近场磁耦合无线电能与信息同步传输技术的发展（下篇）：电路拓扑
2022-08-20李建国
李建国 张 波 荣 超
近场磁耦合无线电能与信息同步传输技术的发展（下篇）：电路拓扑
李建国 张 波 荣 超
（华南理工大学电力学院 广州 510640）
近场磁耦合无线电能传输（WPT）近十年以来已取得长足发展，在日常生活中WPT技术随处可见。实际工程应用中稳定可靠的WPT系统的电能发射端与接收端之间不仅需要建立能量传输通道，同时也需要建立数据通信链路以实现闭环控制和信息交互，故实际为电能与信息同步传输（SWPIT）系统。SWPIT系统可在已有磁耦合WPT电路拓扑的基础上，通过添加信息调制与解调电路实现传能与通信。该文回顾了近场磁耦合无线电能与信息同步传输技术中电路拓扑的发展，针对电路拓扑、信道优化等问题进行分析和归纳，最后展望了SWPIT系统的应用前景与发展趋势。
无线电能与信息同步传输 电路拓扑 近场磁通信 无线电能传输
0 引言
无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术凭借其灵活、可靠、便捷的技术优势，近些年在科研与商业领域都取得了诸多成果。目前WPT系统形成了以电磁波为主要载体的两大技术类别：①近场电磁耦合式（Near-field Magnetic Coupling, NMC）：分为电场耦合[1-2]与磁场耦合[3-4]；②远场射频式（Far-field Radio Frequency, FRF）：包括微波、毫米波、激光等[5-6]。其中尤以NMC-WPT技术最为成熟，在各种不利于进行有线电能传输的应用场景中拥有广阔的发展前景，包括植入医学设备[7]、移动便携终端[8]、井下勘探设施[9]、水下自主机器[10]、电动汽车[11-12]等。而FRF-WPT技术以及基于其他媒介（超声波[13]等）的WPT技术受限于能量传输功率与转化效率，导致研究与应用都较少。
成熟可靠的商用WPT系统本质上是一个电能与信息同步传输系统。电能与信息同步传输（Simu- ltaneous Wireless Power and Information Transfer, SWPIT）系统如图1所示，对于实际工程应用而言，WPT系统为保证能量高效稳定地从电能发射端传输至负载接收端，同时负载模块采集的功能数据能高速可靠地反馈至电能发射侧，电能发射端与负载接收端不仅需要进行能量传输，也需要实现数据通信。总体而言，SWPIT系统实时通信内容可概括为两大类：①电能传输控制数据：包括接收侧电压、电流、功率的大小等，主要用于系统的闭环控制[14]、状态监测[15]、最大效率/功率跟踪控制[16]等；②系统工作数据：与系统整体实现的功能与用途有关，如发射端发送的功能控制命令[17]、接收端传感器采集的反馈工作数据[18-19]等。研究如何在电能发射端与接收端之间同时建立稳定可靠的无线能量传输通道与数据通信链路，是十分必要且有意义的。
图1 电能与信息同时传输系统
本文将聚焦近场磁耦合能量与信息同步传输（Magnetic Coupling SWPIT, MC-SWPIT）技术中可用的电路拓扑，着重阐述已有的电路拓扑结构以及系统控制原理，探究不同电路方案的优劣以及适用场合并进行展望与总结。首先介绍了SWPIT的应用场景与系统架构；其次将分析双工通信MC-SWPIT系统的电路拓扑并比较其性能优劣；然后介绍MC- SWPIT系统进行传能与通信面临的问题以及可用的优化方案；最后展望MC-SWPIT技术的应用前景与发展趋势以及总结全文。
1 系统拓扑
MC-SWPIT系统的实现离不开相应的硬件电路，本节将详细阐述共享链路型与分离链路型系统的不同电路拓扑结构，并介绍能量与信息同时传输的实现原理、控制策略以及电路优缺点。
1.1 共享链路型
在共享链路型MC-SWPIT系统中，能量流与信息流共用唯一的磁耦合链路，可基于一个载波或多个载波完成传输。共享链路型拓扑仅使用一对线圈即可完成通信与传能，可在已有的WPT拓扑基础上做少量改进以增加数据传输的功能。目前该类拓扑研究较多，且已有成功的商业应用案例。该类拓扑既可直接利用能量载波完成信息传输，即单载波式融合传输系统，也称为直接能量调制系统；亦可采用时分复用或频分复用的方式令信息流与功率流在时域或频域内分离传输，减小能量流与功率流之间的相互干扰，即分时传输或分频传输系统，基于频分复用的系统也被称为载波注入式系统。
1.1.1 融合传输（能量调制）
