CN103475076B - 便携式电子设备无线充电系统及负载检测方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于便携式电子设备无线充电系统及负载检测方法，通过安装在便携式电子设备无线充电板中的压力传感器对是否有带接收线圈的无线充电便携式电子设备或其他物体进入充电区域进行一次检测；当压力传感器感知到有负载进入充电区域时其输出值将高于比较器的参考信号值，从而促使比较器输出低电平信号，中央控制单元将在比较器输出的低电平中断信号作用下被从待机模式中唤醒，并控制驱动电路使功率调节电路输出小功率能量脉冲对负载的真伪进行甄别。本发明智能化及自动化水平高，能够自动完成对负载的感知；采用重复判别机制，能够有效避免对负载的误判；当充电区域内没有任何物体时，系统处于待机模式，能够有效降低系统的待机功耗和甄别损耗。

Description

便携式电子设备无线充电系统及负载检测方法

技术领域

本发明公开一种负载检测方法，特别是一种便携式电子设备无线充电系统及负载检测方法，属于消费电子产品的无线充电领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展与进步，各种便携式电子设备，如：手机、平板电脑、MP4等早已经进入到人们的日常生活当中，且扮演着越来越重要的角色。然而，目前的便携式电子设备主要采用有线充电（或称传导充电）方式进行充电，这种充电方式主要存在以下几个方面的问题：（1）充电器与便携式电子设备之间存在充电导线，严重影响着环境的整洁性和美观性；（2）各品种、各型号便携式电子设备的充电接口不统一，导致充电器的通用性差；（3）充电时必须连接充电接插件，操作过程繁琐，灵活性差。便携式电子设备无线充电作为上述问题的一个有效解决方案，能够很好地满足人们对产品灵活性、个性化的需求，目前已经成为消费电子领域一个热门的研究方向。

现有技术中，请参看中国在先公开发明专利（公开号为：CN101123318A）公开了一种无线充电便携式电子设备、充电装置及其充电方法，在与发射线圈相连的外部电源上设有主电流开关和小电流开关，在充电装置中安装一个具有A、B两个检测端的电磁场强度变化检测装置，两个检测端A和B分别位于便携式电子设备的两侧，通过检测A和B之间的磁场变化情况来控制主电流开关的开关状态：当检测到A、B两端的磁场强度有明显的突变时，则打开主电流开关，使充电装置进入充电状态，反之则关闭主电流开关，以节约能源。然而该发明专利的方案存在以下两个问题：一是小电流开关始终处于开通状态，然而要能够产生电磁场强度检测装置能够分辨的电磁场，该小电流必须达到一定的量级，因此会引起不小的空载损耗；二是电磁场强度检测装置的成本较高，且需要安装在便携式电子设备的两侧，不利于装置的低成本化和小型化。

中国在先公开发明专利（公开号为：CN102355035A）公开了一种无线充电发送装置、无线充电系统以及无线充电控制方法，为了检测无线充电接收装置是否进入有效电磁感应距离，在充电接收装置和充电发送装置中都设置了信息反馈电路，这会增加充电接收装置的体积和成本。

因此，为了弥补现有技术或方案的不足，为人们提供更加灵活、便捷、人性化的无线充电平台，需要设计一种智能化和自动化水平更高的便携式电子设备无线充电系统的负载检测方法。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的无线充电系统不利于被充电设备的低成本化和小型化的缺点，本发明提供一种新的便携式电子设备无线充电系统及负载检测方法，其采用特殊的电路结构设计，采用了一次检测与二次检测相结合的自动重复判别机制，从而判断充电区域内负载的有无及负载的真假等。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种便携式电子设备无线充电系统，无线充电系统包括电源输入电路、电源转换电路、能量发射线圈、控制电路和检测电路，外接电源输入电源输入电路，经电源输入电路输入给电源转换电路，由电源转换电路进行电源转换后经能量发射线圈发出给电子设备充电，控制电路控制电源转换电路工作，所述的检测电路包括电流传感器、压力传感器和比较器，压力传感器用于检测无线充电系统的无线充电板上有无物体压上去，并将信号发送给比较器，通过比较器与基准电压比较后输出信号给中央控制单元，电流传感器连接在电源转换电路和能量发射线圈之间的线路上，电流传感器检测流过发射线圈的电流值，并将信号传输给控制电路。

