[发明专利]一种磁共振式无线充电传感器网络节点设计方法

摘要

本发明公开了一种磁共振式无线充电传感器网络节点设计方法，节点包括磁共振式无线充电装置和无线传感器网络构架，所述磁共振式无线充电装置分为能量发射模块和能量接收模块，所述能量发射模块包括24V直流电源模块、稳压模块、MOS管驱动模块和E类逆变电路；所述能量接收模块，由接收线圈经磁共振获取能量后经E类整流电路得到直流电输出，给采集节点充电，该能量接收模块包括E类整流电路，所述E类逆变电路和E类整流电路之间通过发射线圈和接收线圈电连接，所述发射线圈和接收线圈以磁共振的方式传输电能。本发明将电路控制和传感器信息的采集、传输和显示于一体，避免了过于复杂的电路，搭建出简洁有效的装置。

主权项

1.一种磁共振式无线充电传感器网络节点设计方法，其特征在于，节点包括磁共振式无线充电装置和无线传感器网络构架，所述磁共振式无线充电装置分为能量发射模块和能量接收模块，所述能量发射模块包括24V直流电源模块、稳压模块、MOS管驱动模块和E类逆变电路；所述能量接收模块，由接收线圈经磁共振获取能量后经E类整流电路得到直流电输出，给采集节点充电，该能量接收模块包括E类整流电路，所述24V直流电源模块与稳压模块和E类逆变器电路连接，所述稳压模块、MOS管驱动模块E类逆变电路顺序连接，所述E类逆变电路和E类整流电路之间通过发射线圈和接收线圈电连接，所述发射线圈和接收线圈以磁共振的方式传输电能；工作时，220V工频交流电经过24V直流电源模块中的适配器转换成直流电，再经过由协调器控制的E类逆变电路，在发射线圈上产生交流电，接收线圈通过磁共振的方式获取能量再经过E类整流电路给采集节点供电，稳压模块将24V直流电转换成5V直流电给HMI屏幕模块和MOS管驱动模块供电；而无线传感器网络分为协调器和采集节点，两者均使用ZigBee无线通讯模块，协调器用于控制MOS管驱动模块、接收采集节点采集的信息并在串口HMI屏幕上显示，采集节点用于向协调器传达节点采集信息；所述E类逆变电路包括：MOSFET、直流电源V_CC、扼流电感L₁、谐振电感L₂、电容C₁、电容C₂和电阻RL，直流电源V_CC为整个E类逆变电路供电，扼流电感L₁设置在直流电源V_CC和MOSFET之间，MOSFET又与电容C₁和电阻RL并联，谐振电感L₂和电容C₂，并联；L₁用于抑制直流电源间的纹波，故选择足够大的扼流电感，供给稳定的电流，L₂为串联谐振电感与C₂构成一对LC谐振网络，是电路能否发生谐振的关键所在，同时该谐振网络还兼有滤波功能，利用电容和电感的储能特征，将电能与磁能互相转换，MOSFET通过反馈机制将逐渐衰减的信号放大回去，C₁是模拟MOSFET的等效电容，而MOSFET通常集成了续流二极管；所述E类逆变电路的工作过程如下：当MOSFET处于关断状态时，MOSFET无电流通过，此时电流转而流向MOSFET并联的C₁等效电容，C₁开始充电,两端电压由零逐渐增大到达峰值，符合I₁＝I_C+I₂；电容充满电后开始放电，即I_C反向增大，负载电流开始逐渐增大，此时满足I₂＝I₁+I_C，电容放电过程中电压逐渐减少，当降为零时，MOSFET开始转换状态，MOSFET反向并联的二极管起到续流作用；当MOSFET管处于导通状况时，二极管的钳位作用使得MOSFET的漏源极间电压一直维持在零电压，开关管近似看作零电压导通，电流I₂由原本的方向逐渐减少，开关管通过的电流不停增大，直到开关管电流I_S＝I₁；当电流I₂开始过零并且反向增大的时候，只是满足I_S＝I₁+I₂,到达某一时刻I₂增大到最大值，即开关管承受最大电流；电流I₂开始逐渐降落，I_S也开始逐渐下降直到等于零，MOSFET管又开始转换状态；开关关断时，C₁、L₂、C₂、R_L组成谐振回路，电容C₁先充电再放电，L₁释放能量起到了维持谐振状态的作用，开关在电压为零时导通，实现了ZVS，电流I₂经历了从零开始正向逐渐增大再逐渐减小至零的过程；开关导通时，L₂、C₂、R_L组成谐振回路，在这半个周期内MOSFET漏源极间电压一直保持为零，电流I₂经历了从零开始反向逐渐增大再逐渐减小至零的过程。