一种相位检测电路及无线能量传输驱动系统的制作方法

1.本发明涉及相位检测技术领域，尤其涉及一种相位检测电路及一种无线能量传输驱动系统。


背景技术：

2.一般大功率电源或者无线充电设备为实现高效率和高可靠性首选谐振电路的电源拓扑，工作在弱感性区的谐振腔能让电源开关管实现软开关，避免电源开关管在开、关时产生过高的电压尖峰损坏开关管，同时弱感性保证开关管在开通时开关管两端电压为零。在设计时因为谐振参数设计不当，或者因为在一些条件下谐振参数发生变化，导致电源工作在容性区，电源将工作在硬开关状态，过高的电压尖峰会损坏电源。因此及时高效地检测出谐振网络的工作状态至关重要。
3.在轻载情况下，如图1所示，电流容易在一个周期内发生多次过零，目前的过零比较电路如专利公布文本《基于双边功率流控制的无线电能传输系统及其控制方法》(公布号cn 102751793 a)所示，比较简单，不能准确检测谐振网络的工作状态，影响检测电路误动作。


技术实现要素：

4.本发明提供一种相位检测电路及一种无线能量传输驱动系统，解决的技术问题在于：如何在电流发生多次过零时，准确检测谐振网络的工作状态，以对电路进行精准调节，避免误动作。
5.为解决以上技术问题，本发明首先提供一种相位检测电路，包括顺序连接的电流取样电路、电流过零比较电路，顺序连接的电压取样电路、电压过零比较电路，以及连接所述电流过零比较电路及所述电压过零比较电路的触发器判断电路；
6.由所述电流取样电路取样的电流取样信号经所述电流过零比较电路变换为电流电平信号，输入所述触发器判断电路；
7.由所述电压取样电路取样的电压取样信号经所述电压过零比较电路变换为电压电平信号，输入所述触发器判断电路；
8.所述触发器判断电路对输入的所述电流电平信号和所述电压电平信号进行相位比较，输出第一种信号表示所述电流电平信号超前所述电压电平信号的相位检测结果，或输出第二种信号表示所述电流电平信号滞后所述电压电平信号的相位检测结果。
9.优选的，当所述电压电平信号的上升沿到达所述触发器判断电路时，所述触发器判断电路判断此时所述电流电平信号是否为高，若是则所述触发器判断电路输出高电平即所述第一种信号，若否则所述触发器判断电路输出低电平即所述第二种信号。
10.优选的，所述触发器判断电路包括取非电路和jk触发器；
11.所述取非电路连接在所述电流过零比较电路与所述jk触发器的j端之间，所述电流过零比较电路还连接所述jk触发器的k端，所述电压过零比较电路连接所述jk触发器的
clk端，所述jk触发器的q端输出高电平或低电平。
12.优选的，所述触发器判断电路采用d触发器；
13.所述电流过零比较电路、所述电压过零比较电路分别连接所述d触发器的 d端、clk端，所述d触发器的q端输出高电平或低电平。
14.本发明提供的一种相位检测电路，其效果在于：
15.1、通过电流过零比较电路、电压过零比较电路将电流信号、电压信号转化为对应的电平信号，再采用触发器判断电路对两个电平信号进行相位比较，而触发器判断电路基于其触发器特性只根据电流信号的第一次过零点进行比较，能够有效屏蔽非关键过零点，即使电流在一个周期内发生多次过零，也不影响触发器判断电路的输出结果；
16.2、通过在电压电平信号的上升沿到达触发器判断电路时，根据电流电平信号此时是否为高判断判断两种信号的相对相位，这种判断方式简单、快速而又准确；
17.3、触发器判断电路采用jk触发器与取非电路相结合或者仅采用d触发器，利用jk触发器或d触发器的输入、输出特性进行对比判断，不需要单片机介入，结构简单、成本低，电路稳定、可靠，结果快速、准确。
18.基于该相位检测电路，本发明还提供一种无线能量传输驱动系统，包括该相位检测电路，还包括频率调节模块；所述电流取样电路、所述电压取样电路连接无线能量传输系统中的发射端谐振网络，以分别对发射端谐振网络的输出电流和输出电压进行取样；
19.所述频率调节模块连接所述相位检测电路，用于根据所述相位检测电路输出的第一种信号或第二种信号调节所述无线能量传输系统中的开关电压源的工作频率，使开关电压源处于最弱的感性状态。
20.优选的，针对所述第一种信号，所述频率调节模块调节频率的方式为：
