电容式电力传输系统内的高数据速率通信

本文提出了一种基于脉冲的调制策略来实现大数据速率。数据调制电路是一个以断续导通模式（DCM）运行的双向DC/DC转换器。每个电流脉冲代表双向 DC/DC 转换器产生的一个数据位。数据直接叠加到初级侧的功率电流上，并通过向初级侧注入电流脉冲来传输到次级侧。

由于双向DC/DC的DCM操作，所建议的基于脉冲的调制系统要求在初级功率电流的每个周期期间生成两个或更多电流脉冲。因此，可以减少需求并且数据速率可以超过电力传输工作频率。

图 1 描述了建议的在公共信道上进行高数据速率通信的 CPT 系统。

高耦合变压器 Tj1 和双向DC/DC转换器构成信号发射器的初级侧。高耦合变压器Tj2、检测电阻Rs、带通滤波器和解调模块组成二次侧的信号接收器。双向DC/DC转换器是脉冲电流源等效数据调制电路。双向 DC/DC 转换器产生的脉冲电流代表每个数据位。通过变压器Tj1，数据直接注入电源电流ip，这里作为数据载体。电容通道将调制后的电流载波从主端传输到副端。然后 Tj2 和 Rs 拾取并检测调制电流。通过对检测电阻的电压波形进行滤波和解调，可以恢复信号。

图 1：为 CPT 系统提出的基于脉冲的调制方法（IEEE）。
图1：为CPT系统提出的基于脉冲的调制方法（IEEE）

图 1(b) 描述了所建议的基于脉冲的调制方法的基本概念。采用初级侧交流电压vp作为同步时钟。在vp的每个半周期中，产生代表数据位的电流脉冲。

位值决定了当前脉冲的极性：负脉冲表示“0”，正脉冲表示“1”。通过将脉冲电流注入初级侧，将数据叠加在功率电流ip上。结果，次级侧可以通过相同的电容通道接收数据和电力。在此方法中，同步时钟和代表每个数据位的脉冲（其足够短以支持高速数据传输）被合并到数据流中。

根据传输数据的位“0”和“1”，双向转换器具有两种操作模式：1) 电流脉冲 ic>0 且数据= ’1’，以及 2) 电流脉冲 ic0 且数据=’0 ’。双向转换器在模式 1 的升压模式下运行（数据=“1”）。

在此期间，电容Cdc充电，正电荷Q+为：

功率传输 - 公式 1。

其中L表示电感器Lp的电感。双向转换器在模式 2 的降压模式下运行（数据=’0’）。电感电流iL 首先增加到0，然后从0 降低到iL_max-。当直流偏置电容Cdc放电时，产生电流脉冲ic0。负电荷 Q- 的术语为：

功率传输 - 公式 2。

在双向转换器停止工作之前，电容器 Cdc 中存储的能量将会增加或减少。对于某些二进制代码，总正电荷 Q+ 应等于总负电荷 Q- 才能解决此问题。因此：

功率传输 - 公式 3。

其中n+和n-分别表示特定二进制代码中“0”和“1”的数量。iL_max+ 和 iL_max- 之间的联系可以从 (1) 到 (3) 推导出来：

功率传输 - 方程 4。

当data＝“1”时，输入电压源Vin供电，为数据调制电路产生正脉冲电流。当 Vin 消耗能量时，会产生负脉冲电流并传输数据“0”。根据 (4)，Vin 提供的总功率为：

CPT 方程 5。

根据(5)，数据电路的功耗理论上应该为零，因为电容器Cdc充当产生脉冲电流的缓冲器。