CN102545354B - 一种小型电子设备无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型电子设备无线充电装置，主要由发射装置和接收装置组成。其中发射装置包括外部晶振、分频器、D类功放驱动芯片或互感耦合器、D类功放模块、谐振滤波回路、发射线圈及电平转换模块、电平检测模块、控制模块、指示灯及蜂鸣器；接收装置包括接收线圈、接收端阻抗匹配网络、整流滤波模块及稳压模块。本发明可以应用于手机、MP3、MP4及照相机等所有小功率(5W及以下)电子设备的无线充电，可以实现在设计要求的距离范围内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、可以在一定距离内高效充电、安全无辐射等优点。

Description

一种小型电子设备无线充电装置

技术领域

本发明涉及一种小型电子设备无线充电装置，尤其涉及一种新型的带有充电/待机/过载/短路指示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及以下)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、充电效率还是使用便捷性方面都有了较大的提高。2010年9月1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，并且输出功率大多较之有线充电的输出功率有一定差距。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种结构简单、效率较高的小型电子设备无线充电装置。

技术方案：一种小型电子设备无线充电装置，包括发射装置和接收装置；所述发射装置主要包括外部晶振、分频器、D类功放驱动芯片或互感耦合器、D类功放模块、谐振滤波回路、发射线圈、电平转换模块、电平检测模块、控制模块和预警装置；所述的接收装置主要包括接收线圈、接收端阻抗匹配网络、整流滤波模块及稳压模块；

所述外部晶振发出的高频信号经过分频器分频后被送入D类功放驱动芯片或互感耦合器以产生两路反相(相位差180度)的方波信号来驱动D类功放模块；所述D类功放模块的供电电压是直流电，其包括一对MOS管，所述一对MOS管由驱动芯片产生的方波信号分别驱动；D类功放模块的输出经过一个谐振滤波回路接地；所述谐振滤波回路包括一个发射线圈L，一组谐振电容C1和一组退耦电容C2，退耦电容C2的大小和谐振电容C1的大小相同；所述发射线圈L接在D类功放模块的输出端；所述电平检测模块用来检测谐振滤波回路输出电流、输出电压和直流输入电流；所述控制模块根据输出电流、输出电压和直流输入电流的大小来判别发射装置是处于过压状态、过流状态、短路状态、有载状态还是空载状态，在异常状态下控制模块会自动发出控制信号，关闭D类功放驱动芯片的使能端，从而使D类功放模块停止工作，防止电路工作状态异常而损坏或引发事故；所述异常状态为过压状态、过流状态或者短路状态；所述预警装置在控制模块的控制下用于表示小型电子设备无线充电装置工作状态，让用户随时了解整个装置的工作状态；

所述发射线圈通过共振耦合使得交流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可以忽略，因此能量几乎全部被发射端耦合到接收端。所述接收线圈接收到的交流能量通过所述接收阻抗匹配网络被送入整流滤波模块；这里的阻抗匹配网络作用是将经过整流滤波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的值，使得接收线圈接收到的交流能量高效率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，因此最后需要增加所述整流滤波模块和稳压模块用于将接收线圈接收的交流能量变换为恒压直流电。

所述的D类功放模块用于将直流供电转换成交流的正弦波从而供给发射线圈L；其中D类功放模块中的一对MOS管分别为第一场效应管Q1和第二场效应管Q2；D类功放模块还包括驱动芯片产生的两路驱动信号和谐振滤波回路；所述驱动芯片产生的两路驱动信号为第一驱动信号和第二驱动信号；所述谐振滤波回路中的谐振电容C1的大小等于1/ω²L，其中L是发射线圈L的电感量，ω是系统工作的角频率；其中第一场效应管Q1的漏极经过一个小电阻(0.001Ω～0.1Ω)接直流供电Vcc，栅极接第一驱动信号，源极接第二场效应管Q2的漏极；所述第二场效应管Q2的栅极接第二驱动信号，源极接地；发射线圈L一端接于第二场效应管Q2的漏极，另一端与谐振电容C1相连；谐振电容C1的另一端接地；退耦电容C2一端接在第一场效应管Q1的漏极，另一端接在发射线圈L与谐振电容C1相连的点。

所述发射线圈L、接收线圈及接收阻抗匹配网络三个模块组成网络传输部分；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”，则

$Z_{\mathrm{eqr}}=\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\sqrt{L_t{L}_r}\right)}^2{R}_{\mathrm{pr}}+R_t{R_{\mathrm{pr}}}^2}{R_t}}-\mathrm{j\ω}{L}_r=R_{\mathrm{eqr}}+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{eqr}}$

其中RL是接收负载电阻，k是发射线圈L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L自感，Lr是接收线圈自感，Rpr是接收线圈寄生电阻，Rt是MOS管的导通电阻rDS、发射线圈L寄生电阻Rpt和电容的寄生电阻之和，Reqr是效率最佳等效接收电阻，Xeqr是效率最佳等效接收电抗，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，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，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；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。

当效率最佳等效接收电阻Reqr大于接收负载电阻RL时，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；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。

每种阻抗匹配网络中的第一端口Port1用于连接接收装置的接收线圈；第二端口Port2用于连接接收装置的负载电阻RL。

电平检测模块用来检测谐振滤波回路输出电流、输出电压和直流输入电流；其中谐振滤波回路电流和电压检测的电路，交流信号经过整流滤波后输出的直流通过一个运算放大器组成的低通滤波器，输出给控制模块，控制模块通过判定所获取的电压值的大小来判断D类功放模块的工作状态；直流输入电流检测的电路通过检测连接直流供电端Vcc和第一场效应管Q1之间的一个小电阻(0.001Ω～0.1Ω)两端的压降并进行放大从而得到输入电流，再通过一个运算放大器组成的低通滤波器，输出给控制模块，控制模块通过判定所获取值的大小来判断D类功放模块的工作状态；所述控制模块为单片机来根据输入电压值来判定工作状态并输出使能信号，交流信号经过整流滤波后输出的直流通过一个运算放大器组成的低通滤波器，输出给单片机IO口，单片机通过判定所获取的电压值的大小来判断D类功放模块的工作状态。

所述整流滤波模块包括整流电路，所述整流电路包括二极管全桥整流、无桥pfc整流和同步全桥整流方式；首先正弦波通过一个整流电路后变为半波，之后通过一个滤波电容将半波变为近似直流电平(此时仍有一定纹波)，近似直流电平经稳压模块输出。由于从接收线圈接收到的是高频正弦功率信号，而待充电设备负载需要一个恒压直流电，因此需要一个整流滤波、稳压模块予以转换。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，因此需要一个稳压模块。

所述整流滤波模块和稳压模块为使用具有整流、滤波、稳压功能的芯片。

发射线圈L和接收线圈的背面加有磁性介质以防磁场对周围的环境产生影响。

所述报警装置为指示灯和蜂鸣器。

本发明提供的小型设备无线充电装置将有效无线充电距离大大增加，可达到5cm，即待充电设备和充电板相隔5cm时依然能进行有效地充电。通过调整D类功放、阻抗匹配网络以及线圈的参数，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，会自动进入低功耗待机状态；当待充电设备放在发射装置上时，发射装置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，并关闭功放模块以避免损坏元器件(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。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)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。

2)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。

3)大功率输出。本发明可以提供5V/1A的功率输出，达到了有线式充电的输出功率，充电时间与有线式充电相同。

4)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，另外，我们在发射线圈和接收线圈的背面加上了一块软磁介质，极大地减小了磁场对周围的环境产生的影响。同时，由于采用的频率低，因此对人体安全无影响。

附图说明

图1为本发明实施例的系统框图；

图2为本发明实施例采用的D类功放电路图；

图3为本发明实施例的网络传输部分结构示意图；

图4a为B1型阻抗匹配网络电路图；

图4b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谐振滤波回路电流检测模块电路图；

图28为本发明中所采用的谐振滤波回路电压检测模块电路图；

图29为本发明中所采用的直流输入电流检测模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

首先，将图1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。

D类功放驱动芯片采用的是TPS28225。

D类功放的MOS管采用的是CSD17307。

主控单元采用STC12C5A60S2_44单片机。

电平转换模块采用L7805。

电平检测模块采用的是LM393(包含两个运算放大器)。

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0.1mm*40纱包线绕的2层每层10圈外径φ＝40mm的圆形线圈。

接收线圈采用线径0.1mm*40绞合线绕的单层10圈外径φ＝40mm的圆形线圈。

电平检测模块采用谐振滤波回路电流、电压检测，以及直流输入电流检测。

接收阻抗匹配网络采用图7a所示的AL2型阻抗匹配网络电路。

整流电路可以采用二极管全桥整流或无桥pfc整流或同步全桥整流方式。

整流滤波模块和稳压模块采用BQ51013，它集成了整流、滤波和稳压的功能。

外部晶振经过分频器后输入驱动芯片然后供给D类功放，D类功放连接谐滤波振回路。谐振滤波回路中的发射线圈将能量发射出去。检测部分将检测到的电压电流信号送给单片机，单片机由电压电流的大小判定系统是处于有载、空载还是异常的状态下从而做出控制。接收线圈将接收到的线圈经过BQ51013的整流滤波稳压再供给5V输入的如手机等用电器。

如图1所示，外部晶振发出的高频信号经过分频器分频后被送入D类功放驱动芯片或互感耦合器以产生两路反相(相位差180度)的方波信号来驱动D类功放模块；D类功放模块的供电电压是直流电，其包括一对MOS管，一对MOS管由驱动芯片产生的方波信号分别驱动；D类功放模块的输出经过一个谐振滤波回路接地；谐振滤波回路包括一个发射线圈L，一组谐振电容C1和一组退耦电容C2，退耦电容C2的大小和谐振电容C1的大小相同；发射线圈L接在D类功放模块的输出端；电平检测模块用来检测谐振滤波回路输出电流、输出电压和直流输入电流；控制模块根据输出电流、输出电压和直流输入电流的大小来判别发射装置是处于过压状态、过流状态、短路状态、有载状态还是空载状态，在异常状态下控制模块会自动发出控制信号，关闭D类功放驱动芯片的使能端，从而使D类功放模块停止工作，防止电路工作状态异常而损坏或引发事故；异常状态为过压状态、过流状态或者短路状态；预警装置在控制模块的控制下用于表示小型电子设备无线充电装置工作状态，让用户随时了解整个装置的工作状态；

发射线圈通过共振耦合使得交流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可以忽略，因此能量几乎全部被发射端耦合到接收端。接收线圈接收到的交流能量通过接收阻抗匹配网络被送入整流滤波模块；这里的阻抗匹配网络作用是将经过整流滤波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的值，使得接收线圈接收到的交流能量高效率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，因此最后需要增加整流滤波模块和稳压模块用于将接收线圈接收的交流能量变换为恒压直流电。

如图2所示，D类功放模块用于将直流供电转换成交流的正弦波从而供给发射线圈L；其中D类功放模块中的一对MOS管分别为第一场效应管Q1和第二场效应管Q2；D类功放模块还包括驱动芯片产生的两路驱动信号和谐振滤波回路；驱动芯片产生的两路驱动信号为第一驱动信号1和第二驱动信号2；谐振滤波回路中的谐振电容C1的大小等于1/ω²L，其中L是发射线圈L的电感量，ω是系统工作的角频率；其中第一场效应管Q1的漏极经过一个小电阻(0.001Ω～0.1Ω)接直流供电Vcc，栅极接第一驱动信号1，源极接第二场效应管Q2的漏极；第二场效应管Q2的栅极接第二驱动信号2，源极接地；发射线圈L一端接于第二场效应管Q2的漏极，另一端与谐振电容C1相连；谐振电容C1的另一端接地；退耦电容C2一端接在第一场效应管Q1的漏极，另一端接在发射线圈L与谐振电容C1相连的点。

由于D类功放模块是制约整个无线充电装置总效率的一个重要因素，尽量提高D类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，因此本实施例采用了工作在开关状态的理想效率可以达到100％的D类功率放大器。但由于实际的功放管并非理想开关，开关导通时还有一个导通电阻rDS，会消耗一定功率，因此实际效率能达到90％以上。

发射线圈L、接收线圈及接收阻抗匹配网络三个模块组成网络传输部分；是影响整个系统总效率的另一个重要因素。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，定义一个变量：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”，则

$Z_{\mathrm{eqr}}=\sqrt{\frac{(\mathrm{k\ω}\sqrt{L_t{L}_r}{)}^2{R}_{\mathrm{pr}}+R_t{R_{\mathrm{pr}}}^2}{R_t}}-\mathrm{j\ω}{L}_r=R_{\mathrm{eqr}}+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{eqr}}$

其中RL是接收负载电阻，k是发射线圈L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L自感，Lr是接收线圈自感，Rpr是接收线圈寄生电阻，Rt是MOS管的导通电阻rDS、发射线圈L寄生电阻Rpt和电容的寄生电阻之和，Reqr是效率最佳等效接收电阻，Xeqr是效率最佳等效接收电抗，j是虚数单位。

因此，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：

一元件的B1型阻抗匹配网络(如图4a所示)；一元件的B2型阻抗匹配网络(如图5a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：

两元件的AL1型阻抗匹配网络(如图6a所示)；两元件的AL2型阻抗匹配网络(如图7a所示)；两元件的AL3型阻抗匹配网络(如图8a所示)；两元件的AL4型阻抗匹配网络(如图9a所示)；三元件的APi1型阻抗匹配网络(如图10a所示)；三元件的APi2型阻抗匹配网络(如图11a所示)；三元件的APi3型阻抗匹配网络(如图12a所示)；三元件的APi4型阻抗匹配网络(如图13a所示)；三元件的AT1型阻抗匹配网络(如图14a所示)；三元件的AT2型阻抗匹配网络(如图15a所示)；三元件的AT3型阻抗匹配网络(如图16a所示)；三元件的AT4型阻抗匹配网络(如图17a所示)；三元件的AT5型阻抗匹配网络(如图18a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：

两元件的CL1型阻抗匹配网络(如图19a所示)；两元件的CL2型阻抗匹配网络(如图20a所示)；三元件的CPi1型阻抗匹配网络(如图21a所示)；三元件的CPi2型阻抗匹配网络(如图22a所示)；三元件的CT1型阻抗匹配网络(如图23a所示)；三元件的CT2型阻抗匹配网络(如图24a所示)；三元件的CT3型阻抗匹配网络(如图25a所示)；三元件的CT4型阻抗匹配网络(如图26a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第一端口Port1用于连接接收装置的接收线圈；第二端口Port2用于连接接收装置的负载电阻RL。