21.按照第一预设步进在所述开关电压源的基础工作频率上逐步增大频率，直到所述相位检测电路输出所述第二种信号，将当前工作频率作为最后的工作频率。
22.优选的，针对所述第二种信号，所述频率调节模块调节频率的方式为：
23.按照第二预设步进在所述开关电压源的基础工作频率上逐步减小频率，直到所述相位检测电路输出所述第一种信号时，将上一步的工作频率作为最后的工作频率。
24.优选的，所述第一预设步进等于所述第二预设步进等于千分之一。
25.优选的，一种无线能量传输驱动系统，还包括连接所述频率调节模块的报警模块，当所述频率调节模块增大或减小的频率达到调整上限值但还未完成频率调节时，则发送报警信号至所述报警模块，所述报警模块根据所述报警信号进行报警。
26.优选的，所述调整上限值为所述基础工作频率的20％。
27.本发明提供的一种无线能量传输驱动系统，其效果在于：
28.1、依赖相位检测电路精准的相位检测结果(在电流超前即输出第一种信号时表示发射端谐振网络工作在容性状态，在电流滞后即输出第二种信号时表示发射端谐振网络工作在感性状态)对开关电压源的工作频率进行适当调节，使之处于最弱的感性状态以保护开关器件；
29.2、频率调节模块在调节频率时，将相位检测电路实时的相位检测结果作为调节的反馈，并在相位检测结果发生改变时(第二种信号转变至第一种信号或第一种信号转变至第二种信号)停止调节，从而可将发射端谐振网络调节至最弱的感性状态，保证调节效果；
30.3、设置预设步进进行逐步调节，不断逼近最佳的工作频率，这种调节方式程式简单，调节过程稳定，调节结果可靠；
31.4、设置报警模块在达到调整上限值还未调节到位时，进行报警提示，可提醒相关人员检查电路是否出现其他参数设计错误或电路运行故障。
附图说明
32.图1是本发明背景技术提供的多次过零的电流电平信号波形图；
33.图2是本发明实施例1提供的一种相位检测电路的总拓扑图；
34.图3是本发明实施例1提供的一种相位检测电路的仿真波形图；
35.图4是本发明实施例1提供的采用jk触发器的相位检测电路的拓扑图；
36.图5是本发明实施例1提供的jk触发器的时序图；
37.图6是本发明实施例1提供的采用d触发器的相位检测电路的拓扑图；
38.图7是本发明实施例1提供的d触发器的时序图；
39.图8是本发明实施例2提供的一种无线能量传输驱动系统的结构图。
具体实施方式
40.下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
41.实施例1
42.为了在轻载情况下，电流在一个周期内发生多次过零时，屏蔽非关键过零点，准确检测出电流与电压之间的相位关系，本实施例提供一种相位检测电路，如图 2所示，电流取样电路、电流过零比较电路，顺序连接的电压取样电路、电压过零比较电路，以及连接电流过零比较电路及电压过零比较电路的触发器判断电路；
43.由电流取样电路取样的电流取样信号经电流过零比较电路变换为电流电平信号，输入触发器判断电路；
44.由电压取样电路取样的电压取样信号经电压过零比较电路变换为电压电平信号，输入触发器判断电路；
45.触发器判断电路对输入的电流电平信号和电压电平信号进行相位比较，输出第一种信号表示电流电平信号超前电压电平信号的相位检测结果，或输出第二种信号表示电流电平信号滞后电压电平信号的相位检测结果。
46.本实施例通过电流过零比较电路、电压过零比较电路将电流信号、电压信号转化为对应的电平信号，再采用触发器判断电路对两个电平信号进行相位比较，而触发器判断电路基于其触发器特性只根据电流信号的第一次过零点进行比较，能够有效屏蔽非关键过零点，即使电流在一个周期内发生多次过零，也不影响触发器判断电路的输出结果。
47.具体的，触发器判断电路的具体判断过程为：当电压电平信号的上升沿到达触发器判断电路时，触发器判断电路判断此时电流电平信号是否为高，若是则触发器判断电路输出高电平即第一种信号如图3(a)的仿真图，若否则触发器判断电路输出低电平即第二种信号如图3(b)、3(c)的仿真图所示。这里，3(a)、(b)中的电流信号一次过零，图(c)中的电流
信号多次过零。本实施例的相位检测电路不仅适用于电流多次过零的情形，也适用于一般情形。本例通过在电压电平信号的上升沿到达触发器判断电路时，根据电流电平信号此时是否为高判断判断两种信号的相对相位，这种判断方式简单、快速而又准确。
