基于大功率ICPT系統的載波通信設計

張浚坤，馬學軍,,胡國珍,,陳旭武

(1.武漢理工大學自動化學院，湖北武漢430070；2.湖北理工學院電氣與電子信息工程學院，湖北黃石435003)

基于大功率ICPT系統的載波通信設計

張浚坤1，馬學軍1,2,胡國珍1,2,陳旭武2

(1.武漢理工大學自動化學院，湖北武漢430070；2.湖北理工學院電氣與電子信息工程學院，湖北黃石435003)

針對大功率ICPT系統進行載波通信方案設計。在詳細分析比較調制方式的基礎上，提出了一種使用半橋諧振型逆變器產生載波信號的方案,并對傳統ASK方式解調電路進行改進，使其性能進一步優化。實驗結果表明該方案簡單可行、低功耗、低成本,具有良好的應用前景。

ICPT；載波通信；解調；2ASK

隨著無線電能傳輸領域的迅猛發展，大功率感應式磁耦合電能傳輸(Inductive coupled power transfer，簡稱ICPT)系統中對信號傳輸的要求也變得日益嚴苛。目前采用的載波通信方案功耗偏高、設計方案較復雜、成本較高。設計一種合理方式進行載波通信，既具有載波通信信號傳輸實時性好、抗干擾性強的特點,同時也可降低設計成本和功耗[1-2]。

1　載波通信方式設計

1.1傳輸方式原理

本文基于大功率ICPT系統載波通信方式設計原理如圖1所示。圖中主要由發送電路、軌道和接收電路構成。發送電路從主控芯片中獲得基帶信號數據，通過調制電路調制成載波信號。再將載波信號經由耦合電路加載至導軌上。由于導軌上的載波以行波方式進行傳播，為了增加信號的傳輸距離，在導軌末端要加入阻抗匹配電路。接收電路將載波信號經過解調復原出基帶信號后再根據數據的通信協議對終端進行控制[2]。

圖1　ICPT系統載波通信結構

1.2調制方式原理

由于一般數字基帶信號含有豐富的低頻成分，而導軌實際上是一個帶通信道。因此必須對基帶信號進行調制。通常情況下，載波以正弦波形為主。通過調整其相位、頻率和幅值傳遞信息。分別對應為ASK(幅移鍵控)、FSK(頻移鍵控)和PSK (相移鍵控)。相較于FSK方式和PSK方式而言，ASK方式具有實現簡單、功耗低、頻帶利用率高的特點[3]。在大功率ICPT系統中，鑒于能量傳輸過程產生的高頻噪聲和逆變噪聲成為載波通信需要考慮到的主要因素。ASK調制是線性調制，在接收端濾波過程中較FSK和PSK方式更有利于提高信號的信噪比。雖然在電話有線通信中ASK方式速率最高才可達1 200 bps，但通過適當提高發射功率可以彌補其傳輸速率低的缺點。基于以上原因，本文采用ASK方式中最常用的OOK (通-斷鍵控)方式進行調制。

1.3載波頻率選擇

在大功率無線電能傳輸時，電能噪聲功率大、頻率高(本文開關頻率為25 kHz、原邊導軌電流Irms=50 A)。設計中既要保證載波通信遠離電源噪聲的干擾，也不應干擾環境中其他通信頻段的工作。我國中波頻段范圍：526.5～1 606.5 kHz，載波通信頻段應遠離該頻段，但載波頻率過高也會造成設計成本能耗過高。故選取低于該頻段頻率進行設計。本文中主要噪聲為25 kHz頻率的逆變噪聲，載波頻率越高，逆變噪聲對通信的影響越小。綜上所述，選定載波頻率為400 kHz。

2　載波通信電路設計

2.1調制電路設計

ASK方式時域表達式為：

目前，MOSFET管在小功率應用下可以達到1 MHz開關頻率。如圖2所示，本文采用半橋諧振逆變器產生400 kHz正弦波。相較于傳統功率放大電路，該方案能耗更低。半橋電路用IR2302芯片驅動，主控芯片將基帶信號調制成PWM波。此時，當基帶信號發“1”時，半橋電路形成互補的方波。

圖2　調制電路結構圖

電容Cp和電感Lp組成諧振濾波器，在400 kHz諧振頻率下由諧振公式取Lp=42 μH，Cp=3.8 nF。經過諧振后使用隔離變壓器將發送端和導軌進行隔離。

25 kHz能量信號經過電容Cs產生阻抗Zs，經過Cp、Lp產生阻抗Zp。取電容Cs=1 nF，則：

由公式(2)可知，經過電感Lp和電容Cp、Cs之后對能量噪聲會產生很高的阻抗，即實現了信號發射端與能量傳輸端的電氣隔離。

2.2接收電路設計

如圖3所示，取接收端天線自感L1=600 μH，配諧振電容C1=264 pF，電阻R1=10 Ω。串聯諧振品質因數Q=ωL1/R1=24。在此諧振回路中，400 kHz頻率對應1.19 dB的增益，25 kHz頻率對應－67.6 dB增益。由信噪比SNR=20Lg(VS/VN)知,信噪比增加了68.7 dB。

圖3　接收電路結構圖

帶通濾波器設計既要能保證濾波器具有一定的通頻帶能力，同時也要保證能有效降低電能噪聲。帶通濾波器設計公式[4]，低通部分濾波器截止頻率fL和高通部分濾波器截止頻率fH分別為:

