CN104393623B - 一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法及系统通过与传统方式不同的另一种方式实现磁共振无线充电发射端和接收端频率对齐。该方法调整时通过以ΔV为步进调整可调电容的电压值，根据谐振频率的变化所引起的线圈中电流或电压变化情况继续调整，当电流或电压变大时继续调整，反之以反方向调整，并根据两次的电流或电压变化不同判断系统获得了最佳谐振频率并锁定该频率完成频率锁定。即本发明通过在接收端设置可调电容的方式产生及调整磁共振单元（LC回路）的谐振频率，不仅可实现一对多无线充电，还可以简化发射端和接收端的对接机制，提高两者之间的兼容性，降低发射端电路复杂程度，该方法易于实现也方便控制。

Description

一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法及系统

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，特别涉及一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法及系统。

背景技术

随着各种电子产品逐步走入人们的生活，特别是笔记本电脑、平板电脑、智能手机功能不断增强，人们普遍感受到现有电池容量已无法满足自身日益增长的娱乐和工作需求，而家里充斥的各种电源接头和遍布的电源线也令人头疼，因此通过无线充电方式实现随用随充，即充电、娱乐互不冲突的愿望也随之越来越强烈。

目前无线充电方式有以下几种：电场耦合方式、电磁感应方式、磁耦合方式、无线电波方式，其中磁耦合方式由于其位置自由、充电理论效率高而受到业界广泛关注，物理学家早就知道，在两个共振频率相同的物体之间能有效地传输能量，而不同频率物体之间的相互作用较弱。歌唱家演唱能将装有不同水量瓶子中的一个震碎，而不影响其他瓶子就是这个道理。磁耦合无线充电技术正是利用了这个原理。

但磁耦合无线充电技术在工程应用中有一个突出困难就是发射端或接收端频率无法对齐，大规模生产时，由于元器件加工误差叠加效应以及元件值温漂特性，实际工作时会导致发射端振荡频率与接收端LC谐振频率之间有大小不等的误差，由于发射端和接收端是依靠磁耦合的方式进行能量传递，频率对不齐会导致其能量传输效率衰落很快，因此业界在频率追踪和频率锁定方面做了大量工作，通常做法是在发射端通过检测电流电压的变化判断频率是否对齐，此时采取一定的算法调整发射端振荡频率，以适应接收端谐振频率，直至两者到达最佳状态。

发送端调整谐振频率以适应接收端谐振频率，这种方式固然能够解决频率对齐的问题，但如果出现一对多的工作场景，即一个发射端，多个接收终端同时进行充电时，将会导致发射端无所适从，需要采取一定的算法进行折中考虑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法及系统，以解决现有的磁共振无线充电系统存在的频率锁定困难的问题。

本发明的第二目的在于提供一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法及系统，以解决现有的磁共振无线充电系统的发射端电路复杂的问题。

本发明的第三目的在于提供一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法及系统，以实现提高磁共振无线充电系统的发射端和多个接收端之间的良好的兼容性。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法，包括以下步骤：

S1：预置设于接收端的可调电容的偏置电压；

S2：以ΔV为步进调整所述可调电容的偏置电压；

S3：检测接收端的电流或电压变化；

S4：如电流或电压变大，返回步骤S2继续以ΔV为步进调整；如电流或电压变小，返回步骤S2以-ΔV为步进调整；

S5：检测连续两次的电流或电压变化；

S6：若S5中两次的电流或电压变化方向相反，撤销最后一次调整并锁定；否则继续执行步骤S4。

较佳地，磁共振无线充电系统的接收端启动后，即可开始执行步骤S1。

较佳地，该频率锁定方法中的可调电容的电压调整频率为f， f的值小于系统振荡频率的值。

较佳地，该频率锁定方法中两次调整可调电容的电压的时间间隔为Δt，所述Δt的值为1/f。

较佳地，所述ΔV为可调电容的偏置电压的可变范围的1/N，N=2 ⁿ ，n为大于1的正整数。

本发明还提供了一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定系统，该频率锁定系统设于磁共振无线充电系统的接收端，该频率锁定系统包括信号处理控制模块、电流电压检测电路、可调电容、整流单元、DC-DC转换单元及待充电的客户端设备；