融合传输式MC-SWPIT系统中能量流与信息流共用一个载波（单载波调制），利用可控开关器件直接对能量载波（电压、电流）的幅值、频率、相位等波形特征进行数据调制，从而使信息流与功率流融合传输，故又称为直接能量调制。该类型电路拓扑实现电能与信息同时传输的结构与原理最为简单，可最大程度复用已有WPT系统中的可控开关作为数据调制电路。单载波系统为降低误码率，发射端与接收端一般采用半双工通信，为正确区分下行通信（电能发射端→电能接收端）与上行通信（电能接收端→电能发射端）数据，需利用电压/电流载波的不同特征分别进行调制，单载波调制需控制的传能电路部分如图2所示。
理论上融合传输（能量调制）系统中上下行数据的调制方式可采用幅值键控（Amplitude Shift Keying, ASK）、频率键控（Frequency Shift Keying, FSK）、相位键控（Phase Shift Keying, PSK）等单载波调制方式的排列组合，继而可衍生出多种不同类型的拓扑，但实际受限于电路实现可行性、能量传输效率与信道带宽等因素，有较高应用价值的拓扑主要有：①电能发射端采用FSK，接收端采用ASK，称为调频-调幅型；②电能发射、接收端皆采用正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation, QAM），基于移相全桥构成对称双向能量流动系统，称为移相全桥型。单载波式共享链路拓扑性能比较见表1，下文将详细介绍各拓扑的工作原理。
图2 单载波融合传输式（能量调制）MC-SWPIT系统
表1 不同单载波融合传输型MC-SWPIT系统比较
Tab.1 Comparation of different shared-link MC-SWPIT systemsbased on single-carrier
调频-调幅型MC-SWPIT系统电路拓扑如图3所示，下行通信时电能发射端可通过调整逆变器的开关频率实现FSK以发送控制数据，而电能接收端可以检测感应电压的频率来解调数据；上行通信时电能接收端电路可通过控制调制电阻/电容的通断来改变反射阻抗的大小（即LSK）以实现ASK反馈负载数据，而电能发射端可通过检测感应电流的幅值来解调数据。无线充电联盟（Wireless Power Consortium, WPC）主推的Qi标准[20]在手机无线充电领域广泛应用该类拓扑。因解调滤波器存在暂态响应时间，为降低误码率一般一个数据位（bit）的调制需持续多个载波周期。文献[22]在该拓扑基础上利用谐波特性建立状态空间模型以计算电流过零点，实现了全桥逆变器的零电流软开关（Zero Current Switching, ZCS）控制，从而降低开关损耗，使系统效率达到了90%。该拓扑的电路实现与控制都较为简单，但信息传输会对功率传输造成不良影响，且通信速率受限于开关频率故不可能很高，同时解调误码率会受负载与传输距离的变化影响，只适用于对通信带宽要求不高的中小功率应用场合。
图3 调频-调幅型MC-SWPIT系统电路拓扑
移相全桥型拓扑基于感应式链路实现双向能量流动与半双工通信，移相全桥型MC-SWPIT系统电路拓扑如图4所示。电能发射端与接收端都基于全桥变换器，使用相移脉宽调制（Phase Shift Pulse- Width Modulation, PS-PWM）技术控制电能传输与数据调制；其中信息传输采用2-QAM，控制全桥变换器的开关时刻以实现数据调制，电能发射端与接收端通过检测补偿电容的电压幅值变化来完成数据解调[21]。该型拓扑可采用模糊自适应控制调整系统工作频率以提高线圈抗偏移能力，利用实时通信进行最大功率或最大效率传输追踪控制，并提供过电流保护等功能，同时可根据负载电能存储量情况通过“握手”通信选择能量流动方向。该拓扑的电路实现与控制较复杂，信息传输对功率传输具有一定影响，通信速率同样受限于开关频率，适用于电动汽车充电等需双向能量流动与信息传输的大功率应用场合。
图4 移相全桥型MC-SWPIT系统电路拓扑
1.1.2 分频传输（载波注入）
共享链路型MC-SWPIT系统可使用频分复用（Frequency Division Multiplex, FDM）实现电能与信息同时传输，同时适用于感应式链路与谐振式链路。该类型系统可使用多个不同频率的载波分别传输能量与信息，但共用磁耦合通道，低频载波用于传能，高频载波用于通信，一般使用高频变压器或互感器将信息载波注入功率载波或从中提取出来，故称分频传输（载波注入式）系统。高频信息载波发生器可采用电力电子变换器以提高信息载波发射能量，从而提高信噪比并降低通信误码率。信息载波能量相对较高，通信时需要额外消耗1～2W功率，故仅适用于能量传输功率较大的应用；对于小功率应用而言，过大的通信功耗会降低系统整体效率。
