CN104113098A - 无线充电拓扑结构及扫频算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线充电拓扑结构及扫频算法，发射端由直流输入、全桥或半桥逆变、LC谐振网络、通信解调电路、电流采样、发射端控制芯片等组成；接收端由L网络、整流电路、升压电路、接收端控制芯片、通信调制电路、后备电池等组成，移动设备为手机或者其他被充电的设备；发射端LC谐振网络与接收端L网络通过电磁感应传递能量。本发明的核心特点是接收端采用单电感L振荡，当发射端全桥拓扑工作时，接收端在电感L中感应出电流，本发明设计了一种扫频算法以确定系统工作的最大电流，采样电流最大值所对应的频率就是最佳工作频率，通过调节占空比来实现充电功率的控制。本发明具有成本低、输出功率大、充电效率高等优点。

Description

无线充电拓扑结构及扫频算法

技术领域

本发明涉及用于无线充电发射端和接收端的拓扑结构，也涉及一种自动检测无线充电器最佳工作频率的频率扫描算法。

背景技术

 现有常用无线充电技术中，图2是共振型无线充电系统，图3是双谐振型无线充电系统。

共振型无线充电系统采用双LC，工作频率是固定的，就是在该LC的谐振点，当发射端和接收端两边LC的谐振点相同时，工作效率比较高，在实际应用中接收端的LC谐振频率总是和发射端的谐振频率很难达到严格一致。同时共振型系统在5V输入电压时，输出电流很难超过0.6A,目前智能手机的充电器对充电功率要求越来越高，所以共振型系统在5V输入时无法达到实际应用的要求，有一定的局限性。目前的无线充电器普遍要求输入5V，以便与通用的USB口电压相适应，因而共振型无线充电系统也很难满足这个要求。

双谐振型无线充电系统是目前应用比较广泛的一种技术，双谐振系统的特点是其输出有两个谐振电容，在5V输入时，该系统的输出功率比共振型的要大，但随着智能手机的发展，对无线充电器接收端的成本和体积都有较高的要求，接收端的谐振电容一般采用较昂贵的NPO谐振电容，体积也比较大。

发明内容

本发明所述的无线充电拓扑结构及扫频算法，由发射端和接收端两大部分组成，发射端由直流输入、全桥或半桥逆变、LC谐振网络、通信解调电路、电流采样、发射端控制芯片等组成；接收端由L网络、整流电路、升压电路、接收端控制芯片、通信调制电路、后备电池等组成,移动设备为手机或者其他被充电的设备；发射端LC谐振网络与接收端L网络通过电磁感应传递能量。

所述的无线充电拓扑结构及扫频算法，接收端L网络采用单电感L网络。当发射端全桥拓扑工作时，接收端在单电感L网络中感应出电流，通过在一定范围内频率变化，发射端控制器芯片通过扫频算法，实现最大功率点跟踪。

所述的扫频算法，在扫描频率范围内，采样电流最大值所对应的频率就是最佳工作频率，再通过调节占空比来实现充电功率的控制。首先发射端给出一个固定的频率以维持接收端的电压，扫频算法用四个固定频率点PWM_FREQ_LBYTE=0x42,0x43,0x44,0x45循环检测来进行接收端身份ID信号的识别，发射端通过通信信号调制解调电路确认接收端身份ID以后，进入等待旁路模式，此时通过发射端控制芯片控制固定占空比，扫描频率从80kHz到150kHz，发射端的电流采样电路在每个频率所对应的电流同时进行采样，通过比较并找出电流采样值最大值所对应的频率，就是最佳的工作频率，发射端找到这个最佳工作频率后，维持这个频率，继续调制来自接收端包括电压和电流的通信信号，通过特定的控制算法来调节占空比，调节充电功率，实现恒流和恒压充电，以及充满指示并停止充电。

本发明采用独立电感网络实现了低成本、小体积，比现有技术有更高的输出功率和充电效率，实际的产品应用中取得了良好的效益。

附图说明：

图1是本发明发射端和接收端整体系统框图。

图2是共振型无线充电系统。

图3是双谐振型无线充电系统。

图4是本发明接收端原理框图。

图5是本发明发射端原理框图。

图6是本发明上电模式变频率ID识别算法图。

图7 是本发明等待旁路模式频率扫描算法图。

具体实施方式：

现结合附图和实例对本发明作进一步的详细描述。 

图5中的L和C构成发射端LC谐振网络，Q1、Q2、Q3、Q4是全桥拓扑结构。

图4中的L1为接收端谐振电感，D1、D2、D3、D4组成整流模块；R1、Q5组成通信调制电路；Q5为通信调制开关；控制信号来自接收端控制芯片。

当发射端全桥拓扑工作时，全桥电路把输入直流逆变为交流信号，通过发射端电感L和接收端电感L1的电磁感应，接收端在电感L1中感应出电流，通过整流后送给电池充电。接收端的充电参数，比如电压、电流、过温等信号通过通信调制电路在接收端产生一个扰动，发射端的LC谐振网络也会产生相应的扰动，通过发射端的通信解调电路把这个扰动中的信息解调出来，以实现接收端和发射端之间的通信。发射端通过来自接收端的电流信号经过特别设计的控制算法实现对接收端充电电流的恒定电流的自动控制。发射端根据接收端的电池电压来对电池进行浮充控制，根据接收端的温度检测来进行过温度保护。