一种采用上述的便携式电子设备无线充电系统的负载检测方法，该方法包括下述步骤：

（1）、当充电板的充电区域没有任何物体时，压力传感器的输出信号低于比较器的参考信号值，使比较器输出高电平；反之，当检测到有无线充电便携式电子设备或其他物体进入充电区域时，压力传感器的输出信号将高于比较器的参考信号值，比较器的输出由高电平变为低电平；

（2）、当比较器的输出由高电平变为低电平时，中央控制单元对负载的真伪进行二次判别，当进入充电区域的是非无线充电便携式电子设备时，由于负载不存在接收线圈，无线充电板和负载不存在耦合关系，因此，副边反射到原边的阻抗为零，功率调节电路只需要很小的能量占空比D _slp 即可使发射线圈中的电流保持在稳定值I _slp ；当进入的是无线充电便携式电子设备时，由于负载接收线圈的存在，负载反射到原边的阻抗将由零变为ω ² M ²/Z _s ，其中，ω为系统的工作角频率，M为原边和副边之间的互感，Z _s 为副边总阻抗，如果功率调节电路的能量占空比仍然保持为阈值D _slp ，则发射线圈中的电流I必将小于I _slp ，系统根据本条件即可判定负载的真伪；当检测到有无线充电便携式设备进入充电区域时，系统将进入正常工作模式，自动调节功率调节电路的能量占空比D，使发射线圈中的电流保持稳定值I _con ；当真负载一直存在时，功率调节电路的能量占空比将始终大于阈值D _{con_min} ，如果系统检测到功率调节电路的能量占空比D小于阈值D _{con_min} ，则说明真负载已被移出，系统将从新进入低功耗待机模式。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的电源转换电路包括功率调节电路、高频逆变电路和谐振补偿电路，电源输入电路将电源输出给功率调节电路，经功率调节电路进行功率调节后，再输出给高频逆变电路进行电压变换后输出给谐振补偿电路进行谐振补偿，然后输出给能量发射线圈。

所述的控制电路部分包括中央控制单元和驱动电路，中央控制单元通过驱动电路输出控制信号给功率调节电路和高频逆变电路，控制功率调节电路和高频逆变电路工作。

所述的电源输入电路采用整流滤波电路。

所述的功率调节电路采用Buck拓扑结构。

所述的谐振补偿电路采用串联-串联补偿方式的电路。

本发明的有益效果是：本发明的智能化及自动化水平高，能够自动完成对负载的感知；采用重复判别机制，能够有效避免对负载的误判；当充电区域内没有任何物体时，系统始终处于待机模式，加之采用了小功率能量脉冲试探的甄别策略，能够有效降低系统的待机功耗和甄别损耗。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明的便携式电子设备无线充电系统负载检测方法的原理框图；

其中，1为交流电源，2为整流滤波电路，3为功率调节电路，4为高频逆变电路，5为谐振补偿电路，6为能量发射线圈，7为驱动电路，8为中央控制单元，9为电流传感器，10为压力传感器，11为比较器，12为无线充电板。

