基于方波載波占空比調制的ECPT系統能量信號并行傳輸技術

蘇玉剛周 瑋呼愛國孫 躍陳 龍

(1.重慶大學自動化學院 重慶 400030 2.奧克蘭大學電子與計算機工程系 奧克蘭 1010)

0 引言

無線電能傳輸技術(Wireless Power Transfer，WPT)實現了電源到負載的無線供電，擺脫了直接電接觸對設備的束縛，并在許多領域得到廣泛應用［1，2］。電場耦合無線電能傳輸(Electric-field Coupled Power Transfer，ECPT)技術以其輕便、低輻射以及耦合機構多樣等優點成為無線電能傳輸領域新的研究熱點。國內外專家學者圍繞移動機器人［3］、生物醫學設備［4］、3D 絕緣硅超大規模集成電路［5］、旋轉機構［6］及電動汽車［7］等諸多應用領域展開研究。

目前WPT 系統設計更關注電能的無線傳輸［8-11］，但在很多應用領域中不僅需要能量的無線傳輸，還需要實現能量與信號的并行傳輸［12，13］。國內外學者已圍繞WPT 系統的能量信號并行傳輸展開研究，但主要集中于感應耦合電能傳輸(Inductive Coupled Power Transfer，ICPT)系統。由于ICPT 系統與ECPT 系統的區別，需要對ECPT 系統進行重新分析，針對系統特性設計合適的能量并行傳遞方法。目前ICPT 的能量信號并行傳輸研究主要有以下幾類:文獻［14］以信號傳遞為主導，輔以能量傳遞，適用于mW 級小功率設備;文獻［15］采用電力載波，通過信號與電能波形分離實現信號傳遞;文獻［16］以電壓波形為載波通過ASK 和FSK 等方式傳遞信號。但目前在ECPT 領域的能量與信號并行傳輸的研究尚少，僅局限于信號傳遞主導的小功率的能量傳輸［17］。

本文以文獻［18］提出的基于E 類放大器的ECPT系統為例(如圖1所示)，提出一種基于方波載波占空比調制的信號調制方法，利用能量通道實現較寬頻率帶寬范圍內的信號傳遞，簡化了信號調制難度，提升了信號傳遞速率，降低了信源開關頻率，并簡化了信號及能量波形的分離環節。

圖1 ECPT 系統電路拓撲Fig.1 Circuit topology of ECPT system

1 ECPT 系統信道建模分析

在圖1的ECPT 系統基礎上將信源串聯于耦合電容前端，如圖2所示。在ECPT 傳輸能量的通路中傳輸信號，信道對信號的衰減特性將直接影響信號傳輸質量，故對信道的特性分析極為重要。

圖2 信號加載模塊位置示意圖Fig.2 Location diagram of signal loading module

考慮電路中的元器件均為理想器件，將直流電壓源Vin內阻視為零，即視為短路。為簡化分析，將電路中的整流濾波電路及用電負載統一考慮成理想阻性負載Ro。此前提下開關管S1的通斷將系統分為兩個工作模態，信道的等效電路圖如圖3所示。

圖3 信道等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of signal channel

考慮信號電壓u 為信道輸入，信道輸出為負載電流io。于是各模態下的信道模型可表示為

S 導通時，有

S 關斷時，有

式中:x1=［uCN2，iLN，uCS］T;x2=［uCN1，uCN2，iL，iLN，uCS］T。由上述兩種模態對應的狀態空間方程，以表1中的數據為系統仿真參數，繪制模態1 和模態2 的信道模型Bode 圖，得到信道的頻域響應特性如圖4所示。

表1 ECPT 電路參數Tab.1 The circuit parameters of ECPT system

圖4 信道頻率響應Bode 圖Fig.4 Bode plot of signal channel frequency response

圖4中兩種模態下信道的頻域響應較為類似。取信道衰減小于5%為無衰減邊界，兩種模態下信道無衰減的起始角頻率。為減少信道對信號的衰減作用，選擇的信號角頻率ω 需滿足。可見該系統的信道頻率被限制在較高的頻率范圍，信道帶寬和信號傳遞速率受限。

2 方波載波調制的系統響應

為解決信道頻帶和信號傳遞速率受限的問題，本節針對ECPT 系統，分析了方波信號激勵下信道的輸出響應。在表1 的參數條件下，信源端口輸入阻抗表示為

考慮方波的上升沿與下降沿蘊含豐富的高頻諧波，而低頻分量較小可以忽略。于是高頻激勵下，信源輸入阻抗進一步近似為

即電路除負載外的阻抗可近似等效為容性阻抗，于是等效電路圖即簡化為電源與負載電阻和等效電容的串聯結構，如圖5所示。

圖5 雙模態下簡化等效電路圖Fig.5 Simplified equivalent circuit diagram

當輸入電壓uin為方波信號時，負載電阻上的電壓時域解表示為

根據上述模型求解，可得出載波為任意占空比時，系統的輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 方波載波輸入波形與輸出電壓波形Fig.6 Square carrier and output voltage waveform

圖6中，當方波信號通過信道時，系統負載上拾取到的電壓uRo為正負脈沖信號，正脈沖出現于方波上升沿，負脈沖出現于方波下降沿。于是一次側加載的方波信號載波的占空比與二次側拾取的上下尖峰間隔和周期之比相等，這一特性即克服了信道的帶寬限制。

