CN102355032A - 无线充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线充电装置，其特征在于：该装置包括发射装置和与发射装置耦合的接收装置；所述的发射装置包括分频器，用于将外部晶振发出的高频信号进行分频，并将分频后的信号送入功率开关控制及初级放大模块；功率开关控制及初级放大模块，用于对接收的上述分频后的信号进行初级放大得到方波信号，该模块还包括转换开关，用于选择对前级信号放大或者是关断；E类功放，用于接收所述被初级放大后的方波信号，作为其驱动信号，经过E类功放进行功率放大后得到大功率信号；本发明具有结构简单，应用广泛，可以在近距离高效充电和远距离有效充电这两个特点之间灵活选择，安全无辐射等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种可为小型电子设备进行无线充电的装置，尤其涉及一种带有充电/待机/过载指示的非接触式的高效率无线充电系统，可用于手机、MP3、MP4及照相机等小功率（5w以下）电子设备的无线充电，以实现在设计要求的距离范围提供一定电压及功率，为其充电或者供电。
背景技术
无线充电是近几年非常热门的研究方向，从早期感应式的能够无线充电的电动牙刷及电动剃须刀到后来能够为手机充电的Powermat（“无线充电毯”）无线充电套装。如今市面上已经有不少品牌的无线充电器，无论从充电功率、充电效率或者使用便捷性方面都有了不小的提高。2010年九月一日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国，目前也与各大公司联合推出了符合Qi标准的各类型的手机无线充电器。但是，这些产品的有效无线充电距离都很近（在1cm以内），即要求待充电设备与发射装置（即充电板）紧贴。
我们所发明的一种小型设备无线充电装置将这个有效无线充电距离大大增加，可达到10cm，即待充电设备和充电板相隔10cm时依然能进行有效地充电。通过调整E类功放、阻抗匹配网络以及线圈中各元件的参数，可以方便地改变整个无线充电装置在一定距离下的传输功率及传输效率，使得本发明可以灵活应用于各种小功率电子设备及各种应用场景中。同时本装置带有充电/待机指示功能及异常报警功能，当发射装置没有检测到待充电设备时，会自动进入低功耗状态以节约电能；当待充电设备放在发射装置上时，会自动进入充电状态为其提供电能。当有大面积金属放置在其上时，发射装置将会自动检测到，并关闭其功放模块使其避免受到损坏（同时也避免了金属发热而引发事故）。此时，异常指示及蜂鸣器会启动以提醒用户。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供无线充电装置，该装置能够对手机、MP3、MP4及照相机等小功率（5w以下）电子设备在一定距离（10cm以内）下进行有效地无线充电，通过调整E类功放、阻抗匹配网络以及线圈中各元件的参数，可以方便地改变整个无线充电装置在一定距离下的传输功率及传输效率，同时本装置带有充电/待机指示功能及异常报警功能。
技术方案：一种无线充电装置，该装置包括发射装置和与发射装置耦合的接收装置；
所述的发射装置包括
分频器，用于将外部晶振发出的高频信号进行分频，并将分频后的信号送入功率开关控制及初级放大模块；
功率开关控制及初级放大模块，用于对接收的上述分频后的信号进行初级放大得到方波信号，该模块还包括转换开关，用于选择对前级信号放大或者是关断；
E类功放，用于接收所述被初级放大后的方波信号，作为其驱动信号，经过E类功放进行功率放大后得到大功率信号；
发射阻抗匹配网络，用于接收所述大功率信号，并直接将该大功率信号直接馈入到发射线圈；发射阻抗匹配网络将发射线圈之后映射过来的等效阻抗变换到E类功放的最佳负载电阻Rs，使得E类功放工作在最佳状态；
发射线圈，用于通过共振耦合将大功率信号传递到接收线圈；
峰值检测模块，用于峰检测阻抗匹配网络中元件上电压的包络峰值；
主控单元，用于根据上述电压的包络峰值来判别E类功放的工作状态，在异常状态下，即峰值电压低于阈值，会发出控制信号令功率开关控制及初级放大模块来关闭E类功放；主控单元还用于发出控制信号来控制功率开关控制及初级放大模块的转换开关，使得发射装置在待机和工作状态灵活切换；主动单元还用于控制指示灯急蜂鸣器；
电平转换模块，用于将主控单元输出的CMOS电平转换为TTL电平，以直接控制功率开关控制及初级放大模块；
指示灯及蜂鸣器，用于通知用户随时了解该充电装置的工作状态；
所述的接收装置包括
接收线圈，用于用过耦合接收发射线圈发送的大功率信号；
接收阻抗匹配网络，用于将从接收线圈映射过来的等效阻抗变换到接收负载电阻，此处的接收负载电阻表示经过整流模块和稳压模块之后的待充电负载的等效电阻，使得接收线圈接收到的功率传输到待充电设备中；
整流模块，用于将接收到的大功率信号变换为直流电；
稳压模块，用于将接收的直流电变成恒压直流电。
优选的，发射线圈和接收线圈之间采用共振磁耦合，属于近场耦合。
优选的，E类功放是将前级提供的方波信号放大到待充电设备正常充电功率的1.3-1.7倍，E类功放包括N沟道场效应管N-MosFet、第一扼流电感L、第二扼流电感Lt、第一电容C1和第二电容C；