根据信息载波在电路中注入/提取的位置的不同，可将分频传输式系统电路拓扑分为串联注入 式[23-27]与并联注入式[28-35]，多载波分频传输式MC- SWPIT系统如图5所示。串联载波注入式系统架构中高频通信变压串联接入线圈与谐振补偿网络之间，故高频信息以串联方式注入或提取；并联载波注入式系统架构中高频通信变压器并联接入线圈与谐振补偿网络之间，故高频信息以并联方式注入或提取。对于分频传输式系统而言，电能发射端、接收端进行双工通信（双向数据发送与接收）时，需要准确分离不同载波信号（即上行信息载波、下行信息载波以及电能载波），目前信号分离主要有以下三种方式：
图5 多载波分频传输式MC-SWPIT系统（载波注入）
（1）开关切换分离：载波信号的注入/提取共用一对变压器或互感器，利用可控开关切换至对应的信息接收或发送电路，仅能实现半双工通信。
（2）双工器分离：载波信号的注入/提取共用一对变压器或互感器，利用滤波器构成的双工器同时进行数据接收与发送，经滤波分离后送至对应电路解调，可实现全双工通信。
（3）变压器分离：载波信号的注入/提取使用两对变压器或互感器分别独立进行，利用滤波器分离信号且发送与接收不共用电路，可实现全双工通信。
多载波分频传输式MC-SWPIT（载波注入式）系统拓扑性能比较已归纳总结见表2，该类系统传能效率较高，通信与传能相互影响较小且可实现双工通信，系统有效传输距离可从cm级至m级，传输功率可从数百W至数kW，通信速率可从数十至数百kbit/s，其中感应链路式系统适用于短距离传输，谐振链路式系统适用于中距离传输，下文将详细介绍各拓扑的工作原理与电路结构。
多载波分频传输系统一般使用高频变压器或互感器，将信息与电能注入复用的电路，其出现较早且近些年研究者较多。早期的分频传输系统为避免开关切换时的电磁干扰（Electromagnetic Inter-ference, EMI）对通信产生影响，只在非开关时间进行数据传输，并利用电能载波脉冲的上升沿与下降沿作为信息发送的同步时钟[15, 37]，通信与传能并未完全解耦。文献[23]设计了基于感应式磁耦合链路的串联载波注入式系统，采用S-P补偿网络。开关切换串联注入式半双工MC-SWPIT拓扑如图6所示，该系统电能发射端、接收端电路进行上行或下行通信时利用开关S1、S2切换至相应的信息发送或接收电路，其中高频信息载波由谐振型D类功率放大器产生以增强载波能量，信息采用OOK调制。此外，文献[34]进一步对高频信息载波使用BFSK调制，发射、接收端都使用LCC型补偿网络，提高了串联注入式系统的通信速率与信噪比。
表2 多载波式MC-SWPIT系统比较
Tab.2 Comparation of different multi-carrier MC-SWPIT systems
图6 开关切换串联注入式半双工MC-SWPIT拓扑
谐振式MC-SWPIT系统相对于感应式系统而言，一般要求更高的线圈品质因数以提升能量传输效率，但这会导致信道带宽不足无法直接使用载波注入式通信。可使用高阶补偿网络构成双频谐振线圈以提升信道带宽，兼顾能量传输效率与通信带宽[38-39]。文献[27]构建了双谐振单线圈系统的电路模型，推导了磁耦合信道带宽以及能量与信息载波的串扰公式，给系统参数优化设计指明了方向。文献[25-26]在图6所示的串联注入式拓扑基础上，添加CLC型双谐振补偿网络并复用线圈，基于谐振磁耦合链路实现了中距离能量与信息同时传输，采用串联式变压器注入/提取信号载波。通过开关切换至对应的信息发送或接收电路，故仅能实现半双工通信；拓扑中电能传输功率的增加还会降低信噪比，故其通信速率也会随之降低。
分频传输系统使用的紧耦合变压器会增大电路系统的体积，不利于系统小型化。文献[24]在信息发送与接收电路中使用4对即插即用的铁氧体环互感器替代紧耦合变压器进行载波注入与提取，铁氧体环体积较小且不直接接入电路系统，使用较为方便。4个互感器串联注入式全双工MC-SWPIT拓扑如图7所示，上行与下行通信分别使用一对独立的互感器进行串联载波注入或提取。信息解调需先经滤波器分离信号，为便于通信解调系统下行通信与上行通信采用不同频率的载波。该系统采用DQPSK调制并依靠E类功率放大器实现信息载波的生成，可进行全双工通信，有效减小了系统的体积并提升了电路的隔离程度。