3 基于方波占空比的信號調制解調

在傳統的正弦波載波的信號傳遞模式中，根據信號的調制方式不同，可將信號調至為正弦波載波的幅值(ASK)、頻率(FSK)、相位(PSK)等可識別量，隨同載波傳遞至解調模塊，根據上述載波的可識別量解調信號。但通常正弦波的調制在高頻條件下對調制電路要求極高，從而提升了方案實現的難度與成本。

針對前文提出的以方波代替正弦波作為載波的通信模式，本節進一步提出一種基于方波占空比調制的信號調制模式，將信號編譯成載波不同的占空比。由于對方波占空比的調制較之于對正弦波的調制而言簡單易行且準確度更高，故可充分利用占空比調制方便及可調范圍寬的特性，采用多進制編碼提升信號傳輸速率、降低信源開關頻率。在具體調制過程中，首先將待傳遞數據進行編碼，然后根據多進制碼與占空比的一一映射，將多進制編碼調制為方波載波的占空比。例如當一次側部分只需要向二次側部分傳輸“0”、“1”兩種信號，則可選擇占空比為“0.2”和“0.8”的方波載波對應相應的信號，如果一次側部分需要向二次側部分傳輸“00”、“01”、“10”、“11”四種信號，則可選擇占空比為“0.2”、“0.4”、“0.6”和“0.8”的方波載波對應相應的信號，依次類推，提高信號傳輸速率。最終在一般情況下，可將占空比0～1 均分為N 等分，于是相同的信源開關頻率下信號傳遞速率可提升log2N 倍，或相同的信號傳遞速率條件下信源開關頻率降低log2N 倍。

同樣的，在解調環節中根據解調電路檢測到的上下尖峰脈沖，將信號恢復為方波信號，然后提取方波載波中的占空比信息，最終根據既定的映射關系將占空比信息恢復為多進制編碼。總結如圖7所示，其中信號解調模塊如圖8所示。

圖7 信號的調制-傳遞-解調Fig.7 Modulation-demodulation and transmission of signal

圖8 信號拾取耦合機的構改進示意圖Fig.8 Figure of signal pick-up coupling structure

圖8中耦合電容CD傳遞信號，耦合電容Cs傳遞能量，且CD容值遠小于Cs。由式(4)可知，在以方波電壓作為激勵的電容電阻串聯回路中，電阻端電壓峰值僅取決于載波即方波信號uin的峰值，與回路中等效電容(受耦合電容影響)和電阻無關。故本文在耦合極板上分別并聯一對容值極小的信號耦合電容CD，并在二次側串聯信號拾取電阻RD。由于串聯電容與電阻對信號拾取波形峰值沒有影響，故RD上信號波形幅值與Ro相同，可實現信號傳遞。并且由于CD容值極小，對能量回路的分流作用可以忽略，即對無線電能傳輸沒有影響。故雙耦合電容方式實現能量與信號分離，簡化了能量-信號分離步驟，同時對能量回路的電能傳輸功率影響較小，實現信號的解調與干擾的隔離。

4 實驗驗證

通過實驗驗證基于方波載波占空比調制的ECPT系統高速信號傳輸技術的可行性與有效性。能量傳遞部分根據圖1的ECPT 電路拓撲搭建實際電路，系統參數設置如表1 所示。圖9為ECPT 系統的能量實驗波形，由圖中可看出，系統工作頻率約為259.7 kHz。負載為500 Ω 下負載峰值電壓為272 V，即拾取功率為73.98 W。

圖9 ECPT 系統能量實驗波形Fig.9 Energy experiment waveform of ECPT system

信號傳遞部分的方波載波由FPGA 產生，通過驅動電路加載入主電路中。圖10為ECPT 系統信號實驗波形，取占空比為50%為例，測得系統信號傳遞速率可達5.6 Mbit/s。低頻(例如10 kHz)下信號傳遞狀態良好，頻率大于2.8 MHz時，由于器件特性限制使得信號傳遞不理想。

在低頻段可采用多占空比鍵控的方式調制信號提高信號速率，如圖11所示。圖中方波載波頻率約為1 MHz，取占空比分別為0.2 和0.8 為例，系統信號解調效果較好。

圖10 寬頻帶信號傳遞實驗Fig.10 Wide bandwidth of signal transmission experiment

圖11 固定頻率下占空比調制實驗Fig.11 Duty cycle modulation under fixed frequency

5 結論

本文針對目前WPT 系統能量信號并行傳輸所存在的信道頻帶及傳輸速率有限，且多應用于小功率場合等問題提出了一種以方波載波占空比調制的信號調制方法。該方法以方波信號為信號載波，通過改變載波占空比實現信號調制，在另一側以脈沖波形為解調波形，實現從一次側到二次側的單通道傳輸。該方法拓寬了信道帶寬，簡化了信號調制難度;此外采用多進制編碼提升了信號傳輸速率、降低了信源開關頻率;通過改進信號解調機構，簡化了能量-信號分離步驟。最后搭建了硬件實驗電路，實驗中系統在能量無線傳輸功率達73.98 W 的同時信號傳遞速率達5.6 Mbit/s，進一步驗證了本方案的可行性與有效性。為ECPT 系統的能量信號并行傳輸提供了一種新思路。

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