其中第二扼流电感Lt位于电源Vcc与N沟道场效应管N-MosFet的漏端之间，第一电容C1位于N沟道场效应管N-MosFet的漏端与地之间，第二电容C和第一扼流电感L串联，第二电容C和第一扼流电感L分别位于N-MosFet的漏端与输出端口之间。
优选的，发射阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈及接收阻抗匹配网络组成网络传输，
定义效率最佳等效发射阻抗 Zeqt为“当传输效率达到最大时从发射线圈向接收线圈看过去的等效阻抗”，
定义效率最佳等效接收阻抗Zeqr为“当传输效率最大时从接收线圈向带充电负载看过去的等效阻抗”：
其中，RS是功率源最佳负载电阻，RL是接收负载电阻，k是发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，ω是整个无线能量传输装置的工作角频率，Lt是发射线圈自感，Lr是接收线圈自感，Rpt是发射线圈损耗电阻， Rpr是接收线圈损耗电阻，Reqr是效率最佳等效接收电阻,Reqt是效率最佳等效发射电阻，Xeqr是效率最佳等效接收电抗，Xeqt是效率最佳等效发射电抗，j是虚数单位。
优选的，当效率最佳等效接收电阻Reqr等于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt等于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用一元件的B1型阻抗匹配网络或B2型阻抗匹配网络。
优选的，当效率最佳等效接收电阻Reqr小于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt小于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用两元件的AL1型阻抗匹配网络、AL2型阻抗匹配网络、AL3型阻抗匹配网络、及AL4型阻抗匹配网络中的任一种；或者
当效率最佳等效接收电阻Reqr小于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt小于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用三元件的APi1型阻抗匹配网络、APi2型阻抗匹配网络、APi3型阻抗匹配网络、APi4型阻抗匹配网络、AT1型阻抗匹配网络、AT2型阻抗匹配网络、AT3型阻抗匹配网络、AT4型阻抗匹配网络、及AT5型阻抗匹配网络中的任一种。
优选的，当效率最佳等效接收电阻Reqr大于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt大于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用两元件的CL1型阻抗匹配网络及CL2型阻抗匹配网络；或者
当效率最佳等效接收电阻Reqr大于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt大于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用三元件的CPi1型阻抗匹配网络、CPi2型阻抗匹配网络、CT1型阻抗匹配网络、CT2型阻抗匹配网络、CT3型阻抗匹配网络、及CT4型阻抗匹配网络中的任一种。8、根据权利要求5-7任一所述的无线充电装置，其特征在于：每种类型的阻抗匹配网络中的第一端口Port1用于连接接收线圈或者发射线圈；第二端口Port2用于连接接收装置的接收负载电阻RL或者发射装置的功率源最佳负载电阻Rs。
优选的，峰值检测模块用来拾取发射阻抗匹配网络上元件的电压峰值，通过一个峰值检测电路来拾取阻抗匹配网络上元件的电压峰值，输出的直流先经过一个运算放大器来提高带负载能力，之后再通过另外一个运算放大器组成的反向放大器加减法器后，输出给单片机输入/输出口，单片机通过判定所获取值的大小来判断功放的工作状态；其中正向放大器正输入端连接的一个可变电阻用于在实际电路中根据实际情况对检测电路进行调节，以便正确地检测电路的工作状态。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
结构简单，应用广泛。因为本发明所采用的元器件都很常见，并且整个系统框图思路清晰、结构简单，因此无需修改大结构，只需要更换不同的元件参数便可以广泛地应用于任何小型电子设备的无线充电领域。
远距离和高效率之间的可调性。本发明拥有比现有产品在更远距离下进行有效传输的优良特性，在近距离时又具有高效率传输特性。同时，简单地调整网络传输部分各元件的参数便可以在近距离高效传输和远距离有效传输之间灵活选择。
安全无辐射。由于本装置的核心部分，即网络传输部分采用共振磁耦合，能量几乎无辐射地从发射线圈传递到接收线圈，因此几乎没有任何的电磁泄漏。同时，由于采用的频率低，因此对人体安全无辐射。
附图说明
图1为本发明装置的系统框图；
图2为本发明采用的E类功放电路图；
图3为本发明的网络传输部分电路图；
图4a为为B1型阻抗匹配网络电路图；
