可以同时为多台设备充电的优势。
发明人在实现本发明的过程中发现，通常使用的基于a4wp的无线充电功率放大器不能对可变负载提供恒定射频电流输出；而目前通过闭环系统控制来解决对可变负载提供恒定射频电流输出的问题，图1是目前恒流输出开关模式功率放大系统的电路结构示意图，但是通过闭环系统控制的方法实现的电路，对负载阻抗变化的响应速度慢，不能满足极限负载下的反馈速度要求；且闭环控制电路的成本高，不利于恒流功率放大电路的推广。
技术实现要素：
本发明实施方式的目的在于提供一种恒流功率放大电路及设计方法，使得功率放大电路无需使用闭环控制即可对可变负载阻抗提供恒定的输出电流，且响应速度快，减少电路的制作成本。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种恒流功率放大电路，包括：开关模式功率放大器、阻抗转换及滤波网络、负载阻抗；该开关模式功率放大器、该阻抗转换及滤波网络和该负载阻抗依次串接；其中，通过该阻抗转换及滤波网络，使该开关模式功率放大器的负载线与预设恒定功率等高线的最大梯度路径一致。
本发明的实施方式还提供了一种恒流功率放大电路的设计方法，包括：根据产品需求，选择所述恒流功率放大电路的开关模式功率放大器；根据功率输出要求，确定所述恒流功率放大电路的输出阻抗；根据所述输出阻抗和负载阻抗，确定所述恒流功率放大电路的阻抗转换及滤波网络。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过在负载阻抗和开关模式功率放大器之间串接阻抗转换及滤波网络，并通过阻抗转换及滤波网络使该开关模式功率放大器的负载线与预设恒定功率等高线的最大梯度路径一致，实现了功率放大电路在可变负载情况下的恒定电流输出。阻抗转换及滤波网络直接串接在功率放大器之后，无需使用反馈电路，使得在负载阻抗变化时，恒流功率放大电路可以快速响应。同时，阻抗转换及滤波网络的实现简单，降低了功率放大电路实现恒流输出的成本。
另外，阻抗转换及滤波网络包括：阻抗转换网络和陷波滤波器；阻抗转换网络、该陷波滤波器依次串接。通过阻抗转换网络和陷波滤波器的串接组合方式，不仅实现了恒定电流的输出，还滤掉低通信号以及滤掉功率放大器和阻抗转换网络产生的谐波，减少了谐波对整个电路的干扰。
另外，阻抗转换及滤波网络为阻抗转换网络，阻抗转换网络具有低通滤波特性。通过阻抗转换网络的低通滤波特性，过滤频率高的信号。
另外，阻抗转换网络采用基于电感电容的阻抗转换电路实现。采用基于电感电容的阻抗转换电路具有选频特性，能够根据实际需求选择特定的频率。
另外，阻抗转换网络包括至少二阶的阻抗转换电路。多阶的阻抗转换网络提供了一种中间阻抗，使得阻抗转换网络可以快速的满足负载阻抗大变化时的阻抗转换需求。
另外，陷波滤波器采用基于电感电容的谐振组合实现。采用基于电感电容的谐振组合，使得开关模式的功率放大电路实现恒定电流的输出的同时，优化恒流源输出，增强了低通和带阻的滤波效果。
另外，陷波滤波器包括n个基于电感电容的谐振组合，其中，n为正整数；每个基于电感电容的谐振组合的频率分别为系统基带频率的正整数倍，且每个基于电感电容的谐振组合的频率不同。陷波滤波器采用多个基于电感电容的谐振组合方式，有效抑制产生的多次谐波，同时，根据实际需要，灵活的改变电感电容组合，增强了电路的灵活性。
附图说明
图1是根据现有的恒流输出开关模式功率放大系统的电路结构示意图；
图2是根据本发明第一实施方式中的恒流输出开关模式功率放大电路的模块示意图；
图3是根据本发明第一实施方式中的一种阻抗转换电路结构示意图；
图4是根据本发明第一实施方式中的一种阻抗转换的电路对应的频率响应示意图；