图2为本发明的便携式电子设备无线充电系统负载检测方法的工作流程图。

其中，I为发射线圈电流有效值，I _slp 为待机模式下发射线圈电流阈值（有效值），D为功率调节电路的能量脉冲宽度（占空比），D _slp 为待机模式下功率调节电路的能量脉冲宽度阈值，D _{con_min} 为正常工作模式下功率调节电路的能量脉冲宽度阈值。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请参看附图1，本发明为一种便携式电子设备无线充电系统，其在硬件上主要包括电源输入电路、电源转换电路、电源输出电路、控制电路和检测电路几个部分，其中电源输入电路用于外接电源的输入，电源输入电路将外接电源进行处理后输入给电源转换电路，经电源转换电路转换后输出给电源输出电路，由电源输出电路输出，检测电路用于检测外界环境信息（即负载情况），并将检测信息传输给控制电路，控制电路控制其他部分工作。本实施例中，电源采用220V交流电源1，电源转换电路则采用整流滤波电路2，用于将交流电转换成直流电，本实施例中的电源转换电路主要包括功率调节电路3、高频逆变电路4和谐振补偿电路5，整流滤波电路2整流后将直流电输出给功率调节电路3，经功率调节电路3进行功率调节后，再输出给高频逆变电路4进行电压变换后输出给谐振补偿电路5进行谐振补偿，然后输出给电源输出电路。本实施例中，电源转换电路采用开关电源形式，具体实施时，也可以采用传统变压器形式或稳压芯片等。电源输出电路采用能量发射线圈6，将电能发射出去给电子设备充电。本实施例中，控制电路部分包括中央控制单元8和驱动电路7，中央控制单元8采用单片机实现，中央控制单元8通过驱动电路7输出控制信号给功率调节电路3和高频逆变电路4，控制功率调节电路3和高频逆变电路4工作。本发明中的交流电源1、整流滤波电路2、功率调节电路3、高频逆变电路4、谐振补偿电路5、能量发射线圈6、驱动电路7和中央控制单元8可采用常规的功能模块实现，本实施例中的检测电路包括电流传感器9、压力传感器10和比较器11，压力传感器10用于检测充电系统的无线充电板12上有无物体压上去，并通过比较器11输出信号给中央控制单元8，通过压力传感器10和比较器11用于对负载的进入进行一次检测判定，电流传感器9连接在谐振补偿电路5和能量发射线圈6之间的线路上，电流传感器9用于检测流过发射线圈6的电流值，为二次检测提供重要的判定依据。

请参看附图2，本发明的负载检测方法采用了一次检测与二次检测相结合的自动重复判别机制，其中一次检测用于对是否有无线充电便携式电子设备（真负载）或其他物体（假负载）进入充电区域进行判别，二次检测则用于对负载的真伪进行最终判定。本发明的检测流程如下：

一次检测的原理及流程为：当充电板的充电区域没有任何物体时，压力传感器10的输出信号低于比较器11的参考信号值，使比较器11输出高电平，从而并不会触发中央控制单元8的中断程序；反之，当检测到有无线充电便携式电子设备（真负载）或其他物体（假负载）进入充电区域时，压力传感器10的输出信号将高于比较器11的参考信号值，进而促使比较器11的输出由高电平变为低电平。

二次检测的原理及流程为：当比较器11的输出由高电平变为低电平时，中央控制单元8将在该低电平信号的作用下被激活，并进行中断响应程序对负载的真伪进行二次判别。本实施例中，以功率调节电路采用Buck结构、谐振电路采用串联-串联（SS）补偿方式的电路为例，当进入的是非无线充电便携式电子设备时，由于副边（负载）不存在接收线圈，原边（无线充电板）和副边不存在耦合关系，因此，副边反射到原边的阻抗为零，功率调节电路3只需要很小的能量占空比D _slp （D _slp 的具体取值与电流值I _slp 、发射线圈内阻、开关器件的压降等参数有关，但是其取值显然是小于有负载条件下的最小占空比的，通常会在2%以内）即可使发射线圈6中的电流保持在稳定值I _slp （在实施过程中I _slp 可以设定为mA级甚至更小的级别，但是该值不应超出所使用的电流传感器的测量范围）；当进入的是无线充电便携式电子设备时，由于副边接收线圈的存在，副边反射到原边的阻抗将由零变为ω ² M ²/Z _s （其中，ω为系统的工作角频率，M为原边和副边之间的互感，Z _s 为副边总阻抗），如果功率调节电路3的能量占空比仍然保持为阈值D _slp ，则发射线圈6中的电流I必将小于I _slp ，系统根据本条件即可判定负载的真伪；当检测到有无线充电便携式设备进入充电区域时，系统将进入正常工作模式，自动调节功率调节电路2的能量占空比D，使发射线圈6中的电流保持稳定值I _con ；当真负载一直存在时，功率调节电路2的能量占空比将始终大于阈值D _{con_min} ，如果系统检测到功率调节电路2的能量占空比D小于阈值D _{con_min} ，则说明真负载已被移出，系统将从新进入低功耗待机模式。