图4b为为B1型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图4c为为B1型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图5a为本发明的B2型阻抗匹配网络电路图；
图5b为B2型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图5c为B2型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图6a为本发明的AL1型阻抗匹配网络电路图；
图6b为AL1型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图6c为AL1型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图7a为本发明的AL2型阻抗匹配网络电路图；
图7b为AL2型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图7c为AL2型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图8a为本发明的AL3型阻抗匹配网络电路图；
图8b为AL3型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图8c为AL3型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图9a为本发明的AL4型阻抗匹配网络电路图；
图9b为AL4型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图9c为AL4型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图10a为本发明的APi1型阻抗匹配网络电路图；
图10b为APi1型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图10c为APi1型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图11a为本发明的APi2型阻抗匹配网络电路图；
图11b为APi2型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图11c为APi2型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图12a为本发明的APi3型阻抗匹配网络电路图；
图12b为APi3型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图12c为APi3型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图13a为本发明的APi4型阻抗匹配网络电路图；
图13b为APi4型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图13c为APi4型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图14a为本发明的AT1型阻抗匹配网络电路图；
图14b为AT1型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图14c为AT1型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图15a为本发明的AT2型阻抗匹配网络电路图；
图15b为AT2型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图15c为AT2型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图16a为本发明的AT3型阻抗匹配网络电路图；
图16b为AT3型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图16c为AT3型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图17a为本发明的AT4型阻抗匹配网络电路图；
图17b为AT4型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图17c为AT4型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图18a为本发明的AT5型阻抗匹配网络电路图；
图18b为AT5型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图18c为AT5型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图19a为本发明的CL1型阻抗匹配网络电路图；