图7 4个互感器串联注入式全双工MC-SWPIT拓扑
信息载波不仅可以串联注入功率电路系统，也可并联注入以降低电路耦合程度。文献[28-30]提出并联载波注入式系统，信号载波注入与提取使用4个同时并联在线圈两端的变压器，无需进行发送和接收电路切换，变压器分离并联注入式MC-SWPIT系统拓扑如图8所示。系统电能传输回路需串联阻波电路（LC带阻滤波器），阻挡高频信息载波通过电能谐振补偿网络，降低了信息载波的能量损耗；同时阻波电路可通过低频电能载波，不影响电能传输性能，采用ASK对信息进行调制。但由于上行载波与下行载波频率相同，故仅能实现半双工通信，且使用过多紧耦合变压器会增大系统体积。
图8 变压器分离并联注入式MC-SWPIT系统拓扑
为基于载波并联注入实现全双工通信，文献[36]在并联注入式系统的电能发射端、接收端电路中加入由对称惠斯通电桥、差分放大器以及带通滤波器构成的通信双工器，共用一对变压器进行载波注入与提取实现了全双工通信，惠斯通桥并联注入式全双工MC-SWPIT系统拓扑如图9所示。基于FDM令能量传输、上行通信、下行通信各使用不同频率的载波（3个不同频率的载波）进行传输。数据调制采用BFSK以提升抗干扰能力，增强了系统的有效距离与通信速率；线圈增加抽头进行部分复用以增加电路设计自由度并降低干扰，使用双边LCC补偿网络滤波并实现了零电压软开关（Zero Voltage Switching, ZVS），提高了系统传能效率，无需额外的阻波器。文献[40]则将该电路的平面单极性线圈改为双D线圈以改善耦合线圈间的磁场分布，利用其中一个D线圈用以传输数据，降低了通信功率损耗同时提高了系统的抗偏移能力。
图9 惠斯通桥并联注入式全双工MC-SWPIT系统拓扑
为减少载波注入所需的变压器数量，文献[31]直接将数据调制与解调电路并联至线圈两端，并使用四谐振双频滤波器构成的双工器实现了全双工通信，同样采用3个不同频率进行能量与信息传输，无变压器并联注入式全双工MC-SWPIT拓扑如图10所示。该拓扑无需变压器或互感器，发送或接收数据直接从线圈中并联注入或提取。
为提升通信速率，可采用多载波调制技术对信息进行调制。文献[35]基于正交频分复用（Orthogonal FDM, OFDM）技术，在感应式磁耦合链路中采用多个低于电能载波频率的正交子载波并行传输信息；数据调制采用多进制QAM（Multi-QAM, M-QAM）并基于实验验证了最佳通信子载波数量，信息载波采用并联的方式进行注入/提取，其信号分离所用双工器由高频互感器与滤波器构成，拓扑总体架构与图9类似。文献[41]使用部分线圈复用与OFDM技术，基于感应式WPT系统将通信速率提升至10Mbit/s。多载波调制可高效利用有限的磁耦合信道带宽，大大提升了分频传输式系统的通信速率。
图10 无变压器并联注入式全双工MC-SWPIT拓扑
1.1.3 分时传输（时分复用）
时分复用（Time-Division Multiplex, TDM）令能量与信息在不同时段分开传输，可根据通信带宽需求在不同调制方式的通信电路间进行切换。时分复用MC-SWPIT系统电路拓扑如图11所示，文献[42]利用时分复用构建了可选通信速率的MC-SWPIT系统，根据通信速率需求采用不同的通信方式。当通信速率要求不高时使用低速数据通信电路（如基于能量载波调制通信）；而当有大量数据传输时，可采用高速数据通信电路（如基于OFDM的载波注入式通信）。系统可利用开关进行相应功能切换，高速通信时电能传输与信息传输分时进行，以降低功率载波与信息载波间的干扰，该拓扑低速通信速率为数kbit/s，但高速通信速率可达数Mbit/s。
图11 时分复用MC-SWPIT系统电路拓扑
1.2 分离链路型
分离链路型MC-SWPIT系统使用多个磁耦合链路分别独立传输能量流和信息流，二者不共用线圈，信息调制可使用不同性质的载波。信息传输可使用正弦载波并利用其幅值、频率、相位等特征进行数据调制[43-44]；或者利用三角载波的基波分量传输能量、谐波传输信息[45-46]；还可基于脉冲信号（无载波调制）进行信息传输，使用特定的脉冲序列并利用脉冲的位置、相位等特征进行数据调制[47-49]。早期分离链路型系统大都基于旋转变压器，传输距离较近；目前的系统常基于感应式或谐振式磁耦合链路，传输距离有了较大提升。分离链路型系统可根据双工通信与信道带宽要求使用不同数量的磁耦合链路，系统架构如图12所示，故可根据使用的线圈数量分为以下两大类。
