CN101789638A - 一种可扩展充电距离的无线充电接收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可扩展充电距离的无线充电接收装置，包括：电压测量电路：与所述充电电路输出端连接，用于测量所述充电电路输出电压值；控制器：用于对比所述电压测量电路的输出与设定值之间的大小，并依据其结果输出不同的驱动信号；谐振回路调节装置：并接在所述感应谐振回路上，用于依据所述控制器输出的驱动信号调节所述谐振回路上的感应电压大小。实施本发明的可扩展充电距离的无线充电接收装置及方法，具有以下有益效果：所述无线充电接收装置在其有效接收范围内对其充电距离要求较为宽松、可以借用其他发射器进行紧急充电、在其充电距离较远是也具有较高的充电效率。

Description

一种可扩展充电距离的无线充电接收装置及方法

技术领域

本发明涉及充电装置及方法，更具体地说，涉及一种可扩展充电距离的无线充电接收装置及方法。

背景技术

无线充电技术是采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递，具有安全性高(因被充电对象与电源采用非接触方式)、防水、无长连接线尾巴的优点，即放即充，免去接线的烦恼，方便用户的使用。无线充电器由发射器及接收器组成，而接收器又由LC谐振接收回路、整流、滤波、充电电压检测及控制电路、充电指示装置等部分组成。目前无线充电器都是将被充电对象放在固定的充电平台(如：充电底座、充电平垫)上，充电平台下面内置有无线发射器及各种形状的发射线圈。被充电对象靠接收器内的耦合线圈及共振电容组成的谐振回路接收发射器发射的电磁波，之后经二极管整流、电容滤波转换为直流电能，再经稳压后对电池进行充电。现有的无线充电器控制充电电压的方法大多采用稳压管控制输出的充电电压(用分立元件采样电路实现充电LED指示的变换)，这种方案优点是成本低，但其允许的动态工作距离范围很窄，原因是：LC谐振接收回路整流输出的直流电压随发射器与无线接收器的间距远近变化很大，当距离过近时充电电压会很高，超出稳压管的正常工作条件，设计上必须将稳压管的限流电阻设的较大，但带来的一个问题是：发射器与无线接收器的距离一旦稍拉开些，由于采用较大的限流电阻，稳压管的工作电流就迅速下降，导致稳压管输出的充电电压明显下降，这样的充电效果就大打折扣，所以其应用仅限制于发射器与无线接收器保持固定的距离的应用场合。目前，无线充电器设计方案几乎都是基于发射器与接收器保持一个固定不变的距离的基础上进行设计的，其设计参数只能保证在该固定距离附近区域的接收电路输出正常的充电电压。但这种方式不适合于那些无法放在固定距离充电平台上充电的对象(如：因安装或结构原因限制所致，最多只能靠近充电)或借用其它发射器应急充电的情况(可能会因线圈或频率不匹配导致接收电压变化范围超标)。另一方面，由于稳压管本身对接收回路的分流损耗，会降低LC谐振接收回路的Q值及充电效能，在较远距离时，相应地会降低接收到的输出电压。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述充电距离限制较为严格、不能借用其他发射器进行紧急充电、在距离较远时充电效率较低的缺陷，提供一种在有效接收范围内充电距离限制较为宽松、可以借用其他发射器进行紧急充电、在较远距离时的充电效率较高的一种可扩展充电距离的无线充电接收装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种可扩展充电距离的无线充电接收装置，包括用于感应无线充电发送装置发出电波的感应谐振回路和将所述谐振回路感应到的电压整流、滤波输出的充电电路，还包括：

电压测量电路：与所述充电电路输出端连接，用于测量所述充电电路输出电压值；

控制器：用于对比所述电压测量电路的输出与设定值之间的大小，并依据其结果输出不同的驱动信号；

本发明所述的可扩展充电距离的无线充电接收装置中，所述谐振回路调节装置：并接在所述感应谐振回路上，用于依据所述控制器输出的驱动信号调节所述谐振回路上的感应电压大小。

在本发明所述的可扩展充电距离的无线充电接收装置中，所述谐振回路调节装置包括受控三端元件，所述受控三端元件包括一个控制端和二个开关端，所述控制端与所述控制器驱动信号输出端电连接，所述二个开关端分别与所述谐振回路的谐振线圈两端电连接。

在本发明所述的可扩展充电距离的无线充电接收装置中，所述谐振回路调节装置还包括二极管D1和整流单元，所述三端受控元件为三极管，其基极通过所述整流单元与所述控制器驱动信号输出端连接，其发射极与所述谐振线圈一端连接，其集电极与所述二极管D1负极连接，所述二极管D1正极与所述谐振线圈另一端连接。

