CN100367624C - 一种高转换效率非接触式充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力系统防误闭锁技术领域，特别涉及一种应用于具有五防功能的手持式电脑钥匙、PDA钥匙的非接触式充电装置。一种非接触式充电装置，由充电器及便携设备两部分组成，充电器部分将电能转换成一个固定频率的交变磁场，便携设备部分通过电感切割该交变磁场的磁力线，将磁能转换成电能给内部的电池提供充电电压，其特征在于，便携式设备的电能是通过电磁场的空间耦合得到的。本发明采用电磁非接触耦合方式进行电能转换，省去了充电电极，解决了接触式充电方式存在的固有缺陷，本发明针对漏磁、磁滞损耗和线圈损耗的改进，以及根据串/并联振荡电路的特点，对初级、次级振荡电路形式及具体连接方法的选择，达到安全、高效的目的。

Description

一种高转换效率非接触式充电装置
技术领域
本发明涉及电力系统防误闭锁技术领域，特别涉及一种应用于具有五防功能的手持式电脑钥匙、PDA钥匙的非接触式充电装置。
背景技术
目前，在现有微机防误闭锁装置中，一般采用具有五防功能的智能钥匙(俗称电脑钥匙)和机械锁具配合完成防误闭锁功能；所述电脑钥匙是一种手持式的便携类电子设备，电脑钥匙的供电方式为内置电池供电，为了对电池的电能进行补充需要使用充电器对电池进行充电，电脑钥匙及其它便携类电子设备的电池充电途径一般是采用导电材料将电能传送至电池，这种方式称之为接触式充电，参见图1是该类接触式充电装置组成原理图。通过导电触点将电能传导至电池或便携式设备中的电源管理单元，采用导电触点进行电能传输的特点是效率高，消耗在传输环节的电能几乎等于零，但是，由于采用了导电触点，在使用中普遍存在充电触头易损坏或金属表面氧化问题，导致的是无法有效充电。对于这一问题有大量的设计人员曾经设计、尝试过许多的方法对充电触点进行一系列的改良，例如对触点镀上一些分子结构稳定的导电材料，如：银、磷化铜、鈹铜合金等，其中鈹铜合金是目前较为理想的导电触点材料，它具有高导电，高弹性，高硬度及强度等特点，但是使用鈹铜合金仍然不能从根本上解决导电触点磨损、金属表面氧化带来的问题，而且鈹铜合金的价格较高，主要用于高端产品。另外，由于充电源的触点暴露在外部，触点之间容易短路，使得充电器内部必需提供非常灵敏的过流检测机制，在检测到触点短路时应切断内部的电源回路，否则由于短路电流过大容易造成设备的永久性损坏，甚至可能对其它财产造成伤害；另外，目前也出现了非接触式充电装置，主要是利用超声波或电磁波进行能量传送，但其最大的缺点就是能量转换效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种安全、高效的非接触式充电装置。
本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：一种非接触式充电装置，由充电器及便携设备两部分组成，充电器部分将电能转换成一个固定频率的交变磁场，便携设备部分通过电感切割该交变磁场的磁力线，将磁能转换成电能给内部的电池提供充电电压，其特征在于，便携式设备的电能是通过电磁场的空间耦合得到的；该充电器部分包含充电信号发生模块、功率驱动模块、发送调谐部分、反馈信号检测模块、定时模块、或非门、电源模块；该便携设备部分包括电能获取模块、整流稳压模块、充电管理模块；充电信号发生模块共有两个输出信号及一个停止信号输入端，两个输出信号输入至功率驱动模块，反馈信号检测模块与定时模块的输出信号经过或非门后产生一停止信号并输入至充电信号发生模块；电源模块向充电信号发生模块、功率驱动模块、发送调谐部分、反馈信号检测模块和定时模块提供电源。
本发明高转换效率非接触式充电装置由于采用电磁非接触耦合方式进行电能转换，使设备省去了充电电极，从而有效解决了接触式充电方式存在的固有缺陷，另外，本发明针对漏磁、磁滞损耗和线圈损耗的改进，以及根据串/并联振荡电路的特点，对初级、次级振荡电路形式及具体连接方法的选择，从而达到安全、高效的目的。