图12 分离链路型MC-SWPIT系统架构
（1）多发射多接收型：即传能与通信分别使用独立的线圈，既可采用三条独立通道（三对线圈）分别独立传输能量、上行数据、下行数据[50]，也可采用两通道（两对线圈）分别传输电能与信息[47, 51]。信息调制常采用正弦载波调制或脉冲调制，通信速率较快且相互干扰较小。
（2）单发射多接收型：即传能与通信共用一个发射线圈，但采用不同的线圈对电能与信息载波进行接收与分离。信息调制常采用非正弦载波（三角载波），利用基波传输能量，谐波传递信息[45-46]。
由于分离链路式系统采用多对线圈构建物理通道，线圈之间不免存在交叉耦合，在进行电路参数设计时必须考虑其影响[52]。可令传能载波与通信载波采用不同频率或采取特殊线圈布局来抑制交叉耦合带来的不良影响。分离链路型系统优势在于其采用物理通道隔离来降低通信与传能的相互影响，因而可提供较高的信道带宽，传能电路与通信电路参数设计可独立进行，电路控制较简单；其缺点在于需要使用多个线圈且线圈间存在交叉耦合。在人体植入式医疗器件中分离链路式系统使用较多，因该类应用所需传能功率较小，而更加重视通信速率以反馈工作信息，故电能传输效率非首要考虑因素，常采用E类功率放大器作为逆变电源。分离链路型系统还可基于磁耦合对移动物体进行定位[53]。
分离链路型系统中，多个发射与接收线圈可采取平面型布局或立体型布局。平面型布局如图13a与图13b所示，传能与通信线圈既可相邻放置，也可同轴放置[52]，优势在于占用空间体积较小且容易对准，有利于设备小型化；缺点在于不同线圈间存在一定的交叉耦合。立体型布局如图13c所示，传能线圈与通信线圈采用正交摆放，优势在于可最大程度消除交叉耦合的影响[43-44]；但缺陷在于线圈占用空间体积较大且不易对准，空间自由度较小。分离链路型系统拓扑性能总结见表3，下文将详细介绍不同分离链路型系统的电路拓扑。
图13 分离链路型系统MC-SWPIT线圈布局
表3 分离链路式MC-SWPIT系统比较
Tab.3 Comparation of different separated-link MC-SWPIT systems
1.2.1 多发射多接收型
多发射多接收型分离链路系统中，最常见的为两发射、两接收线圈系统，即通信与传能各采用一对线圈。该类系统由于构造了两条独立的磁耦合链路，故又称双链路分离式系统。为降低线圈间交叉耦合对通信与传能的影响，不同学者从不同角度提出了诸多方案。文献[54]建立了双感应链路分离式系统的物理参数解析模型，从函数寻优的角度对系统进行总体优化，同时对E类逆变器的输出谐波进行滤波，并在上行通信中使用差分接收线圈来消除发射电路的谐波影响和远场射频干扰，系统电路拓扑如图14所示，下行通信与传能基于能量载波进行FSK调制；而上行通信则使用单独的通信链路以提高通信速率，并利用电能载波恢复解调所需的同步时钟信号，可采用BPSK或BASK调制。此外，还可从线圈产生的磁场极性角度抑制交叉耦合，文献[55]提出了一种基于磁场解耦合线圈的分离链路系统，单极性线圈用于功率传输，串接垂直双极性线圈用于数据传输。发射和接收端的数据传输线圈与功率传输线圈被重叠放置，形成紧凑的结构同时拥有较强的抗偏移性能。
图14 双链路分离式MC-SWPIT系统电路拓扑
多发射多接收型分离链路系统亦可采用三对发射与接收线圈分别为电能传输、上行信息、下行信息构建独立的物理通道，三链路分离式MC-SWPIT系统电路拓扑如图15所示。文献[50]利用三对线圈构建了全双工分离链路型系统，数据采用OQPSK调制，并比较了平面线圈与正交线圈的抗偏移性能，结果证明平面线圈更适合植入式医疗设备且占用空间体积更小。采用三对线圈可最大程度地提升通信速率，并且信息调制方式多种多样不受限制，传能与通信电路参数设计可解耦且自由度较高。脉冲式调制（PDM与PHM）也可用于分离式链路系统，可有效降低系统通信功率损耗并实现高速可靠通信。
图15 三链路分离式MC-SWPIT系统电路拓扑
1.2.2 单发射多接收型
分离链路型系统的另一种实现方式是令电能与信息共用发射电路与线圈，而电能与信息的分离采用不同接收线圈，此即单发射多接收型分离链路系统。文献[45-46]提出了基于非正弦载波的调制技术，使用三角电流载波的基波分量传递功率，使用其3次谐波分量传递信息，三角波调制MC-SWPIT系统电路拓扑如图16所示。该方案需在接收侧增添线圈，可利用移相全桥控制谐波的幅值或频率实现信息调制。该系统的优点在于通信功能与负载条件可准解耦控制，通信对传能效率影响较小；但仅能实现下行通信。