图5是根据本发明第一实施方式中的一种二阶阻抗转换电路示意图；
图6是根据本发明第一实施方式中的另一种二阶阻抗转换电路示意图；
图7是根据本发明第一实施方式中的一种恒流输出开关模式功率放大电路示意图；
图8是根据本发明第二实施方式中的恒流输出开关模式功率放大电路的模块示意图；
图9是根据本发明第二实施方式中的一种陷波滤波器电路示意图；
图10是根据本发明第二实施方式中的一种陷波滤波器电路的等效电路示意图；
图11是根据本发明第二实施方式中的一种恒流输出开关模式功率放大电路示意图；
图12是根据本发明第三实施方式中的一种恒流功率放大电路的设计方法的流程图；
图13是根据本发明第四实施方式中的一种恒流功率放大电路的设计方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种恒流功率放大电路。应用于功率放大器对可变负载提供恒定电流输出，比如，基于a4wp的无线充电功率放大器。该恒流功率放大电路包括：开关模式功率放大器、阻抗转换及滤波网络和负载阻抗，连接结构如图2所示。
开关模式功率放大器201、阻抗转换及滤波网络202和负载阻抗203依次串接。
具体的说，开关模式功率放大器有多个种类，例如，d类开关模式功率放大器、e类开关功率放大器和f类开关功率放大器，本实施方式不限制开关模式功率放大器的类型，开关模式功率放大器可以是d类，可以是e类，也可以是f类开关模式功率放大器。本实施方式以e类开关模式功率放大器为例进行说明。e类开关模式功率放大器的电路连接为现有技术，具体的电路连接这里不再做赘述。
在e类开关模式功率放大器之后串接阻抗转换及滤波网络202，阻抗转换及滤波网络中包括阻抗转换网络,该阻抗转换网络具有低通滤波特性。
具体的说，阻抗转换网络有两大类，一种是纯电感或纯电容阻抗变换电路，另一种是电感电容(lc)阻抗转换网络。两类阻抗转换网络的应用场景不同，前者应用于自耦变压器电路、电容分压式电路、电感分压式电路等。而lc阻抗转换网络应用于需要选频特性的网络。本实施方式不对阻抗转换网络的类型做限制，可以根据电路的实际需要选择阻抗转换网络的类型。
一个具体的实施方式中，阻抗转换网络采用基于电感电容的阻抗转换电路实现。
具体的说，采用基于电感电容的阻抗转换电路即为lc阻抗转换网络，具有选频特性，仅允许指定频率的信号通过，lc阻抗转换网络根据截至频率可以为低通滤波、高通滤波和带通滤波器。本实施方式不对阻抗转换网络的类型做限制。本实施方式中选用具有低通滤波特性的lc阻抗转换网络为例进行说明。其中，lc低通阻抗转换网络可以是l型，可以是t型，还可以是π型，例如，l型的lc低通阻抗转换网络的结构如图3所示，电感l的低电平端与电容c的高电平端连接，与负载阻抗rl高电平端连接；电容c的低电平端与rl低电平端连接，此时lc低通阻抗转换网络的频率响应如图4所示。通过lc低通阻抗转换网络可以过滤掉因放大器产生的高频的信号。
在一个具体的实施方式中，lc阻抗转换网络包括至少二阶阻抗转换电路。
具体的说，lc阻抗转换网络根据实际的需要，调整阻抗转换网络的阶数，通过增加阻抗转换网络的阶数，lc阻抗转换网络多提供了一种阻抗自由度，也就是中间阻抗rinter,由于中间阻抗rinter是未知的，因此，可以根据阻抗转换的需求进行转换。本实施方式采用二阶lc阻抗转换网络进行说明，比如，使用两个l型的lc阻抗转换网络串接的结构，如图5所示。也可以使用π型的lc阻抗转换网络，π型网络的源端为l型网络，负载端为l型网络，因此，π型网络可以将一个电感l拆成如图6所示的两个电感l1和电感l2，图6为二阶l型阻抗转换网络。