附图说明
图1为现有技术中接触式充电装置组成原理图；
图2为本发明非接触式充电装置电气原理框图；
图3为本发明中充电信号发生模块和功率驱动模块的电气原理图；
图4为本发明中反馈信号检测模块电气原理图；
图5为本发明中定时模块电气原理图；
图6为本发明中定时模块充放电波形。
具体实施方式
一种非接触式充电装置，由充电器及便携设备两部分组成，充电器部分将电能转换成一个固定频率的交变磁场，便携设备部分通过电感切割该交变磁场的磁力线，将磁能转换成电能给内部的电池提供充电电压，其特征在于，便携式设备的电能是通过电磁场的空间耦合得到的，在便携式设备获取电能时不需要通过导电材料与充电器接触。
该非接触式充电装置的工作原理框图参见图2，充电器部分包含充电信号发生模块、功率驱动模块、发送调谐部分、反馈信号检测模块、定时模块、或非门、电源模块。其中充电器部分的主要功能有三点：1、产生一个频率为120KHz的交变磁场，其特点是该磁场具有较大的功率及稳定的频率。2、检测便携设备的位置是否在有效充电磁场范围内。3、在有效磁场内未检测到有便携设备时充电器进入间歇式的工作状态。
便携设备部分包含电能获取模块、整流稳压模块、充电管理模块。其主要功能有以下三点：1、将频率为120KHz的交变磁场转换成交流电压，其特点是能对磁场的频率进行选择以及能以较高的效率将磁能转换成电能。2、将交流电压转换为稳定的直流电压给内部电池及元器件供电。3、对内部电池充电周期的检测及控制。
以下对充电器部分的框图原理进行分析：
参见图3，充电信号发生模块共有两个输出信号及一个停止信号输入端，输出信号为两个频率为120KHz且相位角相差180°的脉冲信号。该信号被送到功率驱动模块进行电流放大，当脉冲电流通过发送调谐电感时在磁芯内部及周围产生磁场，由于电感L1、L2是按照120KHz的频率轮流导通的，且L1、L2的导通电流相反，因此最终产生的这个磁场是一个频率为120KHz的交变磁场，通过这样的过程完成电能到磁能的转换。
在使用过程中便携式设备是有大部分时间不在充电器上充电的，因此在此期间可以将充电器电路的主要耗电部分停止工作，这样做不但可以有效的节约电力资源而且能够延长充电器电路的使用寿命。为此在充电信号发生模块中加入停止控制信号，停止信号由反馈信号模块与定时模块通过“或非门”后产生。当反馈信号检测模块检测到有便携式设备在充电座上时输出信号A为逻辑“1”电平，由于1“或”任何数等于“1”，此时定时器模块输出的信号成了无关信号，停止信号C＝not A＝“0”，此时充电信号发生器正常工作，当反馈信号检测模块检测到没有便携式设备在充电座上时输出信号A为逻辑“0”，由于0“或”任何数等于“任何数”，因此停止信号C＝not B，停止信号C仅取决于B信号，B信号是由定时器模块产生的一个占空比为1.8％的脉冲信号，在一个脉冲周期内输出逻辑“1”的时间为80ms，输出逻辑“0”的时间约为4.5s，也就是说，此时充电信号发生器每隔4.5s工作一次，每次工作时间为80ms。
下面对框图中的各个主要功能模块的实现方式进行分析。
一、充电信号发生模块及功率驱动模块。
二、反馈信号检测模块。
三、定时模块。
四、电能获取模块。
1、充电信号发生模块及功率驱动模块。
充电信号发生模块及功率驱动模块的原理图参见图3。充电信号发生模块是一个以SG3524集成芯片构成的电路，它是美国硅通用公司(SiliconGeneral)生产的双端输出式脉宽调制集成电路。
直流电源Vs从脚15接入后送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的+5V基准电压。+5V再送到内部(或外部)电路的其他元器件作为基准电源。振荡器脚7外接电容CT，脚6外接电阻RT。振荡器频率f由外接电阻RT和电容CT决定，f＝1.18/RTCT，在本电路中通过对RT、CT的设定将f设计为240KHz。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门，另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端，比较器的反向端接误差放大器的输出。