图16 三角波调制MC-SWPIT系统电路拓扑
1.3 拓扑总结
MC-SWPIT系统基于线圈间的磁场耦合完成能量与信息的同时传输。综上可知，系统既可令能量流与信息流共用一个磁耦合链路（一对线圈）进行传输，也可令能量流与信息流使用多个磁耦合链路（多对线圈）独立传输。故可根据使用的物理通道数量（线圈对数）将MC-SWPIT系统分为两大类：
（1）共享链路型：可共用单磁耦合通道实现能量与信息传输。其电路实现方式包括：利用能量载波传输信息使电能信息融合传输，即能量调制系统；或将信息载波注入能量载波，并在频域分离电能与信息，即基于频分复用的分频传输系统；亦或令信息载波与能量载波分时传输并进行功能切换，即基于时分复用的分时传输系统。
（2）分离链路型：可使用2对或3对线圈构成多个磁耦合通道，分别独立传输能量和信息。根据线圈摆放位置的不同可分为平面型（线圈同轴或相邻放置）、立体型（线圈正交放置）；根据是否共用发射线圈可分为多发射多接收型（传能与通信使用独立线圈）、单发射多接收型（传能与通信使用相同发射线圈）。
MC-SWPIT系统电路拓扑实现方式多种多样，如图17所示，各种方式皆有其优缺点与适用场景。分离链路型系统常用于对通信带宽要求较高的场合，其优势在于信息与电能相互影响较小、电路设计与控制较简单、数据传输速率较快、实现双工通信较容易；其缺陷在于使用多个线圈增加系统成本，线圈间存在交叉耦合导致传能与通信互相影响，线圈位置需特殊摆放故自由度不高。共享链路型系统可令能量与信息融合传输、分频传输或者分时传输；其中融合传输系统的通信速率受限于开关频率故无法很高，且通信会对传能效率与质量造成不良影响，但电路设计与控制相对简单，传能与通信的电路复用度较高，适用于小功率应用；分频传输系统中通信载波频率与磁耦合链路带宽共同决定通信速率，通信与传能相互独立因而可有效提升通信速率，但需引入额外的变压器或互感器以及高频载波发生器进行载波注入/提取，电路参数设计以及控制都较为复杂，适用于中大功率应用；分时传输系统可在不同调制方式间切换，同时可利用非电能传输时间进行通信，提高磁耦合链路的利用率，但电能传输在时间上不连续会对传能效率与电能质量造成一定影响。共享链路型系统常用于对系统体积敏感的场合，其优势在于可降低系统体积与成本、实现双工通信；缺陷在于电路设计与控制较为复杂、通信速率有限、传能与通信相互影响等。
图17 MC-SWPIT系统实现方式与分类
不同类型的MC-SWPIT电路拓扑总结见表4，在进行系统设计时需要根据电能传输功率、信息传输速率、电路系统体积、系统使用距离等参数要求，选择合适的电路拓扑类型与信息调制方案，尽可能兼顾电能转换效率与信息传输速率。
表4 MC-SWPIT系统实现及其优缺点比较
Tab.4 Comparation of different MC-SWPIT schemes
2 系统优化
MC-SWPIT系统的实时工作状态是动态变化的，可能出现线圈偏移或距离变化导致耦合系数改变、负载功率发生变化等情况。上述因素引发的磁耦合链路信道条件的改变，会导致系统的传能与通信功能不稳定。为尽可能降低通信电路的加入对传能电路的影响，提升通信可靠性与传能效率，可利用MC-SWPIT系统的电路特性与拓扑结构特点，或采取特殊的控制策略对系统进行优化，本节将阐述系统优化电路与控制方式的原理。
2.1 信道均衡补偿
磁耦合链路的稳定性会受线圈距离变化与偏移程度的影响，为避免耦合系数变化影响磁耦合链路信道的频率响应，可添加均衡器（Equalizer, EQ）实现信道补偿来保证通信的稳定性。文献[59]提出了一种适用于共享链路SWPIT系统的均衡器（即三级级联有源滤波器），有助于解决谐振式SWPIT系统信道带宽不足和带宽随耦合系数变化的问题，增强了信道的稳定性并提高了通信速率。添加EQ补偿后的电路拓扑如图18所示，但受限于功率放大器的线性工作范围以及输出功率，故只适用于小功率能量传输的应用，无法用于大功率传输的场景。
图18 共享链路信道补偿原理
2.2 在线参数估计