图19b为CL1型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图19c为CL1型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图20a为本发明的CL2型阻抗匹配网络电路图；
图20b为CL2型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图20c为CL2型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图21a为本发明的CPi1型阻抗匹配网络电路图；
图21b为CPi1型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图21c为CPi1型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图22a为本发明的CPi2型阻抗匹配网络电路图；
图22b为CPi2型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图22c为CPi2型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图23a为本发明的CT1型阻抗匹配网络电路图；
图23b为CT1型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图23c为CT1型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图24a为本发明的CT2型阻抗匹配网络电路图；
图24b为CT2型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图24c为CT2型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图25a为本发明的CT3型阻抗匹配网络电路图；
图25b为CT3型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图25c为CT3型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图26a为本发明的CT4型阻抗匹配网络电路图；
图26b为CT4型阻抗匹配网络将效率最佳等效接收电阻Reqr匹配到接收负载电阻RL过程的史密斯圆图。
图26c为CT4型阻抗匹配网络将效率最佳等效发射电阻Reqt匹配到功率源最佳负载电阻RS过程的史密斯圆图。
图27为本发明中所采用的峰值检测模块电路图；
图28为本发明中具体实施方案中提供的一种发射装置电路图；
图29为本发明中具体实施方案中提供的一种接收装置电路图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
本发明提供的可为小型电子设备进行无线充电的装置，尤其涉及一种带有充电/待机/过载指示的非接触式的高效率无线充电系统，主要由发射装置和接收装置组成。其中发射装置包括分频器、功率开关控制及初级放大模块、电平转换模块、主控单元、指示灯及蜂鸣器、峰值检测模块、E类功放、阻抗匹配网络及发射线圈；接收装置包括接收线圈、阻抗匹配网络、整流模块及稳压模块。本发明可以应用在手机、MP3、MP4及照相机等小功率（5w以下）电子设备的无线充电，可以实现在设计要求的距离范围为其提供一定电压及功率进行充电或者供电。本发明具有结构简单、应用广泛、可以在近距离高效充电和远距离有效充电这两个特点之间灵活选择、安全无辐射等优点。
TTL 晶体管-晶体管逻辑电平。
一种无线充电装置，其特征在于：该装置包括发射装置和与发射装置耦合的接收装置；
所述的发射装置包括
分频器，用于将外部晶振发出的高频信号进行分频，并将分频后的信号送入功率开关控制及初级放大模块；
功率开关控制及初级放大模块，用于对接收的上述分频后的信号进行初级放大得到方波信号，该模块还包括转换开关，用于选择对前级信号放大或者是关断；
E类功放，用于接收所述被初级放大后的方波信号，作为其驱动信号，经过E类功放进行功率放大后得到大功率信号；
发射阻抗匹配网络，用于接收所述大功率信号，并直接将该大功率信号直接馈入到发射线圈；发射阻抗匹配网络将发射线圈之后映射过来的等效阻抗变换到E类功放的最佳负载电阻Rs，使得E类功放工作在最佳状态；
发射线圈，用于通过共振耦合将大功率信号传递到接收线圈；
峰值检测模块，用于峰检测阻抗匹配网络中元件上电压的包络峰值；
主控单元，用于根据上述电压的包络峰值来判别E类功放的工作状态，在异常状态下，即峰值电压低于阈值，会发出控制信号令功率开关控制及初级放大模块来关闭E类功放；主控单元还用于发出控制信号来控制功率开关控制及初级放大模块的转换开关，使得发射装置在待机和工作状态灵活切换；主动单元还用于控制指示灯急蜂鸣器；
电平转换模块，用于将主控单元输出的CMOS电平转换为TTL电平，以直接控制功率开关控制及初级放大模块；
指示灯及蜂鸣器，用于通知用户随时了解该充电装置的工作状态；
所述的接收装置包括
接收线圈，用于用过耦合接收发射线圈发送的大功率信号；
接收阻抗匹配网络，用于将从接收线圈映射过来的等效阻抗变换到接收负载电阻，此处的接收负载电阻表示经过整流模块和稳压模块之后的待充电负载的等效电阻，使得接收线圈接收到的功率传输到待充电设备中；