48.为了实现这种简单、快速而又准确的判断，如图4所示，本例触发器判断电路包括取非电路和jk触发器。取非电路连接在电流过零比较电路与jk触发器的j端之间，电流过零比较电路还连接jk触发器的k端，电压过零比较电路连接jk触发器的clk端，jk触发器的q端输出高电平或低电平。
49.jk触发器的时序波形如图5所示。由图5(a)可以看到，当clk端(电压电平信号)的上升沿到来时，k端(电流电平信号)为高，q端持续输出高电平(第一种信号)，表示电流电平信号超前电压电平信号。由图5(b)可以看到，当clk 端(电压电平信号)的上升沿到来时，k端(电流电平信号)为低，q端持续输出低电平(第二种信号)，表示电流电平信号滞后电压电平信号。
50.作为另一种实施方式，如图6所示，本例触发器判断电路采用d触发器。电流过零比较电路、电压过零比较电路分别连接d触发器的d端、clk端，d 触发器的q端输出高电平或低电平包括取非电路和jk触发器。
51.d触发器的时序波形如图7所示。由图7(a)可以看到，当clk端(电压电平信号)的上升沿到来时，d端(电流电平信号)为高，q端持续输出高电平(第一种信号)，表示电流电平信号超前电压电平信号。由图7(b)可以看到，当clk 端(电压电平信号)的上升沿到来时，d端(电流电平信号)为低，q端持续输出低电平(第二种信号)，表示电流电平信号滞后电压电平信号。
52.本例触发器判断电路采用jk触发器与取非电路相结合或者仅采用d触发器，利用jk触发器或d触发器的输入、输出特性进行对比判断，不需要单片机介入，结构简单、成本低，电路稳定、可靠，结果快速、准确。
53.实施例2
54.基于实施例1的相位检测电路，本实施例提供的一种无线能量传输驱动系统，如图8所示，包括相位检测电路、频率调节模块。电流取样电路、电压取样电路连接无线能量传输系统中的发射端谐振网络，以分别对发射端谐振网络的输出电流和输出电压进行取样。频率调节模块连接相位检测电路，用于根据相位检测电路输出的第一种信号或第二种信号调节无线能量传输系统中的开关电压源的工作频率，使开关电压源处于最弱的感性状态。
55.该驱动系统依赖相位检测电路精准的相位检测结果(在电流超前即输出第一种信号时表示发射端谐振网络工作在容性状态，在电流滞后即输出第二种信号时表示发射端谐振网络工作在感性状态)对开关电压源的工作频率进行适当调节，使之处于最弱的感性状态以保护开关器件；
56.更具体的，针对第一种信号，频率调节模块调节频率的方式为：
57.按照第一预设步进在开关电压源的基础工作频率上逐步增大频率，直到相位检测电路输出第二种信号，将当前工作频率作为最后的工作频率。
58.针对第二种信号，频率调节模块调节频率的方式为：
59.按照第二预设步进在开关电压源的基础工作频率上逐步减小频率，直到相位检测电路输出第一种信号时，将上一步的工作频率作为最后的工作频率。
60.频率调节模块在调节频率时，将相位检测电路实时的相位检测结果作为调节的反馈，并在相位检测结果发生改变时(第二种信号转变至第一种信号或第一种信号转变至第二种信号)停止调节，从而可将发射端谐振网络调节至最弱的感性状态，保证调节效果。
61.具体的，第一预设步进等于第二预设步进等于千分之一。也即是，每次增加或减小的频率为基础工作频率的千分之一(可根据具体需求调整为其他比例或其他值)。若基础工作频率为100khz，则第一预设步进等于第二预设步进等于 0.1khz。本例通过设置预设步进进行逐步调节，不断逼近最佳的工作频率，这种调节方式程式简单，调节过程稳定，调节结果可靠。
62.具体的，本例无线能量传输驱动系统还包括连接频率调节模块的报警模块，当频率调节模块增大或减小的频率达到调整上限值但还未完成频率调节时，则发送报警信号至报警模块，报警模块根据报警信号进行报警，可提醒相关人员检查电路是否出现其他参数设计错误或电路运行故障。
63.本例将调整上限值设置为基础工作频率的20％，可根据具体需求调整为其他比例或其他值。
64.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。