SWPIT系统可利用系统本身的通信功能，实时在线跟踪系统的参数，调整包括功率控制与通信协议相关的参数。质量因素闭环控制MC-SWPIT系统如图19所示，文献[60]研究了感应磁耦合链路中功率和数据同时传输时能量传输效率（Power Transfer Efficiency, PTE）和通信带宽（Date Communication Bandwidth, DCB）之间的数学关系，建立了PTE与DCB之间的函数模型并提出了质量因素（Figure of Merit, FoM）闭环控制算法，其模型参数包括耦合系数、负载电阻和环境参数。分析表明，功率和数据传输之间的最佳平衡依赖于耦合系数，它是线圈间轴向距离的单调递减函数。可根据该模型实时调整磁耦合链路参数（如负载电阻与工作频率）以及数据调制参数（调制方案、调制深度等），以实现在距离和耦合系数变化时令传能与通信达到最佳平衡。此外，文献[61]提出实时监测负载L的变化，当L处于不同阻值区间时采用不同的调制策略，以保证变负载时的稳定上行通信。
图19 质量因素闭环控制MC-SWPIT系统
2.3 利用系统特性
MC-SWPIT系统可利用磁耦合系统的工作特性与电路拓扑特点对系统进行优化。可利用频率分裂现象降低通信对传能效率的影响，SF-WPIT系统频率分裂如图20所示，文献[62]利用WPT系统在过耦合区域时存在的频率分裂现象，在下行通信中基于两个分裂频率点实现FSK调制，从而使传能受通信影响较小，并且分裂频率可使用增量算法在线跟踪，在线圈距离发生变化时仍能正常通信。文献[63]在上行通信中通过在负载接收端切换谐振电容实现FSK调制，而电能发射端采用自激电源以实现自动频率跟踪，电容阵列投切可降低FSK调制对电路谐振状态的影响。
图20 SF-WPIT系统频率分裂
实际工程应用中，大功率WPT系统一般需要加入金属屏蔽板以消除磁场泄露对人体健康的影响，故可利用屏蔽板间的电容构建磁场-电场混合通道分别进行传能与通信。磁场-电场混合式SWPIT系统如图21所示，文献[64]利用WPT系统中耦合线圈和金属铝屏蔽板的寄生电容构成电场耦合链路用于传输信息，发射与线圈构成磁耦合链路用于传输电能。该方法具有良好的灵活性和较大的空间位置偏移冗余度，无需修改系统拓扑结构，包含通信速率快、成本低、易于实现等优点。
2.4 高频开关技术
随着第三代功率半导体技术的发展，氮化镓（GaN）材料制成的全控器件可实现高速开关控制，为信息调制与功率传输的系统小型化提供了硬件思路如图22所示。文献[65]使用多频直接编程脉冲宽度调制（Multi-Frequency programmed Pulse Width Modulation, MFPWM）技术[66]利用全桥逆变器直接生成两种不同频率的载波，无需使用高频变压器进行信息载波注入。该方案需提前计算MFPWM的开关角，可生成26.8kHz的低频电能载波与991.6kHz的高频信息载波，采用ASK进行信息调制，并且信息传输对电能传输效率影响不大，但信息载波的接收提取仍需使用变压器。
图21 磁场-电场混合式SWPIT系统
图22 多频直接编程脉冲调制式MC-SWPIT系统拓扑
3 应用前景
未来MC-SWPIT技术将朝着高速通信与高效传能的方向发展，并进一步拓宽其有效工作范围。伴随着半导体与数字控制技术的发展，系统的能量传输功率可从mW级升至kW级，通信速率可从kbit/s升至Mbit/s级，可进一步实现芯片级的高度集成化与小型化，深刻嵌入现代社会的各个领域[67]。随着MC-SWPIT技术的进一步完善与成熟，有望在以下多个领域取得广泛应用：
（1）无线能量传输加密：能量作为一种有价资源在传输时不能被未授权的负载随意获取。为防止无线电能在传输过程中被非法窃取，必须进行加密传输并对负载进行识别，只有拥有无线能量接收许可密匙的合法负载才能接入系统[68]。MC-SWPIT系统可实现负载识别与能量传输加密，只有能进行正确应答的负载才能获取能量；否则，电能发射端可以拒绝进行能量传输以保证能量安全。
（2）无线能量路由网络：未来随着无线电能传输的普及，无线电能系统可构成多输入多输出（Multi-Input Multi-Output, MIMO）无线能源网络，因此功率分配尤为重要。接入该无线能源网络的电能发射源或负载必须按需发射或接收能量，满足不同电源出力以及负载的供能要求[69]。MC-SWPIT系统的发射端可构成能量路由器[70]，所自带的通信功能可完成能量供给与需求通信，从而构建无线能源网络并按需供给与分配电能资源。
（3）物联网设备供电：未来物联网（Internet of Things, IoT）设备将在智能家居中扮演不可或缺的角色，而其拥有诸多传感器且需连续工作。MC- SWPIT技术可实现携能通信，有效延长传感器的在线工作时间并降低其维护成本。