整流模块，用于将接收到的大功率信号变换为直流电；
稳压模块，用于将接收的直流电变成恒压直流电。
发射线圈和接收线圈之间采用共振磁耦合，属于近场耦合。
E类功放是将前级提供的方波信号放大到待充电设备正常充电功率的1.3-1.7倍，E类功放包括N沟道场效应管N-MosFet、第一扼流电感L、第二扼流电感Lt、第一电容C1和第二电容C；
其中第二扼流电感Lt位于电源Vcc与N沟道场效应管N-MosFet的漏端之间，第一电容C1位于N沟道场效应管N-MosFet的漏端与地之间，第二电容C和第一扼流电感L串联，第二电容C和第一扼流电感L分别位于N-MosFet的漏端与输出端口之间。
发射阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈及接收阻抗匹配网络组成网络传输，
定义效率最佳等效发射阻抗 Zeqt为“当传输效率达到最大时从发射线圈向接收线圈看过去的等效阻抗”，
定义效率最佳等效接收阻抗Zeqr为“当传输效率最大时从接收线圈向带充电负载看过去的等效阻抗”：
其中，RS是功率源最佳负载电阻，RL是接收负载电阻，k是发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，ω是整个无线能量传输装置的工作角频率，Lt是发射线圈自感，Lr是接收线圈自感，Rpt是发射线圈损耗电阻， Rpr是接收线圈损耗电阻，Reqr是效率最佳等效接收电阻,Reqt是效率最佳等效发射电阻，Xeqr是效率最佳等效接收电抗，Xeqt是效率最佳等效发射电抗，j是虚数单位。
当效率最佳等效接收电阻Reqr等于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt等于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用一元件的B1型阻抗匹配网络或B2型阻抗匹配网络。
当效率最佳等效接收电阻Reqr小于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt小于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用两元件的AL1型阻抗匹配网络、AL2型阻抗匹配网络、AL3型阻抗匹配网络、及AL4型阻抗匹配网络中的任一种；或者
当效率最佳等效接收电阻Reqr小于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt小于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用三元件的APi1型阻抗匹配网络、APi2型阻抗匹配网络、APi3型阻抗匹配网络、APi4型阻抗匹配网络、AT1型阻抗匹配网络、AT2型阻抗匹配网络、AT3型阻抗匹配网络、AT4型阻抗匹配网络、及AT5型阻抗匹配网络中的任一种。
当效率最佳等效接收电阻Reqr大于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt大于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用两元件的CL1型阻抗匹配网络及CL2型阻抗匹配网络；或者
当效率最佳等效接收电阻Reqr大于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt大于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用三元件的CPi1型阻抗匹配网络、CPi2型阻抗匹配网络、CT1型阻抗匹配网络、CT2型阻抗匹配网络、CT3型阻抗匹配网络、及CT4型阻抗匹配网络中的任一种。8、根据权利要求5-7任一所述的无线充电装置，其特征在于：每种类型的阻抗匹配网络中的第一端口Port1用于连接接收线圈或者发射线圈；第二端口Port2用于连接接收装置的接收负载电阻RL或者发射装置的功率源最佳负载电阻Rs。
峰值检测模块用来拾取发射阻抗匹配网络上元件的电压峰值，通过一个峰值检测电路来拾取阻抗匹配网络上元件的电压峰值，输出的直流先经过一个运算放大器来提高带负载能力，之后再通过另外一个运算放大器组成的反向放大器加减法器后，输出给单片机输入/输出口，单片机通过判定所获取值的大小来判断功放的工作状态；其中正向放大器正输入端连接的一个可变电阻用于在实际电路中根据实际情况对检测电路进行调节，以便正确地检测电路的工作状态。
本发明的小型电子设备无线充电装置包括发射装置和接收装置两部分。其中发射装置主要包括分频器、功率开关控制及初级放大模块、电平转换模块、主控单元、指示灯及蜂鸣器、峰值检测模块、E类功放、阻抗匹配网络及发射线圈；接收装置主要包括接收线圈、阻抗匹配网络、整流模块及稳压模块，如图1所示。
首先简要说明整个装置的工作流程。
