基于方波载波占空比调制的ECPT系统能量信号并行传输技术

苏玉刚周 玮呼爱国孙 跃陈 龙

(1.重庆大学自动化学院 重庆 400030 2.奥克兰大学电子与计算机工程系 奥克兰 1010)

0 引言

无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，WPT)实现了电源到负载的无线供电，摆脱了直接电接触对设备的束缚，并在许多领域得到广泛应用［1，2］。电场耦合无线电能传输(Electric-field Coupled Power Transfer，ECPT)技术以其轻便、低辐射以及耦合机构多样等优点成为无线电能传输领域新的研究热点。国内外专家学者围绕移动机器人［3］、生物医学设备［4］、3D 绝缘硅超大规模集成电路［5］、旋转机构［6］及电动汽车［7］等诸多应用领域展开研究。

目前WPT 系统设计更关注电能的无线传输［8-11］，但在很多应用领域中不仅需要能量的无线传输，还需要实现能量与信号的并行传输［12，13］。国内外学者已围绕WPT 系统的能量信号并行传输展开研究，但主要集中于感应耦合电能传输(Inductive Coupled Power Transfer，ICPT)系统。由于ICPT 系统与ECPT 系统的区别，需要对ECPT 系统进行重新分析，针对系统特性设计合适的能量并行传递方法。目前ICPT 的能量信号并行传输研究主要有以下几类:文献［14］以信号传递为主导，辅以能量传递，适用于mW 级小功率设备;文献［15］采用电力载波，通过信号与电能波形分离实现信号传递;文献［16］以电压波形为载波通过ASK 和FSK 等方式传递信号。但目前在ECPT 领域的能量与信号并行传输的研究尚少，仅局限于信号传递主导的小功率的能量传输［17］。

本文以文献［18］提出的基于E 类放大器的ECPT系统为例(如图1所示)，提出一种基于方波载波占空比调制的信号调制方法，利用能量通道实现较宽频率带宽范围内的信号传递，简化了信号调制难度，提升了信号传递速率，降低了信源开关频率，并简化了信号及能量波形的分离环节。

图1 ECPT 系统电路拓扑Fig.1 Circuit topology of ECPT system

1 ECPT 系统信道建模分析

在图1的ECPT 系统基础上将信源串联于耦合电容前端，如图2所示。在ECPT 传输能量的通路中传输信号，信道对信号的衰减特性将直接影响信号传输质量，故对信道的特性分析极为重要。

图2 信号加载模块位置示意图Fig.2 Location diagram of signal loading module

考虑电路中的元器件均为理想器件，将直流电压源Vin内阻视为零，即视为短路。为简化分析，将电路中的整流滤波电路及用电负载统一考虑成理想阻性负载Ro。此前提下开关管S1的通断将系统分为两个工作模态，信道的等效电路图如图3所示。

图3 信道等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of signal channel

考虑信号电压u 为信道输入，信道输出为负载电流io。于是各模态下的信道模型可表示为

S 导通时，有

S 关断时，有

式中:x1=［uCN2，iLN，uCS］T;x2=［uCN1，uCN2，iL，iLN，uCS］T。由上述两种模态对应的状态空间方程，以表1中的数据为系统仿真参数，绘制模态1 和模态2 的信道模型Bode 图，得到信道的频域响应特性如图4所示。

表1 ECPT 电路参数Tab.1 The circuit parameters of ECPT system

图4 信道频率响应Bode 图Fig.4 Bode plot of signal channel frequency response

图4中两种模态下信道的频域响应较为类似。取信道衰减小于5%为无衰减边界，两种模态下信道无衰减的起始角频率。为减少信道对信号的衰减作用，选择的信号角频率ω 需满足。可见该系统的信道频率被限制在较高的频率范围，信道带宽和信号传递速率受限。

2 方波载波调制的系统响应

为解决信道频带和信号传递速率受限的问题，本节针对ECPT 系统，分析了方波信号激励下信道的输出响应。在表1 的参数条件下，信源端口输入阻抗表示为

考虑方波的上升沿与下降沿蕴含丰富的高频谐波，而低频分量较小可以忽略。于是高频激励下，信源输入阻抗进一步近似为

即电路除负载外的阻抗可近似等效为容性阻抗，于是等效电路图即简化为电源与负载电阻和等效电容的串联结构，如图5所示。

图5 双模态下简化等效电路图Fig.5 Simplified equivalent circuit diagram

当输入电压uin为方波信号时，负载电阻上的电压时域解表示为

根据上述模型求解，可得出载波为任意占空比时，系统的输出电压波形如图6所示。

图6 方波载波输入波形与输出电压波形Fig.6 Square carrier and output voltage waveform

图6中，当方波信号通过信道时，系统负载上拾取到的电压uRo为正负脉冲信号，正脉冲出现于方波上升沿，负脉冲出现于方波下降沿。于是一次侧加载的方波信号载波的占空比与二次侧拾取的上下尖峰间隔和周期之比相等，这一特性即克服了信道的带宽限制。