在本发明所述的可扩展充电距离的无线充电接收装置中，所述电压测量电路包括二极管D3和电阻R2，所述二极管D3的正极与所述充电输出端连接，所述二极管D3负极连接在所述电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接地，所述二极管D3负极还与所述控制器连接。

在本发明所述的可扩展充电距离的无线充电接收装置中，所述控制器包括微处理器，所述微处理器包括模数转换输入端和输入/输出端，所述电压测量电路输出端与所述微处理器的模数转换输入端连接，所述谐振回路调节装置与所述微处理器的输入/输出端连接。

在本发明所述的可扩展充电距离的无线充电接收装置中，所述控制器输出驱动信号包括其占空比变化的脉冲，所述占空比值与所述电压测量电路检测到的电压值大小成正比。

本发明还涉及一种可扩展充电距离的无线充电方法，包括如下步骤：

A)监测并取得当前充电电压值；

B)判断所述电压值是否处于允许范围内，如是返回步骤A)；如否执行步骤C)；

C)调节并接在充电端感应线圈两端的调节装置，并返回步骤A)。

在本发明所述的可扩展充电距离的无线充电方法中，所述步骤C)中，通过改变所述调节装置中与所述感应线圈并联的等效电阻控制所述感应线圈上的电压。

在本发明所述的可扩展充电距离的无线充电方法中，所述步骤B)中进一步包括如下步骤：

B1)判断所述充电电压值是否大于设定值，如是，跳转到步骤B2)；如否，返回步骤A)

B2)输出脉冲信号作为驱动波形，并返回步骤A)。

在本发明所述的可扩展充电距离的无线充电方法中，所述步骤B3)和B4)中，所述输出驱动波形的占空比通过查表取得。

实施本发明的可扩展充电距离的无线充电接收装置及方法，具有以下有益效果：由于在谐振线圈上设置有可以依据充电输出电压调节的谐振线圈调节装置，使得充电电压可以依据其输出值的高低自动调节，因此所述无线充电接收装置在其有效接收范围内对其充电距离要求较为宽松、可以借用其他发射器进行紧急充电、在其充电距离较远是也具有较高的充电效率。

附图说明

图1是本发明可扩展充电距离的无线充电接收装置及方法实施例中充电接收装置的结构示意图；

图2是所述实施例中充电接收装置的电原理图；

图3是所述实施例中方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

如图1所示，在本发明可扩展充电距离的无线充电接收装置及方法实施例中，该无线充电接收装置包括：感应谐振回路1、充电电路2、电压测量电路3、控制器4以及谐振回路调节装置5，其中，谐振回路1用于感应无线充电发送装置发出电磁波，充电回路2用于将所述谐振回路1感应并输出到充电回路1的电压整流、滤波输出，为充电目标(通常是可充电的电池)充电；此外，上述电压测量电路3与上述充电电路2的输出端连接，用于测量充电电路2的输出电压值(也就是充电电压值)；控制器4用于对比电压测量电路3的输出与设定值之间的大小，并依据其比较结果输出不同的驱动信号；谐振回路调节装置5并接在上述谐振回路1上，其用于依据上述控制器4输出的驱动信号调节谐振回路1上的感应电压大小，从而调节上述充电电压的大小。如图1所示，上述各部分构成一个封闭的环路，充电电路2输出的充电电压通过电压检测电路3转换后输送到控制器4中，在控制器4中与预先设定的设定值，判断是否在上述设定值范围内，如在上述设定值范围内，控制器4不输出驱动信号，谐振回路调节装置5也不工作；如不在上述范围内，则控制器4输出驱动信号，该驱动信号的波形由上述控制器4接收到的电压检测电路3的输出值查表而得，并依据上述电压检测电路3的电压值大小来决定驱动信号波形占空比的大小，该电压值越大，上述驱动波形的占空比值就越大，上述谐振回路调节装置5的等效电阻就越小，于是，上述谐振回路上感应到的电压就越低。

在本实施例中，上述谐振回路调节装置5包括受控三端元件(图1中未示出)，该述受控三端元件包括一个控制端和二个开关端，该控制端与上述控制器4驱动信号输出端电连接，而上述二个开关端分别与谐振回路1的谐振线圈两端电连接。具体而言，谐振回路调节装置5还包括二极管D1和整流单元，所述三端受控元件为三极管，其基极通过所述整流单元与所述控制器驱动信号输出端连接，其发射极与所述谐振线圈一端连接，其集电极与上述二极管D1负极连接，上述二极管D1正极与上述谐振线圈另一端连接。上述整流单元用于将控制器4输出的驱动信号整流并输送到该三极管的基极。

此外，在本实施例中，上述电压测量电路3包括二极管D3和电阻R2，二极管D3的正极与所述充电电路2输出端连接，二极管D3负极连接在上述电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，所述二极管D3负极还与上述控制器4连接，将上述电阻R2上的电压传送到控制器4。在本实施例中，上述控制器4为微处理器(MCU)，该微处理器包括模数转换输入端和输入/输出端，电压测量电路3输出端(即上述二极管D3的负极)与该微处理器的模数转换输入端连接(并非该微处理器上的全部模数转换输入端，只是其中一个)，而谐振回路调节装置5的输入端(即上述整流回路的输入端)与该微处理器的输入/输出端连接(同样只是其中一个)。

图2是本实施中无线充电接收装置的电路原理，其中，TR1为调整三极管，L1为接收线圈，C1为谐振回路1的调谐电容。当无线充电发射装置(图中未示出)工作时，其发射线圈对外发射电磁波，当接收装置靠近发射装置到一定距离内时，接收装置的接收线圈开始感应发射装置发射的交变电磁波。该接收到的交变电磁波经过二极管D2半波整流、电容C2及电容C3滤波后，转变成直流电压VCC对可充电电池进行充电，同时也向后面的MCU供电。二极管D2在此也起到了反向隔离作用，防止没充电时电池向接收线圈L1、调谐电容C1放电。在本实施例中，测量充电输出电压(电源电压)VCC时，VCC经二极管D3、电阻R2到地。二极管D3的压降为0.7V，对于8位A/D采样精度的MCU，其A/D口采集到的电压为(VCC-0.7V)，其A/D采样值＝(VCC-0.7V)*255/VCC＝255-(178.5/VCC)，依此计算公式可通过(A/D采样值-预先设定的电压值)是否大于0的程序来判断充电输出电压VCC是否允许的电压范围。如检测到充电输出电压VCC超出了设定的电压允许值，则MCU输出控制脉冲去控制调整管TR1的导通程度，以调节接收装置中上述谐振回路1的Q值，降低接收电压。如检测到充电输出电压VCC没有超出设定的电压允许值，则MCU不输出控制脉冲，调整管TR1截止，接收装置中的谐振回路不受影响。

在本实施例中，接收装置谐振回路1是LC并联谐振回路，其增益与Q值成正比。Q值的定义是指回路中总的储存能量与每周期中消耗在电阻上的能量之比的2π倍。谐振回路消耗在电阻上的能量越少，其Q值就越高，谐振曲线越尖锐，回路对发射装置所发射的相同谐振频率的接收信号输出就越强。反之，谐振回路消耗在电阻上的能量越多，其回路接收信号输出就越小。在本实施例中，通过调节并联在谐振回路两端的电阻(即：调整管TR1的导通电阻)实现对谐振回路Q值的调节，进而调节谐振回路的接收信号输出强弱，实现对充电输出电压的控制。加在调整管TR1的基极电压越高，TR1三极管的导通程度就越高，其C、E极之间的等效电阻就越小，LC谐振回路消耗在电阻上的功率就越大，Q值就越小，接收回路的充电输出电压就越小。

调整管TR1的导通程度是靠MCU输出固定周期、不同占空比的PWM控制脉冲来控制，MCU输出控制脉冲的占空比＝正脉宽t÷(周期T-正脉宽t)。MCU根据A/D口所检测到的充电输出电压VCC大小，判断是否超出设定的允许最大电压。根据闭环控制的理论，如MCU检测到的充电输出电压VCC没超出，则不输出控制脉冲；如超出，则MCU输出控制脉冲，且充电电压超出的越多，MCU输出控制脉冲的占空比越大，TR1的导通程度即越高，对充电输出电压VCC的调节作用就越强。如输出的控制脉冲的占空比还不足以将充电输出电压VCC调低到允许的最大设定值，则MCU继续增大控制脉冲的占空比(通过查表法等程序方法)，直到将充电输出电压VCC的调低到不超过允许的最大设定值为止。

MCU输出的控制脉冲经二极管整流、滤波后，转化为直流电压，去驱动调整管TR1的导通。PWM控制脉冲的占空比越大，经二极管整流、滤波后得到的驱动调整管B、E极的直流电压就越高，调整管TR1的导通程度就越高，谐振回路的Q值即越低，该谐振回路输出电压也就越低。

本发明还揭示了一种可扩展充电距离的无线充电方法，包括如下步骤：

步骤S11监测并取得当前充电电压：在本步骤中，监测并取得当前的充电电压值，该电压值是连续的，因此本步骤也是连续取得充电电压值。该充电电压值直接反应了谐振回路1感应到电压的高低。如果充电电压值较高，则表明无线充电接收装置和发射装置之间的距离较小或可能二者之间并不太匹配，需要调节。