外部晶振发出的高频信号经过分频器分频后被送入功率开关控制及初级放大模块进行初级放大，同时主控单元可以发出控制信号来控制此模块的开关，以便使发射装置可以在待机和工作状态灵活切换。被初步放大后的方波信号作为一个E类功率放大器的驱动信号，经过E类功放进行功率放大后的大功率信号通过阻抗匹配网络后直接馈入到发射线圈。这里阻抗匹配网络可以将发射线圈之后映射过来的等效阻抗变换到E类功放的最佳负载阻抗，使得E类功放工作在最佳状态（即拥有较大输出功率的同时具有较高效率）。峰值检测模块用来检测阻抗匹配网络中某特定元件上电压的包络峰值，主控单元根据此电压的大小来判别E类功放的工作状态，在异常状态下（峰值电压低于某阈值）会自动发出控制信号令功率开关控制及初级放大模块来关闭E类功放，防止功放因异常工作而损坏或引发事故。同时指示灯与蜂鸣器在主控单元的控制下使用户时刻知道整个装置的工作状态。
发射线圈通过共振耦合使得能量近乎无辐射地传递到接收线圈。由于发射线圈和接收线圈之间采用共振磁耦合，属于近场耦合，发射线圈和接收线圈的辐射电阻很小以致于可以忽略，因此能量几乎全部被发射端耦合到接收端。之后，接收到的大功率信号通过阻抗匹配网络被送入到整流模块。这里，接收阻抗匹配网络和发射阻抗匹配网络的作用类似，是将经过整流模块和稳压模块之后的带充电负载的阻抗变换到一个合适值，使得接收线圈接收到的功率高效地传输到待充电设备中。由于待充电设备需要一个恒压直流电，因此需要增加整流模块和稳压模块将经过接收线圈后的高频正弦信号变换为恒压直流电。
下面对整个装置中几个重要部分做详细说明。
E类功放模块的作用是将前级提供的小功率信号放大到能够提供小型电子设备正常充电功率的1.5倍左右（因为E类功放之后到最终待充电负载的能量传输效率为70%左右），即3w-4w之间。由于功放模块是制约整个无线充电装置总效率的一大瓶颈，尽量提高功放模块的效率将对整个系统效率的提高带来很大的贡献，因此本发明采用了工作在开关状态的理想效率可以达到100%的E类功率放大器。但由于实际的功放管并非理想开关，饱和导通时还有一定电阻，会消耗一定功率，因此实际效率能达到90%左右。本发明所采用的E类功放包括N沟道场效应管N-MosFet、扼流电感L、扼流电感Lt、电容C1和电容C，连接关系如图2所示。
发射阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈及接收阻抗匹配网络这四个模块构成了整个装置的网络传输部分，是整个本发明的核心部分，同时也是影响整个系统总效率的另一大因素。线圈的电参数、线圈之间的物理距离和阻抗匹配网络的电参数都关系到网络传输部分的效率，这里将详细说明关于如何设计网络传输部分中各元件的参数使得网络部分的传输效率最大化。
如图3所示，定义两个变量：效率最佳等效发射阻抗 Zeqt和效率最佳等效接收阻抗Zeqr。效率最佳等效发射阻抗 Zeqt是当传输效率达到最大时，从发射线圈向接收线圈看过去的等效阻抗；而效率最佳等效接收阻抗Zeqr是当传输效率最大时从接收线圈向带充电负载看过去的等效阻抗。Zeqt和Zeqr的解析表达式如下：
其中，RS是功率源最佳负载电阻，RL是接收负载电阻，k是发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，ω是整个无线能量传输装置的工作角频率，Lt是发射线圈自感，Rpt是发射线圈损耗电阻，Lr是接收线圈自感，Rpr是接收线圈损耗电阻，Reqr是效率最佳等效接收电阻，Reqt是效率最佳等效发射电阻，Xeqr是效率最佳等效接收电抗，Xeqt是效率最佳等效发射电抗，j是虚数单位。
因此，发射阻抗匹配网络的作用就是将Zeqt与RS进行匹配，接收阻抗匹配网络的作用就是将Zeqr与RL进行匹配。阻抗匹配网络的形式多种多样，可根据Zeqt与RS及Zeqr与RL之间的大小关系具体选择。作为示例，我们提供一些常用的一元件、两元件及三元件的阻抗匹配网络。
当效率最佳等效接收电阻Reqr等于接收负载电阻RL时，发射阻抗匹配网络可以采用下面2种类型的阻抗匹配网络；当效率最佳等效发射电阻Reqt等于功率源最佳负载电阻Rs时，接收阻抗匹配网络可以采用下面2种类型的阻抗匹配网络：
一元件的B1型阻抗匹配网络（如图4所示）；
B2型阻抗匹配网络（如图5所示）。
当效率最佳等效接收电阻Reqr小于接收负载电阻RL时，发射阻抗匹配网络可以采用下面13种类型的阻抗匹配网络；当效率最佳等效发射电阻Reqt小于功率源最佳负载电阻RS时，接收阻抗匹配网络可以采用下面13种类型的阻抗匹配网络：
两元件的AL1型阻抗匹配网络（如图6所示）；
两元件的AL2型阻抗匹配网络（如图7所示）；
两元件的AL3型阻抗匹配网络（如图8所示）；
两元件的AL4型阻抗匹配网络（如图9所示）；
三元件的APi1型阻抗匹配网络（如图10所示）；
三元件的APi2型阻抗匹配网络（如图11所示）；
三元件的APi3型阻抗匹配网络（如图12所示）；
三元件的APi4型阻抗匹配网络（如图13所示）；
三元件的AT1型阻抗匹配网络（如图14所示）；
三元件的AT2型阻抗匹配网络（如图15所示）；
三元件的AT3型阻抗匹配网络（如图16所示）；
三元件的AT4型阻抗匹配网络（如图17所示）；
三元件的AT5型阻抗匹配网络（如图18所示）。
当效率最佳等效接收电阻Reqr大于接收负载电阻RL时，发射阻抗匹配网络可以采用下面8种类型的阻抗匹配网络；当效率最佳等效发射电阻Reqt大于功率源最佳负载电阻RS时，接收阻抗匹配网络可以采用下面8种类型的阻抗匹配网络：