电平检测模块用来检测谐振滤波回路输出电流、输出电压和直流输入电流；其中谐振滤波回路电流和电压检测的电路，交流信号经过整流滤波后输出的直流通过一个运算放大器组成的低通滤波器，输出给单片机IO口，单片机通过判定通过判定所获取的电压值的大小来判断D类功放模块的工作状态；直流输入电流检测的电路通过检测连接直流供电端Vcc和第一场效应管Q1之间的一个小电阻(0.001Ω～0.1Ω)两端的压降并进行放大从而得到输入电流，再通过一个运算放大器组成的低通滤波器，输出给控制模块，控制模块通过判定所获取电压值的大小来判断D类功放模块的工作状态。谐振滤波回路电流检测电路如图27所示，谐振滤波回路电压检测电路图如图28所示，直流输入电流检测电路图如图29所示。其中谐振滤波回路电流检测电路将一个互感耦合器的两端接在功放的谐振滤波回路中，通过互感耦合器将交流电流耦合出来进行整流滤波再送予单片机进行检测。谐振滤波回路电压检测跨接在发射线圈与谐振电容相连的点，将该点的电压进行整流滤波再送予单片机进行检测。直流输入电流检测接在直流供电端Vcc和功放供电端第一场效应管Q1之间，通过检测两者之间的一个小电阻上的电流送予单片机进行控制。

整流滤波模块包括整流电路，整流电路包括二极管全桥整流、无桥pfc整流和同步全桥整流方式；首先正弦波通过一个整流电路后变为半波，之后通过一个滤波电容将半波变为近似直流电平(此时仍有一定纹波)，近似直流电平经稳压模块输出。由于从接收线圈接收到的是高频正弦功率信号，而待充电设备负载需要一个恒压直流电，因此需要一个整流滤波、稳压模块予以转换。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，因此需要一个稳压模块。整流滤波模块和稳压模块使用具有整流、滤波、稳压功能的芯片。

发射线圈L和接收线圈的背面加有磁性介质以防磁场对周围的环境产生影响。报警装置为指示灯和蜂鸣器。

Claims (10)

1.一种小型电子设备无线充电装置，其特征在于：包括发射装置和接收装置；所述发射装置主要包括外部晶振、分频器、D类功放驱动芯片或互感耦合器、D类功放模块、谐振滤波回路、电平转换模块、电平检测模块、控制模块和预警装置；所述的接收装置主要包括接收线圈、接收端阻抗匹配网络、整流滤波模块及稳压模块；

所述外部晶振发出的高频信号经过分频器分频后被送入D类功放驱动芯片或互感耦合器以产生两路反相的方波信号来驱动D类功放模块；所述D类功放模块的供电电压是直流电，其包括一对MOS管，所述一对MOS管由驱动芯片产生的方波信号分别驱动；D类功放模块的输出经过一个谐振滤波回路接地；所述谐振滤波回路包括一个发射线圈L，一组谐振电容C1和一组退耦电容C2，退耦电容C2的大小和谐振电容C1的大小相同；所述发射线圈L接在D类功放模块的输出端；所述电平检测模块用来检测谐振滤波回路输出电流、输出电压和直流输入电流；所述控制模块根据输出电流、输出电压和直流输入电流的大小来判别发射装置是处于过压状态、过流状态、短路状态、有载状态还是空载状态，在异常状态下控制模块会自动发出控制信号，关闭D类功放驱动芯片的使能端，从而使D类功放模块停止工作；所述异常状态为过压状态、过流状态或者短路状态；所述预警装置在控制模块的控制下用于表示小型电子设备无线充电装置工作状态；

所述发射线圈通过共振耦合使得交流能量传递到接收线圈；所述接收线圈接收到的交流能量通过所述接收阻抗匹配网络被送入整流滤波模块；所述整流滤波模块和稳压模块用于将接收线圈接收的交流能量变换为恒压直流电。

2.如权利要求1所述的小型电子设备无线充电装置，其特征在于：所述的D类功放模块用于将直流供电转换成交流的正弦波从而供给发射线圈L；其中D类功放模块中的一对MOS管分别为第一场效应管Q1和第二场效应管Q2；D类功放模块还包括驱动芯片产生的两路驱动信号和谐振滤波回路；所述驱动芯片产生的两路驱动信号为第一驱动信号（1）和第二驱动信号（2）；所述谐振滤波回路中的谐振电容C1的大小等于1/ω²L，其中L是发射线圈L的电感量，ω是系统工作的角频率；其中第一场效应管Q1的漏极经过一个小电阻接直流供电Vcc，栅极接第一驱动信号（1），源极接第二场效应管Q2的漏极；所述第二场效应管Q2的栅极接第二驱动信号（2），源极接地；所述小电阻为0.001Ω～0.1Ω的电阻；发射线圈L一端接于第二场效应管Q2的漏极，另一端与谐振电容C1相连；谐振电容C1的另一端接地；退耦电容C2一端接在第一场效应管Q1的漏极，另一端接在发射线圈L与谐振电容C1相连的点。