误差放大器A1实际上是个差分放大器，脚1为其反向输入端，脚2为其同相输入端。同相输入端接到基准电压的分压电阻上取得2.5V的电压，另一个输入端接地。误差放大器的输出电压Va与锯齿波电压在比较器中进行比较，从而在比较器的输出端出现一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的PWM方波脉冲，比较电压Va等于2.5V时方波脉冲的占空比为50％，并且Va越低方波脉冲的占空比越大。再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出端互补，交替输出高低电平，其作用是将PWM脉冲交替送至两个三极管V1及V2的基极。最后，晶体管T1及T2分别输出脉冲宽度调制波，两者相位相差180°。脉冲频率为振荡器频率的1/2。当脚10加高电平时使关断电路内部的晶体管饱和导通，将Va拉成0V，使PWM比较器的输出恒为高电平，通过或非门反相后可实现对输出脉冲的封锁，即控制晶体管V1、V2截止。另外在充电信号发生模块与功率驱动模块之间还加入了电流负反馈信号，将反馈电阻R4串接到负载的电流回路上，当负载电流通过R4时产生了反馈电压Vf，Vf＝i1*R4，将Vf送入到限流比较器中，当负载线圈电流i1增大时Vf也同时增大，常态下限流比较器的输出为高电平，一旦R4上的压降超过200mV时就输出低电平，同样会将Va拉成0V并且使得晶体管V1、V2截止。设计的最大负载电流可通过对R4阻值的调整来确定。
功率驱动模块采用了CMOS管作电流放大器件，其特点是输入阻抗高及驱动电流大，它的工作原理较为简单，在SG3524的输出控制下两个CMOS管轮流导通，在负载电感L1、L2上产生一个频率为120KHz的交变磁场。
2、反馈信号检测模块
反馈信号检测模块的电路原理图参见图4。它由磁＝＞电转换电路及整流滤波电路构成。磁＝＞电转换电路主要有感应电感L3组成，电感L3绕在初级磁芯的副绕组上，当便携式设备端的次级磁芯靠近初极磁芯以时，电感L3两端产生交流感应电压，将该交流电压整流、滤波后产生一个稳定的逻辑电平输出。最终得到的结果是：当便携式设备端的次级磁芯靠近充电座时反馈信号检测模块输出逻辑“1”，不靠近时检测模块输出逻辑“0”。当检测模块输出为“1”时，“或非门 ”输出为“0”
3、定时模块
定时模块是一个以NE555型集成芯片构成的电路，它的作用是产生一个一个占空比为1.8％，频率约0.2Hz为的固定脉冲信号。它的电路原理图参见图5。
由图可知，NE555内部包含放电晶体管T1，两个电压比较器A1和A2，一个RS触发器以及由三个电阻(阻值各为5KΩ)组成。
电源电压刚接通时，电容C1两端电压Vc1小于1/3Vcc，比较器A1、A2的输出电平分别为“1”、“0”，RS触发器得到这个状态输入后输出Q＝1/Q＝0(RS触发器的状态表参见表1)，放电晶体管T1截止。通电后Vcc通过电阻R1及二极管D1给电容器C1充电，Vc1渐渐升高，当Vc1＞1/3Vcc时A1、A2的输出电平分别为“1”、“1”，RS触发器得到这个状态输入后输出状态不变，仍然是Q＝1/Q＝0，放电晶体管T1截止，Vcc继续通过电阻R1及二极管D1给电容器C1充电，当Vc1＞2/3Vcc时A1、A2的输出电平分别为“0”、“1”，RS触发器得到这个状态输入后输出状态反转，输出Q＝0/Q＝1，此时放电晶体管T1导通，电容器C1上的电荷通过R2、D2进行释放，Vc1电压逐渐降低，在1/3Vcc＜Vc1＜2/3Vcc期间A1、A2的输出电平保持为“0”、“1”，当Vc1＜1/3 Vcc时RS触发器得到这个状态输入后输出状态反转，T1截止，NE555的工作状态又回到原来的状态，并且C1又开始下一个周期的充放电过程，C1充放电过程的波形及Q点输出波形参见图6。在此只需要改变R1、R2的阻值大小就可以改变输出脉冲的占空比。