两元件的CL1型阻抗匹配网络（如图19所示）；
两元件的CL2型阻抗匹配网络（如图20所示）；
三元件的CPi1型阻抗匹配网络（如图21所示）；
三元件的CPi2型阻抗匹配网络（如图22所示）；
三元件的CT1型阻抗匹配网络（如图23所示）；
三元件的CT2型阻抗匹配网络（如图24所示）；
三元件的CT3型阻抗匹配网络（如图25所示）；
三元件的CT4型阻抗匹配网络（如图26所示）。
为了便于使用者理解本发明每种阻抗匹配网络的匹配原理，每种阻抗匹配网络同时配有相应的史密斯圆图。
每种阻抗匹配网络中的Port1端口用于连接接收装置的接收线圈或者发射线圈, 每种阻抗匹配网络中的Port2端口用于连接接收装置的负载电阻RL或者发射装置的功率源Rs。
峰值检测模块用来提取发射阻抗匹配网络上某元件的电压峰值，通过一个峰值检测电路来提取阻抗匹配网络上某元件的电压峰值，输出的直流先经过一个运算放大器来提高带负载能力，之后再通过另外一个运算放大器组成的反向放大器加减法器后，输出给单片机IO口，单片机通过判定所获取值得大小来判断功放的工作状态。其中正向放大器正输入端连接的一个可变电阻用于在实际电路中根据实际情况对检测电路进行调节，以便正确地检测电路的工作状态。峰值检测电路如图27所示。
最后一个重要的部分就是接收装置中的整流模块和稳压模块，由于从接收线圈接收到的是高频正弦大功率信号，而待充电设备负载需要一个恒压直流电，因此需要一个整流稳压模块予以转换。首先全波正弦波通过一个全桥整流电路后变为半波正弦波，之后通过一个滤波电容将半波正弦波变为近似直流电平（此时仍有一定纹波）。由于待充电设备需要一个不随前端影响的恒定电压的输入，即当线圈距离或其他前端参数发生变化而造成直流电平上下波动时仍能保持恒定电压输出，需要一个稳压模块。本发明中考虑到输入输出电压压差较大及效率优先原因，采用开关稳压芯片，虽然输出电压纹波比线性稳压芯片要大，但转换效率要高得多。
本发明所提出的一种小型电子设备无线充电装置所采用的一种具体实施方式描述如下。
首先，将系统框图中每个模块所使用的电子元件型号予以说明。
外部晶振采用的是16.000MHz晶振。
分频器采用一片CD4060。
功率开关控制及初级放大模块首先采用一片CD4073B三输入与门来提高带负载能力，然后采用一对BC327和BC337三极管推挽式功率放大器进一步提高输出功率。
主控单元采用STC12C5A60S2_44单片机。
电平转换模块采用40109B。
峰值检测模块采用一片LM358（包含两个运算放大器）。
E类功放中的MOSFET采用IRF7495。
发射阻抗匹配网络采用AL1型阻抗匹配网络。
接收阻抗匹配网络采用AL1型阻抗匹配网络。
发射线圈采用线径0.5mm漆包铜线绕制成6匝110mm x 80mm的矩形线圈。
接收线圈采用线径0.3mm绕制成10匝40mm x 35mm的矩形线圈。
整流模块和稳压模块采用四个快速恢复二极管组成的桥式全波整流电路和一片ADP3050 dc-dc稳压芯片、以及相应外围电路组成的稳压电路。
最后根据上面各个模块所使用的元器件，提供本发明的发射装置电路如图28所示，接收装置电路如图29所示。
发射装置电路图中P2接口的1端口接适配器输出端15V输出端，2、3端口接地；L1接口接发射线圈。接收装置中的P1接口与接收线圈相连；P2接口的1端口接待充电设备中充电接口的正输入端，2端口接待充电设备中充电接口的负输入端。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (9)
1.一种无线充电装置，其特征在于：该装置包括发射装置和与发射装置耦合的接收装置；
所述的发射装置包括：
分频器：用于将外部晶振发出的高频信号进行分频，并将分频后的信号送入功率开关控制及初级放大模块；
功率开关控制及初级放大模块：用于对接收的上述分频后的信号进行初级放大得到方波信号，该模块还包括转换开关，用于选择对前级信号放大或者是关断；
E类功放：用于接收所述被初级放大后的方波信号，作为其驱动信号，经过E类功放进行功率放大后得到大功率信号；
发射阻抗匹配网络：用于接收所述大功率信号，并直接将该大功率信号直接馈入到发射线圈；发射阻抗匹配网络将发射线圈之后映射过来的等效阻抗变换到E类功放的最佳负载电阻Rs，使得E类功放工作在最佳状态；
发射线圈：用于通过共振耦合将大功率信号传递到接收线圈；
峰值检测模块：用于峰检测阻抗匹配网络中元件上电压的包络峰值；
主控单元：用于根据上述电压的包络峰值来判别E类功放的工作状态，在异常状态下，即峰值电压低于阈值，会发出控制信号令功率开关控制及初级放大模块来关闭E类功放；主控单元还用于发出控制信号来控制功率开关控制及初级放大模块的转换开关，使得发射装置在待机和工作状态灵活切换；主动单元还用于控制指示灯及蜂鸣器；
电平转换模块：用于将主控单元输出的CMOS电平转换为TTL电平，以直接控制功率开关控制及初级放大模块；
指示灯及蜂鸣器：用于通知用户随时了解该充电装置的工作状态；
所述的接收装置包括：
接收线圈：用于用过耦合接收发射线圈发送的大功率信号；