3.如权利要求1所述的小型电子设备无线充电装置，其特征在于：所述发射线圈L、接收线圈及接收阻抗匹配网络三个模块组成网络传输部分；定义效率最佳等效接收阻抗Z_eqr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”，则

$Z_{\mathrm{eqr}}=\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\sqrt{L_t{L}_r}\right)}^2{R}_{\mathrm{pr}}+R_t{R_{\mathrm{pr}}}^2}{R_t}}-\mathrm{j\ω}{L}_r=R_{\mathrm{eqr}}+j{X}_{\mathrm{eqr}};$

其中RL是接收负载电阻，k是发射线圈L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，L_t是发射线圈L自感，L_r是接收线圈自感，R_pr是接收线圈寄生电阻，R_t是MOS管的导通电阻rDS、发射线圈L寄生电阻R_pt和电容的寄生电阻之和，R_eqr是效率最佳等效接收电阻，X_eqr是效率最佳等效接收电抗，j是虚数单位。

4.如权利要求3所述的小型电子设备无线充电装置，其特征在于：当效率最佳等效接收电阻R_eqr等于接收负载电阻RL时，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。

5.如权利要求3所述的小型电子设备无线充电装置，其特征在于：当效率最佳等效接收电阻R_eqr小于接收负载电阻RL时，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；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。

6.如权利要求3所述的小型电子设备无线充电装置，其特征在于：当效率最佳等效接收电阻R_eqr大于接收负载电阻RL时，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；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。

7.如权利要求4-5任一项所述的小型电子设备无线充电装置，其特征在于：每种阻抗匹配网络中的第一端口Port1用于连接接收装置的接收线圈；第二端口Port2用于连接接收装置的负载电阻RL。

8.如权利要求2所述的小型电子设备无线充电装置，其特征在于：电平检测模块用来检测谐振滤波回路输出电流、输出电压和直流输入电流；其中的谐振滤波回路电流和电压检测的电路，交流信号经过整流滤波后输出的直流通过一个运算放大器组成的低通滤波器，输出给控制模块，控制模块通过判定所获取的电压值的大小来判断D类功放模块的工作状态；直流输入电流检测的电路通过检测连接直流供电端Vcc和第一场效应管Q1之间的一个小电阻两端的压降并进行放大从而得到输入电流，再通过一个运算放大器组成的低通滤波器，输出给控制模块，控制模块通过判定所获取电压值的大小来判断D类功放模块的工作状态；所述控制模块由一个单片机来根据输入电压值来判定工作状态并输出使能信号，交流信号经过整流滤波后输出的直流通过一个运算放大器组成的低通滤波器，输出给单片机IO口，单片机通过判定所获取的电压值的大小来判断D类功放模块的工作状态。

9.如权利要求1所述的小型电子设备无线充电装置，其特征在于：所述整流滤波模块包括整流电路，所述整流电路包括二极管全桥整流、无桥PFC整流和同步全桥整流方式；首先正弦波通过一个整流电路后变为半波，之后通过一个滤波电容将半波变为近似直流电平，近似直流电平经稳压模块输出。

10.如权利要求1所述的小型电子设备无线充电装置，其特征在于：所述整流滤波模块和稳压模块为使用具有整流、滤波、稳压功能的芯片；发射线圈L和接收线圈的背面加有磁性介质以防磁场对周围的环境产生影响；所述预警装置为指示灯和蜂鸣器。

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