实施中，阻抗转换网络202串接在开关模式功率放大器201与负载阻抗203之间，具体的电路连接如图7所示。指定恒流功率放大电路的输出功率pout，要实现恒流功率放大电路的恒定电流输出，只需保证开关模式功率放大器201的负载线与预设恒定功率等高线的最大梯度一致。
具体的说，根据公式r＝α(v_dd^2)/pout，其中，α是开关模式功率放大器因子，计算电路的理想的输出阻抗r。根据应用场景的需要，选择阻抗元件，例如，需要进行阻抗转换同时还需要具有滤波特性，因此选择阻抗元件选择电感、电容。本实施方式以电感、电容作为阻抗元件为例进行说明。通过仿真软件，在负载线与预设恒定功率等高线的最大梯度一致的情况时，获取此时阻抗转换及滤波网络的相位偏移θ。此时，根据相位偏移θ、输出阻抗r以及负载阻抗rl,选择阻抗转换网络的类型，在根据阻抗转换类型计算此时阻抗转换网络中电感和电容的值，例如，如图3所示的l型阻抗转换网络，对应以下表达式：
其中,l表示电感和c表示电容，ω是角频率，阻抗转换网络中的品质因数表示为ql。此时，判断实际电路的输出网络的相位偏移θout与仿真的相位偏移θ是否相等，若相等，则结束恒流功率放大电路的设计；若θout不等于θ，则可以根据中间阻抗继续优化阻抗转换网络中元件参数，直至θout等于θ。实际电路中二阶阻抗转换网络的计算表达式也是类似的，仅需将r改为中间阻抗rinter，而中间阻抗rinter是未知的，可以根据实际电路的结果，对中间阻抗rinter进行调整，使得最终电路的输出电流恒定，满足设计的目的。
相对于现有技术而言，本实施方式提供的恒流功率放大电路，通过在开关模式功率放大器之后串接阻抗转换及滤波网络，使该开关模式功率放大器的负载线与预设恒定功率等高线的最大梯度路径一致，确保了负载阻抗变化时，该开关模式功率放大器的恒定电流输出，同时，阻抗转换及滤波网络为阻抗转换网络时，采用基于电感电容的阻抗转换电路，同时具有选频特性，可以根据实际需要选择特定频率的信号通过，减少其他频率的信号对电路的干扰；使用多阶的lc阻抗转换网络，增加了阻抗转换网络的中间阻抗，由于中间阻抗的值未知，可以尽可能满足负载阻抗大范围的改变，增强了电路的适应性。
本发明的第二实施方式涉及一种恒流功率放大电路。第二实施方式是第一实施方式的进一步改进，主要改进之处在于：在第二实施方式中，阻抗转换及滤波网络202包括阻抗转换网络2021和陷波滤波器2022，阻抗转换网络2021、所述陷波滤波器2022依次串接，通过陷波滤波器和阻抗转换网络的组合方式抑制了开关功率放大器以及阻抗转换及滤波网络产生的谐波，连接结构如图8所示。
具体的说，陷波滤波器又称带阻滤波器，陷波滤波器可以为电阻r、电感l和电容c的组合方式，也可以是电感l和电容c的组合方式。本实施方式不限制陷波滤波器元件的组合方式。本实施例中将以基于电感电容的谐振组合方式为例进行说明。基于电感电容的谐振组合有两种形式，一种是一个电感和一个电容并联谐振的方式，这种方式的谐振组合在谐振频率处有很高的阻抗，在远离谐振频率的地方阻抗很低，等效为一个电感。另一种是一个电感和一个电容串联，这种方式的谐振组合在其谐振频率处阻抗很低，而在其他频率的阻抗很高，等效于一个电容。本实施方式可以使用基于电感电容的并联谐振组合，也可以是基于电感电容的串联谐振组合，还可以是既有串联谐振组合，又有并联谐振组合。
一个具体的实施方式中，陷波滤波器包括n个基于电感电容的谐振组合，其中，n为正整数；每个基于电感电容的谐振组合的频率分别为系统基带频率的正整数倍，且每个基于电感电容的谐振组合的频率不同。