接收阻抗匹配网络：用于将从接收线圈映射过来的等效阻抗变换到接收负载电阻，此处的接收负载电阻表示经过整流模块和稳压模块之后的待充电负载的等效电阻，使得接收线圈接收到的功率传输到待充电设备中；
整流模块：用于将接收到的大功率信号变换为直流电；
稳压模块：用于将接收的直流电变成恒压直流电。
2. 根据权利要求1所述的无线充电装置，其特征在于：发射线圈和接收线圈之间采用共振磁耦合，属于近场耦合。
3. 根据权利要求1所述的无线充电装置，其特征在于：E类功放是将前级提供的方波信号放大到待充电设备正常充电功率的1.3-1.7倍，E类功放包括N沟道场效应管N-MosFet、第一扼流电感L、第二扼流电感Lt、第一电容C1和第二电容C；
其中第二扼流电感Lt位于电源Vcc与N沟道场效应管N-MosFet的漏端之间，第一电容C1位于N沟道场效应管N-MosFet的漏端与地之间，第二电容C和第一扼流电感L串联，第二电容C和第一扼流电感L分别位于N-MosFet的漏端与输出端口之间。
4. 根据权利要求1所述的无线充电装置，其特征在于：发射阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈及接收阻抗匹配网络组成网络传输，
定义效率最佳等效发射阻抗 Zeqt为“当传输效率达到最大时从发射线圈向接收线圈看过去的等效阻抗”，
定义效率最佳等效接收阻抗Zeqr为“当传输效率最大时从接收线圈向带充电负载看过去的等效阻抗”：
其中，RS是功率源最佳负载电阻，RL是接收负载电阻，k是发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，ω是整个无线能量传输装置的工作角频率，Lt是发射线圈自感，Lr是接收线圈自感，Rpt是发射线圈损耗电阻， Rpr是接收线圈损耗电阻，Reqr是效率最佳等效接收电阻,Reqt是效率最佳等效发射电阻，Xeqr是效率最佳等效接收电抗，Xeqt是效率最佳等效发射电抗，j是虚数单位。
5.根据权利要求4所述的无线充电装置，其特征在于：当效率最佳等效接收电阻Reqr等于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt等于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用一元件的B1型阻抗匹配网络或B2型阻抗匹配网络。
6. 根据权利要求4所述的无线充电装置，其特征在于：当效率最佳等效接收电阻Reqr小于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt小于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用两元件的AL1型阻抗匹配网络、AL2型阻抗匹配网络、AL3型阻抗匹配网络、及AL4型阻抗匹配网络中的任一种；或者
当效率最佳等效接收电阻Reqr小于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt小于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用三元件的APi1型阻抗匹配网络、APi2型阻抗匹配网络、APi3型阻抗匹配网络、APi4型阻抗匹配网络、AT1型阻抗匹配网络、AT2型阻抗匹配网络、AT3型阻抗匹配网络、AT4型阻抗匹配网络、及AT5型阻抗匹配网络中的任一种。
7. 根据权利要求4所述的无线充电装置，其特征在于：当效率最佳等效接收电阻Reqr大于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt大于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用两元件的CL1型阻抗匹配网络及CL2型阻抗匹配网络；或者
当效率最佳等效接收电阻Reqr大于接收负载电阻RL时，或当效率最佳等效发射电阻Reqt大于功率源最佳负载电阻RS时，发射阻抗匹配网络和接收阻抗匹配网络采用三元件的CPi1型阻抗匹配网络、CPi2型阻抗匹配网络、CT1型阻抗匹配网络、CT2型阻抗匹配网络、CT3型阻抗匹配网络、及CT4型阻抗匹配网络中的任一种。
8. 根据权利要求5-7任一所述的无线充电装置，其特征在于：每种类型的阻抗匹配网络中的第一端口Port1用于连接接收线圈或者发射线圈；第二端口Port2用于连接接收装置的接收负载电阻RL或者发射装置的功率源最佳负载电阻Rs。
9. 根据权利要求1所述的无线充电装置，其特征在于：峰值检测模块用来拾取发射阻抗匹配网络上元件的电压峰值，通过一个峰值检测电路来拾取阻抗匹配网络上元件的电压峰值，输出的直流先经过一个运算放大器来提高带负载能力，之后再通过另外一个运算放大器组成的反向放大器加减法器后，输出给单片机输入/输出口，单片机通过判定所获取值的大小来判断功放的工作状态；其中正向放大器正输入端连接的一个可变电阻用于在实际电路中根据实际情况对检测电路进行调节，以便正确地检测电路的工作状态。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120215 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |