基于大功率ICPT系统的载波通信设计

张浚坤，马学军,,胡国珍,,陈旭武

(1.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070；2.湖北理工学院电气与电子信息工程学院，湖北黄石435003)

基于大功率ICPT系统的载波通信设计

张浚坤1，马学军1,2,胡国珍1,2,陈旭武2

(1.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070；2.湖北理工学院电气与电子信息工程学院，湖北黄石435003)

针对大功率ICPT系统进行载波通信方案设计。在详细分析比较调制方式的基础上，提出了一种使用半桥谐振型逆变器产生载波信号的方案,并对传统ASK方式解调电路进行改进，使其性能进一步优化。实验结果表明该方案简单可行、低功耗、低成本,具有良好的应用前景。

ICPT；载波通信；解调；2ASK

随着无线电能传输领域的迅猛发展，大功率感应式磁耦合电能传输(Inductive coupled power transfer，简称ICPT)系统中对信号传输的要求也变得日益严苛。目前采用的载波通信方案功耗偏高、设计方案较复杂、成本较高。设计一种合理方式进行载波通信，既具有载波通信信号传输实时性好、抗干扰性强的特点,同时也可降低设计成本和功耗[1-2]。

1　载波通信方式设计

1.1传输方式原理

本文基于大功率ICPT系统载波通信方式设计原理如图1所示。图中主要由发送电路、轨道和接收电路构成。发送电路从主控芯片中获得基带信号数据，通过调制电路调制成载波信号。再将载波信号经由耦合电路加载至导轨上。由于导轨上的载波以行波方式进行传播，为了增加信号的传输距离，在导轨末端要加入阻抗匹配电路。接收电路将载波信号经过解调复原出基带信号后再根据数据的通信协议对终端进行控制[2]。

图1　ICPT系统载波通信结构

1.2调制方式原理

由于一般数字基带信号含有丰富的低频成分，而导轨实际上是一个带通信道。因此必须对基带信号进行调制。通常情况下，载波以正弦波形为主。通过调整其相位、频率和幅值传递信息。分别对应为ASK(幅移键控)、FSK(频移键控)和PSK (相移键控)。相较于FSK方式和PSK方式而言，ASK方式具有实现简单、功耗低、频带利用率高的特点[3]。在大功率ICPT系统中，鉴于能量传输过程产生的高频噪声和逆变噪声成为载波通信需要考虑到的主要因素。ASK调制是线性调制，在接收端滤波过程中较FSK和PSK方式更有利于提高信号的信噪比。虽然在电话有线通信中ASK方式速率最高才可达1 200 bps，但通过适当提高发射功率可以弥补其传输速率低的缺点。基于以上原因，本文采用ASK方式中最常用的OOK (通-断键控)方式进行调制。

1.3载波频率选择

在大功率无线电能传输时，电能噪声功率大、频率高(本文开关频率为25 kHz、原边导轨电流Irms=50 A)。设计中既要保证载波通信远离电源噪声的干扰，也不应干扰环境中其他通信频段的工作。我国中波频段范围：526.5～1 606.5 kHz，载波通信频段应远离该频段，但载波频率过高也会造成设计成本能耗过高。故选取低于该频段频率进行设计。本文中主要噪声为25 kHz频率的逆变噪声，载波频率越高，逆变噪声对通信的影响越小。综上所述，选定载波频率为400 kHz。

2　载波通信电路设计

2.1调制电路设计

ASK方式时域表达式为：

目前，MOSFET管在小功率应用下可以达到1 MHz开关频率。如图2所示，本文采用半桥谐振逆变器产生400 kHz正弦波。相较于传统功率放大电路，该方案能耗更低。半桥电路用IR2302芯片驱动，主控芯片将基带信号调制成PWM波。此时，当基带信号发“1”时，半桥电路形成互补的方波。

图2　调制电路结构图

电容Cp和电感Lp组成谐振滤波器，在400 kHz谐振频率下由谐振公式取Lp=42 μH，Cp=3.8 nF。经过谐振后使用隔离变压器将发送端和导轨进行隔离。

25 kHz能量信号经过电容Cs产生阻抗Zs，经过Cp、Lp产生阻抗Zp。取电容Cs=1 nF，则：

由公式(2)可知，经过电感Lp和电容Cp、Cs之后对能量噪声会产生很高的阻抗，即实现了信号发射端与能量传输端的电气隔离。

2.2接收电路设计

如图3所示，取接收端天线自感L1=600 μH，配谐振电容C1=264 pF，电阻R1=10 Ω。串联谐振品质因数Q=ωL1/R1=24。在此谐振回路中，400 kHz频率对应1.19 dB的增益，25 kHz频率对应－67.6 dB增益。由信噪比SNR=20Lg(VS/VN)知,信噪比增加了68.7 dB。