3 基于方波占空比的信号调制解调

在传统的正弦波载波的信号传递模式中，根据信号的调制方式不同，可将信号调至为正弦波载波的幅值(ASK)、频率(FSK)、相位(PSK)等可识别量，随同载波传递至解调模块，根据上述载波的可识别量解调信号。但通常正弦波的调制在高频条件下对调制电路要求极高，从而提升了方案实现的难度与成本。

针对前文提出的以方波代替正弦波作为载波的通信模式，本节进一步提出一种基于方波占空比调制的信号调制模式，将信号编译成载波不同的占空比。由于对方波占空比的调制较之于对正弦波的调制而言简单易行且准确度更高，故可充分利用占空比调制方便及可调范围宽的特性，采用多进制编码提升信号传输速率、降低信源开关频率。在具体调制过程中，首先将待传递数据进行编码，然后根据多进制码与占空比的一一映射，将多进制编码调制为方波载波的占空比。例如当一次侧部分只需要向二次侧部分传输“0”、“1”两种信号，则可选择占空比为“0.2”和“0.8”的方波载波对应相应的信号，如果一次侧部分需要向二次侧部分传输“00”、“01”、“10”、“11”四种信号，则可选择占空比为“0.2”、“0.4”、“0.6”和“0.8”的方波载波对应相应的信号，依次类推，提高信号传输速率。最终在一般情况下，可将占空比0～1 均分为N 等分，于是相同的信源开关频率下信号传递速率可提升log2N 倍，或相同的信号传递速率条件下信源开关频率降低log2N 倍。

同样的，在解调环节中根据解调电路检测到的上下尖峰脉冲，将信号恢复为方波信号，然后提取方波载波中的占空比信息，最终根据既定的映射关系将占空比信息恢复为多进制编码。总结如图7所示，其中信号解调模块如图8所示。

图7 信号的调制-传递-解调Fig.7 Modulation-demodulation and transmission of signal

图8 信号拾取耦合机的构改进示意图Fig.8 Figure of signal pick-up coupling structure

图8中耦合电容CD传递信号，耦合电容Cs传递能量，且CD容值远小于Cs。由式(4)可知，在以方波电压作为激励的电容电阻串联回路中，电阻端电压峰值仅取决于载波即方波信号uin的峰值，与回路中等效电容(受耦合电容影响)和电阻无关。故本文在耦合极板上分别并联一对容值极小的信号耦合电容CD，并在二次侧串联信号拾取电阻RD。由于串联电容与电阻对信号拾取波形峰值没有影响，故RD上信号波形幅值与Ro相同，可实现信号传递。并且由于CD容值极小，对能量回路的分流作用可以忽略，即对无线电能传输没有影响。故双耦合电容方式实现能量与信号分离，简化了能量-信号分离步骤，同时对能量回路的电能传输功率影响较小，实现信号的解调与干扰的隔离。

4 实验验证

通过实验验证基于方波载波占空比调制的ECPT系统高速信号传输技术的可行性与有效性。能量传递部分根据图1的ECPT 电路拓扑搭建实际电路，系统参数设置如表1 所示。图9为ECPT 系统的能量实验波形，由图中可看出，系统工作频率约为259.7 kHz。负载为500 Ω 下负载峰值电压为272 V，即拾取功率为73.98 W。

图9 ECPT 系统能量实验波形Fig.9 Energy experiment waveform of ECPT system

信号传递部分的方波载波由FPGA 产生，通过驱动电路加载入主电路中。图10为ECPT 系统信号实验波形，取占空比为50%为例，测得系统信号传递速率可达5.6 Mbit/s。低频(例如10 kHz)下信号传递状态良好，频率大于2.8 MHz时，由于器件特性限制使得信号传递不理想。

在低频段可采用多占空比键控的方式调制信号提高信号速率，如图11所示。图中方波载波频率约为1 MHz，取占空比分别为0.2 和0.8 为例，系统信号解调效果较好。

图10 宽频带信号传递实验Fig.10 Wide bandwidth of signal transmission experiment

图11 固定频率下占空比调制实验Fig.11 Duty cycle modulation under fixed frequency

5 结论

本文针对目前WPT 系统能量信号并行传输所存在的信道频带及传输速率有限，且多应用于小功率场合等问题提出了一种以方波载波占空比调制的信号调制方法。该方法以方波信号为信号载波，通过改变载波占空比实现信号调制，在另一侧以脉冲波形为解调波形，实现从一次侧到二次侧的单通道传输。该方法拓宽了信道带宽，简化了信号调制难度;此外采用多进制编码提升了信号传输速率、降低了信源开关频率;通过改进信号解调机构，简化了能量-信号分离步骤。最后搭建了硬件实验电路，实验中系统在能量无线传输功率达73.98 W 的同时信号传递速率达5.6 Mbit/s，进一步验证了本方案的可行性与有效性。为ECPT 系统的能量信号并行传输提供了一种新思路。

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