4、电能获取模块
电能获取模块设计在便携式设备的内部，它的结构较为简单(参见图)它主要由次级磁芯、电感L1及电容C1三个部件组成并且采用并联接法，当便携式设备内的次级磁芯靠近且正对充电座内的初级铁芯时，次级铁芯会产生与初级铁芯同频率的磁力线，当磁力线在电感L1中通过时，电感L1相对做磁力线动，并且在线圈两端产生与磁力线同频率的交变电压，再通过便携式设备内部的整流稳压电路将这个交流电转换成稳定的直流电给内部供电。在此电容器C1的作用是与电感L1组成一个并联谐振电路，谐振频率设计为120KHz。
本发明高转换效率非接触式充电装置由于采用电磁非接触耦合方式进行电能转换，使设备省去了充电电极，从而有效解决了接触式充电方式存在的固有缺陷，另外，本发明针对漏磁、磁滞损耗和线圈损耗的改进，以及根据串/并联振荡电路的特点，对初级、次级振荡电路形式及具体连接方法的选择，达到安全、高效的目的。
本发明还有其他一些变形或者改进。如果本技术领域的技术人员受到本发明的启发做出的显而易见的非实质性的改变或者改进，均属于本发明权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种非接触式充电装置，其包括充电器部分和便携设备部分，其特征在于，充电器部分将电能转换成一个固定频率的交变磁场，便携设备部分通过电感切割该交变磁场的磁力线，将磁能转换成电能给内部的电池提供充电电压，便携式设备的电能是通过电磁场的空间耦合得到的；该充电器部分包含充电信号发生模块、功率驱动模块、发送调谐部分、反馈信号检测模块、定时模块、或非门、电源模块；该便携设备部分包括电能获取模块、整流稳压模块、充电管理模块；充电信号发生模块共有两个输出信号及一个停止信号输入端，两个输出信号输入至功率驱动模块，反馈信号检测模块与定时模块的输出信号经过或非门后产生一停止信号并输入至充电信号发生模块；电源模块向充电信号发生模块、功率驱动模块、发送调谐部分、反馈信号检测模块和定时模块提供电源。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式充电装置，其特征在于，上述发送调谐部分包括两个电感和一磁芯。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式充电装置，其特征在于，上述电能获取模块包括一电感、一电容和一磁芯，该电能获取模块将磁信号转变为电信号。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式充电装置，其特征在于，充电信号发生模块的两个输出信号为脉冲信号，频率为120KHz。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式充电装置，其特征在于，充电信号发生模块的两个输出信号相位角相差180度。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式充电装置，其特征在于，充电信号发生模块是以双端输出式脉宽调制集成芯片构成的电路。
7.根据权利要求1所述的一种非接触式充电装置，其特征在于，上述反馈信号检测模块包括磁转换为电的转换电路和整流滤波电路。
8.根据权利要求1所述的一种非接触式充电装置，其特征在于，所述定时模块产生频率为0.2Hz的固定脉冲信号。
9.根据权利要求1所述的一种非接触式充电装置，其特征在于，所述定时模块产生的脉冲信号占空比为1.8％。
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