图3　接收电路结构图

带通滤波器设计既要能保证滤波器具有一定的通频带能力，同时也要保证能有效降低电能噪声。带通滤波器设计公式[4]，低通部分滤波器截止频率fL和高通部分滤波器截止频率fH分别为:

滤波器比例放大系数和带通放大倍数：

这里将带通滤波器分为高通部分和低通部分来进行分析。高通部分主要用来滤除电能噪声，反馈电阻R4用于增强输出信号。如将fH定于载波频率－3 dB增益时，载波信号经运放后不会大幅度增益。当设计高通部分截止频率在1.5 dB衰减时，可有效提高该增益。同时按此设计通信信号衰减不变。

滤波电容一般选取容值较低的电容，取C3=C2=1 nF。当fH=284 kHz时，对应400 kHz是衰减－1.5 dB。此时R3=560 Ω。设计Auf=2.5，此时通带放大倍数Aup=5。在高通部分数据确定时，低通部分截止频率fL既要能滤除高频噪声，又要选取合适的通频带。经过仿真和计算，当R2=500 Ω时滤波效果最佳。由反馈特性可知，选取电阻R4同R2阻值相同。经仿真，400 kHz频率对应27 dB的增益，25 kHz频率对应－16 dB增益。

信号经过同向比例放大之后再由电压跟随器送入幅值检测电路。幅值检测电路利用电容充放电原理工作。根据充放电时间常数τ=RC，确定合理的充放电时间，取R4=1 kΩ，C4= 1 nF。幅值检测电路将包络信号检出后再经过电压比较器即将基带信号还原。

3　通信原理仿真

为了验证该系统的可行性和稳定性，现对该方案用MATLAB进行仿真。

如图4所示，4(a)图为有效值为50 A的原边导轨电流波形，其电能质量不受400 kHz载波的影响，可进行大功率电能传输。4(c)图载波是接收端经过RLC串联谐振及带通滤波之后产生的波形。与基带信号4(b)图对比，其包络特性满足解调的要求。4(d)图为幅值检测电路检测出的包络信号，虽然存在一定的低频震荡，但不影响信号的解调。图4(e)是经电压比较器还原后的信号波形。与基带信号对较后验证了该通信原理可行。

4　实验过程及结果分析

根据以上分析设计出该方案载波通信完整电路图如图5所示，PWM端口输入400 kHz互补的方波信号。SD端口接入数字信号，J2端口直接接至导轨两端。接收端接入信号后通过处理后将数字信号检出。图5(b)完成载波信号的解调功能。

图4　发送及接收电路主要波形

图5　通信实验电路图

图6(a)通道一为50 A有效值的原边电流波形，验证了该载波通信方案在大功率系统应用中不会对电能传输产生影响。图6(b)为发送端与接收接端“1”与“0”对应的调制信号及解调信号图。通道1为发送端9.6 kbps的TTL通信信号；通道2为发送端400 kHz的ASK调制信号；通道3接收端400 kHz的ASK调制信号；通道4接收端解调后的9.6 kbps TTL通信信号。由实验波形对比仿真波形可知，该设计在调制和解调过程满足通信要求。图6(c)为发送端与接收接端1个数据帧对应的调制信号及解调信号图。通道1为发收端9.6 kbps的TTL标准串行通信信号；通道2发送端400 kHz的ASK调制信号；通道3接收端400 kHz的ASK调制信号；通道4接收端解调后的9.6 kbps TTL通信信号。实验中在发送端发送一个帧的数据后，接收端还原该信号，通信误码率极低可以忽略不计。实验表明该方案具有良好的应用效果。

图6　通信实验波形

5　结论

本文提出了一种适用于大功率ICPT系统的载波通信方案。利用谐振变换原理实现载波调制，使其在功耗上比一般载波通信更低，在电路设计上可靠实用。通过加入谐振回路和带通滤波器的设计，极大地提高了通信信号信噪比和传输速率，弥补了ASK方式在调制过程中抗干扰性弱的不足。实验结果表明，采用本文方案进行ICPT方式下的载波通信方式，其实时性好、能耗低、抗干扰性强、对能量传输无影响，在大功率ICPT系统中有良好的应用。

[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]张亮,楼佩煌,隋大鹏,等.应用于EMS的无接触供电载波通信调制方式研究[J].工业控制计算机,2011,24:37-40.

[3]王琪.通信原理[M].北京：电子工业出版社，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

湖北省教育厅科学技术研究重点项目(D20144404);湖北省中青年创新团队(T201223);湖北理工学院项目(801-9064)

张浚坤(1992—)，男，湖北省人，硕士研究生，主要研究方向为无线电能传输的电力电子技术。