步骤S12该电压小于设定值？在本步骤中，判断上述充电电压值是否小于设定值，该设定值是一个预先设置的参数，如果充电电压高于该值，可能会给无线充电接收装置或可充电电池带来损坏，因此，需要调节该无线充电接收装置的输入电压，即上述谐振回路感应到的电压值，所以需要执行下一步骤；如果上述充电电压小于该设定值，则表明当前充电电压处于允许范围内，不需要调节，因此，返回步骤S11，继续监测上述当前充电电压。

步骤S13查表得到驱动波形占空比值：依据上述得到的当前充电电压值，查表求得驱动波形的占空比值。在本步骤中，当前充电电压值大于上述预设值，所以需要对谐振回路加以调节，降低其感应到的电压值，从而降低上述充电电压值。

步骤S14输出驱动波形到谐振回路调节装置：输出具有上述占空比值的脉冲驱动波形到谐振回路调节装置，使得该装置开始工作。

步骤S15降低谐振回路调节装置等效电阻：由于谐振回路调节装置是并联在上述谐振回路上的，因此，当该装置工作时，其等效电阻减少，降低上述谐振回路的Q值，从而使得上述感应回路感应到的电压值减低，进而降低上述充电电压值。完成上述动作后，返回步骤S11，开始下一次检测。在本步骤中，上述驱动脉冲的占空比值越大，感应回路的Q值降低越多，感应回路上感应到的电压降低也就越多。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种可扩展充电距离的无线充电接收装置，包括用于感应无线充电发送装置发出电波的感应谐振回路和将所述谐振回路感应到的电压整流滤波输出的充电电路，其特征在于，还包括：

电压测量电路：与所述充电电路输出端连接，用于测量所述充电

路输出电压值；

控制器：用于对比所述电压测量电路的输出与设定值之间的大小，并依据其结果输出不同的驱动信号；

谐振回路调节装置：并接在所述感应谐振回路上，用于依据所述控制器输出的驱动信号调节所述谐振回路上的感应电压大小。

2.根据权利要求1所述的可扩展充电距离的无线充电接收装置，其特征在于，所述谐振回路调节装置包括受控三端元件，所述受控三端元件包括一个控制端和二个开关端，所述控制端与所述控制器驱动信号输出端电连接，所述二个开关端分别与所述谐振回路的谐振线圈两端电连接。

3.根据权利要求2所述的可扩展充电距离的无线充电接收装置，其特征在于，所述谐振回路调节装置还包括二极管D1和整流单元，所述三端受控元件为三极管，其基极通过所述整流单元与所述控制器驱动信号输出端连接，其发射极与所述谐振线圈一端连接，其集电极与所述二极管D1负极连接，所述二极管D1正极与所述谐振线圈另一端连接。

4.根据权利要求3所述的可扩展充电距离的无线充电接收装置，其特征在于，所述电压测量电路包括二极管D3和电阻R2，所述二极管D3的正极与所述充电输出端连接，所述二极管D3负极连接在所述电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接地，所述二极管D3负极还与所述控制器连接。

5.根据权利要求4所述的可扩展充电距离的无线充电接收装置，其特征在于，所述控制器包括微处理器，所述微处理器包括模数转换输入端和输入/输出端，所述电压测量电路输出端与所述微处理器的模数转换输入端连接，所述谐振回路调节装置与所述微处理器的输入/输出端连接。

6.根据权利要求5所述的可扩展充电距离的无线充电接收装置，其特征在于，所述控制器输出驱动信号包括其占空比变化的脉冲，所述占空比值与所述电压测量电路检测到的电压值大小成正比。

7.一种可扩展充电距离的无线充电方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)监测并取得当前充电电压值；

B)判断所述电压值是否处于允许范围内，如是返回步骤A)；如否执行步骤C)；

C)调节并接在充电端感应线圈两端的调节装置，并返回步骤A)。

8.根据权利要求6所述的无线充电方法，其特征在于，所述步骤C)中，通过改变所述调节装置中与所述感应线圈并联的等效电阻控制所述感应线圈上的电压。

9.根据权利要求7所述的无线充电方法，其特征在于，所述步骤B)中进一步包括如下步骤：

B1)判断所述充电电压值是否大于设定值，如是，跳转到步骤B2)；如否，返回步骤A)

B2)输出脉冲信号作为驱动波形，并返回步骤A)。

10.根据权利要求9所述的无线充电方法，其特征在于，所述步骤B3)和B4)中，所述输出驱动波形的占空比通过查表取得。

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