濾波器比例放大系數和帶通放大倍數：

這里將帶通濾波器分為高通部分和低通部分來進行分析。高通部分主要用來濾除電能噪聲，反饋電阻R4用于增強輸出信號。如將fH定于載波頻率－3 dB增益時，載波信號經運放后不會大幅度增益。當設計高通部分截止頻率在1.5 dB衰減時，可有效提高該增益。同時按此設計通信信號衰減不變。

濾波電容一般選取容值較低的電容，取C3=C2=1 nF。當fH=284 kHz時，對應400 kHz是衰減－1.5 dB。此時R3=560 Ω。設計Auf=2.5，此時通帶放大倍數Aup=5。在高通部分數據確定時，低通部分截止頻率fL既要能濾除高頻噪聲，又要選取合適的通頻帶。經過仿真和計算，當R2=500 Ω時濾波效果最佳。由反饋特性可知，選取電阻R4同R2阻值相同。經仿真，400 kHz頻率對應27 dB的增益，25 kHz頻率對應－16 dB增益。

信號經過同向比例放大之后再由電壓跟隨器送入幅值檢測電路。幅值檢測電路利用電容充放電原理工作。根據充放電時間常數τ=RC，確定合理的充放電時間，取R4=1 kΩ，C4= 1 nF。幅值檢測電路將包絡信號檢出后再經過電壓比較器即將基帶信號還原。

3　通信原理仿真

為了驗證該系統的可行性和穩定性，現對該方案用MATLAB進行仿真。

如圖4所示，4(a)圖為有效值為50 A的原邊導軌電流波形，其電能質量不受400 kHz載波的影響，可進行大功率電能傳輸。4(c)圖載波是接收端經過RLC串聯諧振及帶通濾波之后產生的波形。與基帶信號4(b)圖對比，其包絡特性滿足解調的要求。4(d)圖為幅值檢測電路檢測出的包絡信號，雖然存在一定的低頻震蕩，但不影響信號的解調。圖4(e)是經電壓比較器還原后的信號波形。與基帶信號對較后驗證了該通信原理可行。

4　實驗過程及結果分析

根據以上分析設計出該方案載波通信完整電路圖如圖5所示，PWM端口輸入400 kHz互補的方波信號。SD端口接入數字信號，J2端口直接接至導軌兩端。接收端接入信號后通過處理后將數字信號檢出。圖5(b)完成載波信號的解調功能。

圖4　發送及接收電路主要波形

圖5　通信實驗電路圖

圖6(a)通道一為50 A有效值的原邊電流波形，驗證了該載波通信方案在大功率系統應用中不會對電能傳輸產生影響。圖6(b)為發送端與接收接端“1”與“0”對應的調制信號及解調信號圖。通道1為發送端9.6 kbps的TTL通信信號；通道2為發送端400 kHz的ASK調制信號；通道3接收端400 kHz的ASK調制信號；通道4接收端解調后的9.6 kbps TTL通信信號。由實驗波形對比仿真波形可知，該設計在調制和解調過程滿足通信要求。圖6(c)為發送端與接收接端1個數據幀對應的調制信號及解調信號圖。通道1為發收端9.6 kbps的TTL標準串行通信信號；通道2發送端400 kHz的ASK調制信號；通道3接收端400 kHz的ASK調制信號；通道4接收端解調后的9.6 kbps TTL通信信號。實驗中在發送端發送一個幀的數據后，接收端還原該信號，通信誤碼率極低可以忽略不計。實驗表明該方案具有良好的應用效果。

圖6　通信實驗波形

5　結論

本文提出了一種適用于大功率ICPT系統的載波通信方案。利用諧振變換原理實現載波調制，使其在功耗上比一般載波通信更低，在電路設計上可靠實用。通過加入諧振回路和帶通濾波器的設計，極大地提高了通信信號信噪比和傳輸速率，彌補了ASK方式在調制過程中抗干擾性弱的不足。實驗結果表明，采用本文方案進行ICPT方式下的載波通信方式，其實時性好、能耗低、抗干擾性強、對能量傳輸無影響，在大功率ICPT系統中有良好的應用。

[1]CHOI W P,HO W C,LIU X,et al.Bidirectional communication techniques for wireless battery charging systems&portable consumer electronics[C]//2010 Twenty-Fifth Annual IEEE.Palm Springs,CA:IEEE,2010:2251-2257.

[2]張亮,樓佩煌,隋大鵬,等.應用于EMS的無接觸供電載波通信調制方式研究[J].工業控制計算機,2011,24:37-40.

[3]王琪.通信原理[M].北京：電子工業出版社，2012:195-227.

[4]SCHERZ P,MONK S.Practical Electronics for Inventors[M].US: McGraw-Hill Education TAB,2012:435-453.

Carrier communication design based on high-power ICPT system

ZHANG Jun-kun1，MA Xue-jun1,2，HU Guo-zhen1,2，CHEN Xu-wu2
(1.School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei 430070,China;2.School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003,China)

The carrier communication solutions were designed for high-power ICPT systems.On the basis of a detailed analysis and comparison of modulation schemes,a carrier signal generated program in the use of half-bridge resonant inverter was proposed.And the conventional ASK demodulation circuit was improved to further optimize the performance.The experimental results show that the scheme is simple and feasible with low power and low cost.It is feasible for application.

ICPT;carrier communication;demodulation;2ASK

TM 73

A

1002-087 X(2016)10-2058-03

2016-03-19

湖北省教育廳科學技術研究重點項目(D20144404);湖北省中青年創新團隊(T201223);湖北理工學院項目(801-9064)

張浚坤(1992—)，男，湖北省人，碩士研究生，主要研究方向為無線電能傳輸的電力電子技術。