（4）生物组织植入设备：对于视网膜假体、胃镜、精准送药机器人等植入人体组织的设备而言，通常不易采取有线供电。MC-SWPIT技术可有效提高这些医学植入设备的使用便携性与工作时间，提高用户体验并减少痛苦。
4 结论
本文回顾了近场磁耦合无线电能与信息同步传输技术中电路拓扑的发展，按照磁耦合链路数量的不同对其进行了划分与梳理，同时详细介绍了重要的共享与分离链路电路拓扑结构、控制原理以及系统优化方向。共享链路系统结构与控制较为简单，但信息与能量融合传输会相互影响；而基于多磁耦合通道的分离链路型系统以增加线圈和架构复杂度为代价，可进行连续功率传输与高速数据通信。在实际MC-SWPIT系统设计中，需要根据应用场景的通信带宽与传输功率需求，选择合适的磁耦合链路数量与数字调制方案，兼顾高效功率传输与高速数据传输。
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An Overview of Simultaneous Wireless Power and Information Transfer via Near-Field Magnetic Links (Part Ⅱ): Circuit Topology
（School of Electric Power South China University of Technology Guangzhou 510640 China）
Near-field magnetic coupling wireless power transfer technique (WPT) has made great progress in the past decades, which can be seen in daily life. The implementation of reliable WPT system applied in actual scenarios usually requires close-loop feedback control and data interaction. Hence, it is necessary to establish a power link and a telemetry channel between the transmitter and receiver for WPT system, which actually requires simultaneously transmitting power and information (SWPIT). SWPIT system can be implemented by adding communication circuits to the existing WPT topology. This paper reviewed the development of the circuit topology for near-field magnetic coupling SWPIT technology, including circuit implementation and channel optimization, and finally summarized the applicable potential and development trend.
Simultaneous wireless power and information transfer, circuit topology, near-field magnetic communication, wireless power transfer
10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211473
TM724
国家自然科学基金资助项目（51437005）。
2021-09-15
2021-11-05
李建国 男，1997年生，硕士，研究方向为无线电能传输。E-mail: 202020114446@mail.scut.edu.cn
张 波 男，1962年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动。E-mail: epbzhang@scut.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）