所述可调电容与所述接收端的磁共振线圈相串联构成磁共振单元，所述磁共振单元与所述整流单元连接，所述整流单元与所述DC-DC转换单元连接，所述DC-DC转换单元与所述客户端设备连接；

所述信号处理控制模块与所述可调电容耦合，用以调节可调电容的电压值，所述电流电压检测电路与所述整流单元耦合，用以检测整流后的电压或电流值，所述信号处理控制模块与所述电流电压检测电路耦合，用以接收来自所述电流电压检测电路的电压或电流值，并根据连续电压或电流值的变化情况调整所述可调电容的电压值；

其中，当所述电压或电流值变大时，所述信号处理控制模块继续按前次调整方向调整电压值，当所述电压或电流值变小时，所述信号处理控制模块按与前次调整相反的方向调整电压值，当所述信号处理控制模块检测到连续两次电压或电流值的变化方向相反，撤销最后一次调整并锁定电压值。

一种如前所述的用于磁共振无线充电系统的频率锁定系统，所述可调电容与所述接收端的磁共振线圈相并联构成磁共振单元。

一种如前所述的用于磁共振无线充电系统的频率锁定系统，还包括滤波单元及第二整流单元，所述滤波单元与所述磁共振单元的导线电流耦合，所述磁共振单元的电流或电压信号经耦合传输给所述第二整流单元，再经第二整流单元整流后输入电流电压检测电路，经处理后输入所述信号处理控制模块。

本发明提供的用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法及系统通过与传统方式不同的另一种方式实现磁共振无线充电发射端和接收端频率对齐。即该方法调整接收端的线圈中频率时通过以ΔV为步进调整可调电容的电压值，根据线圈中谐振频率的变化所引起的电流或电压变化情况继续调整。当电流或电压变大时继续调整，否则以反方向继续调整，并根据两次的电流或电压变化不同判断系统获得了最佳谐振频率并锁定该频率完成频率锁定。

本发明通过在接收端设置可调电容的方式产生及调整磁共振单元（LC回路）的谐振频率，不仅可实现一对多无线充电，还可以简化发射端和接收端的对接机制，提高两者之间的兼容性，降低发射端电路复杂程度。可调电容芯片的电容大小通常是通过偏置电压控制，当偏置电压提高时，可调电容容值也相应提高，故而可调电容的容值可以在一定电压范围内实现自由可调。

采用本发明的在接收端进行频率匹配的方式，便于无线充电发送端（充电底座）与多个接收端（客户端设备）同时进行充电工作，提高了发送端与接收端的兼容性，使得充电过程更为方便。而通过在磁共振单元设置可调电容使得接收端在进行与发送端的频率匹配的过程更为简便，易于实现也方便控制。

附图说明

图1为本发明提供的用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法步骤流程图；

图2为本发明实施例一提供的磁共振无线充电系统的频率锁定系统组成图；

图3为本发明实施例二提供的磁共振无线充电系统的频率锁定系统组成图；

图4为本发明实施例三提供的磁共振无线充电系统的频率锁定系统组成图。

具体实施方式

为更好地说明本发明，以下结合附图对本发明的技术方案作详细说明，具体如下：

实施例一

本实施例中的磁共振无线充电系统的频率锁定系统组成图如图2所示，该频率锁定系统设于磁共振无线充电系统的接收端，该频率锁定系统包括信号处理控制模块10、电流电压检测电路20、磁共振单元30、整流单元40、DC-DC转换单元50及待充电的客户端设备60。

可调电容31与接收端的磁共振线圈32相串联构成磁共振单元30，磁共振单元30与整流单元40连接，整流单元40与DC-DC转换单元50连接，所述DC-DC转换单元50与所述客户端设备60连接。该系统充电时，首先由磁共振单元30接收电磁波共振信号，再经整流单元40将磁共振单元30接收的电压信号整流，并经过DC-DC转换单元50进行DC-DC变换后输出并给客户端设备60充电。