具体的说，n个基于电感电容的谐振组合，n为正整数，根据电路的基带频率和产生的谐波频率点设置陷波滤波器中基于电感电容的谐振组合个数。例如，电路的基带频率为f0，开关功率放大器和阻抗转换网络产生了在频率点if0产生i次谐波，在频率点nf0产生n次谐波、在频率点mf0产生m次谐波，则陷波滤波器中包括3个基于电感电容的谐振组合，3个基于电感电容的谐振组合的频率分别设置为lf0，nf0和mf0，3个谐振组合方式为2个串联谐振组合和一个并联谐振组合，如图9所示，根据图9的电路，可知
由此可知，陷波滤波器中的每个谐振组合中的电感和电容值与自身谐振电路的品质因子有关，因此，可以确定各谐振电路的品质因子q值。
值得一提的是，陷波滤波器中包括的n个基于电感电容的谐振组合可以采用滤波器的t型网络的结构，或者π型网络结构，本实施方式不对滤波器的网络结构做限制。
实施中，确定了陷波滤波器的具体结构后，将陷波滤波器串接在阻抗转换网络和负载阻抗之间，本实施方式中以π型网络的陷波滤波器为例进行说明，如图11中的陷波滤波器2022。恒流功率放大电路具体电路连接结构如图11所示。
值得一提的是，在本实施方式中，阻抗转换网络的网络类型的确定与第一实施方式中的阻抗转换网络的网络类型确定大致相同，本实施方式中不在赘述。而本实施方式中，在计算出阻抗转换网络和陷波滤波器中各元件参数，然后通过判断实际电路的输出网络的相位偏移θout与仿真的相位偏移θ是否相等，若相等，则结束恒流功率放大电路的设计；若θout不等于θ，则可以根据中间阻抗继续优化阻抗转换网络中元件参数，根据品质因数优化陷波滤波器中的元件参数，直至θout等于θ。例如，可以调节阻抗转换网络中的中间阻抗和陷波滤波器中的品质因数。
本实施方式中，通过在阻抗转换网络和负载阻抗之间增加陷波滤波器，抑制了开关功率放大器和阻抗转换网络中多次产生的谐波，减少了谐波对整个电路的干扰，增强了电路的信号传递的准确性和安全性，同时，陷波滤波器包括多个基于电感电容的谐振组合，且每个组合的频率不一样，从而抑制了对应频率的谐波。
本发明第三实施方式涉及一种恒流功率放大电路的设计方法，该恒流功率放大电路包括开关功率放大器、阻抗转换及滤波网络和负载阻抗，并依次串接，具体设计步骤如图12所示，包括：
步骤1201：根据产品需求，选择恒流功率放大电路的开关模式功率放大器。
具体的说，根据产品的需求，例如，功率、成本和板子的面积等，选择恒流功率放大电路的开关模式功率放大器。比如，d类开关模式功率放大器的体积小，但是在频率较高时难以应用，e类开关模式功率放大器的频率上限高于d类开关模式功率放大器，但是难以实现宽频带高效率的放大。
步骤1202：根据功率输出要求，确定恒流功率放大电路的输出阻抗。
具体的说，指定恒流功率放大电路的输出功率pout，根据功率输出pout的要求，理想状态下满足公式r＝α(vdd^2)/pout，其中，α是开关模式功率放大器因子，将计算的r作为恒流功率放大电路的输出阻抗。
步骤1203：根据输出阻抗和负载阻抗，确定恒流功率放大电路的阻抗转换及滤波网络。
一个具体的实施方式中，根据所述应用场景的需要，选择阻抗转换网络的各阻抗元件。
具体的说，阻抗转换及滤波网络为具有滤波特性的阻抗转换网络，根据实际的应用场景，选择阻抗转换网络的元件，例如，需要具有滤波特性的网络，可以选择电感和电容元件；应用于自耦变压器电路、电容分压式电路等，则采用纯电容或纯电感元件。
实施中，仿真获得开关模式功率放大器的输出网络的相位偏移。
具体的说，在选择出阻抗转换网络中需要的元件后，使通过仿真软件，在负载线与预设恒定功率等高线的最大梯度一致的情况时，获取此时阻抗转换及滤波网络的相位偏移θ。
实施中，根据该相位偏移、该输出阻抗和负载阻抗确定阻抗转换及滤波网络的类型以及各阻抗元件的参数。