本发明的智能化及自动化水平高，能够自动完成对负载的感知；采用重复判别机制，能够有效避免对负载的误判；当充电区域内没有任何物体时，系统始终处于待机模式，加之采用了小功率能量脉冲试探的甄别策略，能够有效降低系统的待机功耗和甄别损耗。

以上所述仅仅是本发明的一个较佳实施例而已，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术或研究人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更改或修饰为等同变化的等效实施例。凡未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，皆应在本发明的权利要求保护范围内。

Claims (6)

1.一种便携式电子设备无线充电系统的负载检测方法，无线充电系统包括电源输入电路、电源转换电路、能量发射线圈、控制电路和检测电路，外接电源输入电源输入电路，经电源输入电路输入给电源转换电路，由电源转换电路进行电源转换后经能量发射线圈发出给电子设备充电，控制电路控制电源转换电路工作，所述的检测电路包括电流传感器、压力传感器和比较器，压力传感器用于检测无线充电系统的无线充电板上有无物体压上去，并将信号发送给比较器，通过比较器与基准电压比较后输出信号给中央控制单元，电流传感器连接在电源转换电路和能量发射线圈之间的线路上，电流传感器检测流过发射线圈的电流值，并将信号传输给控制电路,其特征是：所述的方法包括下述步骤：

（1）、当充电板的充电区域没有任何物体时，压力传感器的输出信号低于比较器的参考信号值，使比较器输出高电平；反之，当检测到有无线充电便携式电子设备或其他物体进入充电区域时，压力传感器的输出信号将高于比较器的参考信号值，比较器的输出由高电平变为低电平；

（2）、当比较器的输出由高电平变为低电平时，中央控制单元对负载的真伪进行二次判别，当进入充电区域的是非无线充电便携式电子设备时，由于负载不存在接收线圈，无线充电板和负载不存在耦合关系，因此，副边反射到原边的阻抗为零，功率调节电路只需要很小的能量占空比D _slp 即可使发射线圈中的电流保持在稳定值I _slp ；当进入的是无线充电便携式电子设备时，由于负载接收线圈的存在，负载反射到原边的阻抗将由零变为ω ² M ²/Z _s ，其中，ω为系统的工作角频率，M为原边和副边之间的互感，Z _s 为副边总阻抗，如果功率调节电路的能量占空比仍然保持为阈值D _slp ，则发射线圈中的电流I必将小于I _slp ，系统根据本条件即可判定负载的真伪；当检测到有无线充电便携式设备进入充电区域时，系统将进入正常工作模式，自动调节功率调节电路的能量占空比D，使发射线圈中的电流保持稳定值I _con ；当真负载一直存在时，功率调节电路的能量占空比将始终大于阈值D _{con_min} ，如果系统检测到功率调节电路的能量占空比D小于阈值D _{con_min} ，则说明真负载已被移出，系统将从新进入低功耗待机模式。

2.根据权利要求1所述的负载检测方法，其特征是：所述的电源转换电路包括功率调节电路、高频逆变电路和谐振补偿电路，电源输入电路将电源输出给功率调节电路，经功率调节电路进行功率调节后，再输出给高频逆变电路进行电压变换后输出给谐振补偿电路进行谐振补偿，然后输出给能量发射线圈。

3.根据权利要求2所述的负载检测方法，其特征是：所述的功率调节电路采用Buck拓扑结构。

4.根据权利要求2所述的负载检测方法，其特征是：所述的谐振补偿电路采用串联-串联补偿方式的电路。

5.根据权利要求2所述的负载检测方法，其特征是：所述的控制电路部分包括中央控制单元和驱动电路，中央控制单元通过驱动电路输出控制信号给功率调节电路和高频逆变电路，控制功率调节电路和高频逆变电路工作。

6.根据权利要求1所述的负载检测方法，其特征是：所述的电源输入电路采用整流滤波电路。