由于接收端和发射端的相对的位置不同，导致接收感应出的电流不稳定，本发明设计了一种频率扫描算法以确定系统的最佳工作频率，再通过调节占空比来实现充电功率的控制。

扫描算法如下： 

无线充电器一直检测是否有金属物体放置在它上面，当检测到有金属物体后，发射端给出一个固定的频率以维持接收端的电压，这称为上电模式。如图6所示，为了提高充电器的识别范围，充电器的扫描算法用了四个固定频率点PWM_FREQ_LBYTE=0x42,0x43,0x44,0x45循环检测来自接收端通信的身份ID信号，其中bFreqScan用来做循环检测ID，变量bRFID用来存储接收到的ID数值，发射端通过通信解调电路确认接收端的身份ID为0x01以后，进入等待旁路模式。

如果没有接收到正确的ID，并且采样到的电流达到一定的值，系统会判断有金属异物放在充电器上，在经过10次累计后，将会进入低功耗模式，防止金属异物的发热。如果没有接收到正确的ID，并且采样到的电流没有达到一定的值，系统会判断为充电器上无金属异物，将继续检测金属充电器上的物体，不改变工作模式。

进入等待旁路模式后，如图7所示，此时发射端的控制器固定占空比，扫描频率从较低的频率点80kHz到较高的频率点150kHz。具体工作过程是这样的，首先，给出扫描频率的最高值150kHz作为初始值，延时并对电流进行采样，再延时并记录该频率对应的采样值，如果该采样值大于最大的电流采样值，那么将该采样值和最大的电流采样值交换，记录对应此时的频率，频率降低一个给定的计数，再循环一次，如果有出现更大的电流采样值，同样把该采样值和最大电流采样值交换，并把此时所对应的频率替换之前记录的频率值，直到频率降低到等于80kHz时，循环结束。此时记录到的最大电流采样值对应的频率就是最佳的工作频率。

发射端找到这个最佳工作频率后，维持这个频率，通过继续接收来自接收端的通信信号，包括电压和电流信号，通过特定的控制算法调节占空比，调节充电功率，实现恒流和恒压充电，以及充满指示并停止充电。

Claims (5)

1.无线充电拓扑结构及扫频算法，其特征是，由发射端和接收端两大部分组成，发射端由直流输入、全桥或半桥逆变、LC谐振网络、通信解调电路、电流采样、发射端控制芯片等组成；接收端由L网络、整流电路、升压电路、接收端控制芯片、通信调制电路、后备电池等组成,移动设备为手机或者其他被充电的设备；发射端LC谐振网络与接收端L网络通过电磁感应传递能量。

2.如权利要求1所述的无线充电拓扑结构及扫频算法，其特征是，接收端L网络采用单电感L网络。

3.如权利要求2所述的单电感L网络，其特征是，当发射端全桥拓扑工作时，接收端在单电感L网络中感应出电流，通过在一定范围内频率变化，发射端控制器芯片通过扫频算法，实现最大功率点跟踪。

4.如权利要求3所述的扫频算法，其特征是，在扫描频率范围内，采样电流最大值所对应的频率就是最佳工作频率，再通过调节占空比来实现充电功率的控制。

5.如权利要求3和权利要求4所述的扫频算法，其特征是，发射端给出一个固定的频率以维持接收端的电压，扫频算法用四个固定频率点PWM_FREQ_LBYTE=0x42,0x43,0x44,0x45循环检测来进行接收端身份ID信号的识别，发射端通过通信信号调制解调电路确认接收端身份ID以后，进入等待旁路模式，此时通过发射端控制芯片控制来固定占空比，扫描频率从80kHz到150kHz，发射端的电流采样电路在每个频率所对应的电流同时进行采样，通过比较并找出电流采样值最大值所对应的频率，就是最佳的工作频率，发射端找到这个最佳工作频率后，维持这个频率，继续调制来自接收端包括电压和电流的通信信号，通过特定的控制算法来调节占空比，调节充电功率，实现恒流和恒压充电，以及充满指示并停止充电。