具体的说，通过应用的场景，可以确定出阻抗转换网络使用纯电感或纯电容阻抗变换电路，还是使用电感电容(lc)阻抗转换网络。本实施方式以lc阻抗转换网络为例进行说明。
在确定了选择lc阻抗转换网络后，通过选择阻抗转换网络的结构类型，从而可以确定出阻抗转换网络中个元件的值，例如，l类型的一阶阻抗转换网络中，根据输出阻抗和负载阻抗的值即可确定阻抗转换网络的输出阻抗品质因子，公式如下：
根据ql计算出所需电感和电容的值。考虑到一阶阻抗转换网络在大范围变化的负载阻抗时，不能尽可能转化负载阻抗，因而，使用至少二阶的阻抗转换网络。本实施方式中以二阶阻抗转换网络为例进行说明。各阻抗元件及个阻抗元件的参数在确定之后，选择阻抗转换网络的类型，例如，选择阻抗转换网络中的l类型，根据选择的阻抗转换网络类型，即可通过电路获知实际电路中输出网络产生的相位偏移θout。
判断输出网络产生的相位偏移θout与仿真的相位偏移θ是否相等，若θout等于θ，则结束恒流功率放大电路的设计；若θout不等于θ，则可以根据中间阻抗继续优化阻抗转换网络中元件参数，直至θout等于θ。
相对于现有技术而言，本实施方式提供的恒流功率放大电路的设计方法，通过在开关功率放大器和负载阻抗之间串接阻抗转换网络，实现负载变化时的恒定电流输出，根据功率输出要求，确定出恒流功率放大电路的输出阻抗，确保了恒定电流的输出，同时，通过仿真的相位偏移与实际电路的相位偏移的判断，进一步确保了恒定电流的输出。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本发明第四实施方式涉及一种恒流功率放大电路的设计方法。第四实施方式是第三实施方式进一步改进，主要改进之处在于：在第四实施方式中，根据基带频率和仿真相位偏移确定恒流功率放大电路中阻抗转换及滤波网络的陷波滤波器。本实施方式中阻抗转换及滤波网络包括阻抗转换网络和陷波滤波器，电路设计的具体步骤如图13所示，包括：
步骤1301：根据产品需求，选择恒流功率放大电路的开关模式功率放大器。
步骤1302：根据功率输出要求，确定恒流功率放大电路的输出阻抗。
步骤1303：根据输出阻抗和负载阻抗，确定恒流功率放大电路的阻抗转换及滤波网络。
具体的说，阻抗转换及滤波网络包括：阻抗转换网络和陷波滤波器网络。陷波滤波器用于抑制前级网络产生的谐波，以防止谐波对电路的干扰，陷波滤波器的类型有多种，本实施方式中不限制陷波滤波器的类型，本实施例以基于电感电容的陷波滤波器为例进行说明。
步骤1304：根据基带频率和该相位偏移，确定恒流功率放大电路的阻抗转换及滤波网络的陷波滤波器。
具体的说，陷波滤波器的品质因子是可进行选择的，根据系统的基带频率可以确定陷波滤波器的品质因子。例如，在第二实施方式中的图9以及与图9中电路对应的等效电路图10所示，可以得到公式，
其中，f0是系统的基带频率，l、n和m为整数，代表f0的l、n和m次谐波，ω是角频率。
可以确定出陷波滤波器的品质因数，品质因数是可变的，因此，在恒流功率放大电路连接完成以后，通过电路验证该电路的输出网络的相位偏移是否等于仿真的相位偏移，若不等于，则调整陷波滤波器的q值和阻抗转换网络中的中间阻抗值，直至输出网络的相位偏移等于仿真的相位偏移。
此外，本实施方式中的步骤1301至步骤1303与第三实施方式中的步骤1201至步骤1203大致相同，为了减少重复，此处不再赘述。
本实施方式中，增加了陷波滤波器的设计，陷波滤波器用于抑制前级网络产生的谐波，减少电路中谐波对电路的干扰，通过调整陷波滤波器的品质因子和阻抗转换网络中的中间阻抗，以优化恒流功率放大电路，实现恒定电流的输出。
由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。