信号处理控制模块10与可调电容31耦合，用以调节可调电容31的电压值，电流电压检测电路20与整流单元40耦合，用以检测整流后的电压或电流值，信号处理控制模块10与电流电压检测电路20耦合，用以接收来自电流电压检测电路20的电压或电流值，并根据连续电压或电流值的变化情况调整可调电容31的电压值。

其中，当所述电压或电流值变大时，所述信号处理控制模块继续按前次调整方向调整电压值，当所述电压或电流值变小时，所述信号处理控制模块按与前次调整相反的方向调整电压值，当所述信号处理控制模块检测到连续两次电压或电流值的变化方向相反，撤销最后一次调整并锁定电压值。

如图1所示，为本实施例提供的针对上述系统的频率锁定方法，该方法包括以下步骤：

S1：预置设于接收端的可调电容电压。

磁共振无线充电系统的接收端启动后，即可开始执行步骤S1。执行本步骤时，由信号处理控制模块10预置与其藕合的可调电容31的初始值，可调电容31的偏置电压的初始值需满足由可调电容及磁共振线圈构成的LC单元的工作频率f ₀ ^‘与接收端的共振频率f ₀（即系统的振荡频率）保持一致，即可调电容的电容值C需满足：

f ₀ ^‘=1/(2*pi*sqrt(L*C)) =f ₀，

其中，L为磁共振线圈的电感值。

S2：以ΔV为步进调整所述可调电容的电压。

利用该频率锁定方法对可调电容的电压值进行调整的调整频率为f， f的值应显著小于接收端电路的振荡频率f ₀，避免调整频率过大干扰接收端电路工作，形成电路内部振荡信号。也就是，两次调整可调电容的电压的时间间隔为Δt，Δt的值为1/f，即Δt的值显著大于1/f ₀ 。

其中，ΔV为可调电容芯片偏置电压变化范围的1/N，N=2 ⁿ ，n为大于1的正整数。

根据以上所述，执行本步骤时，由信号处理控制模块10以Δt为时间间隔，以ΔV为步进值调整可调电容31的电压值。本实施例中，f可调电容芯片的调整频率，f ₀为接收端电路的振荡频率，N为256。

S3：检测接收端的电流或电压变化。

可调电容31的电压值改变后，磁共振单元30内的电压或电流值将产生相应的改变，此时磁共振单元30的输出电压或电流经整流单元40输出后由电流电压检测电路20检测磁共振单元30内的电压或电流的改变情况，并将改变情况信息输入信号处理控制模块10。

S4：如电流或电压变大，返回步骤S2继续以ΔV为步进调整；如电流或电压变小，返回步骤S2以-ΔV为步进调整。

本步骤中，信号处理控制模块10对接收到的电压或电流的改变情况信息进行判断。当电流或电压变大时（即磁共振无线充电的接收端频率开始靠近发射端的频率），返回步骤S2继续以ΔV为步进调整可调电容31的电压值；当电流或电压变小时（即磁共振无线充电的接收端频率开始远离发射端的频率），返回步骤S2以-ΔV为步进调整可调电容31的电压值。

S5：检测连续两次的电流或电压变化。

由信号处理控制模块10检测连续两次的磁共振单元30的电流或电压变化。

S6：若S5中两次的电流或电压变化方向相反，撤销最后一次调整并锁定；否则继续执行步骤S4。

执行本步骤时，当信号处理控制模块10检测连续两次的磁共振单元30的电流或电压变化方向相反时（即一次变大，另一次变小），信号处理控制模块10撤销最后一次对可调电容的电压值调整，并锁定撤销操作后的电压值。此时，该频率锁定系统已经完成接收端频率锁定，即此时的磁共振线圈32与发射端的磁共振线圈已经可以实现良好的共振，系统可以较好地为客户端设备60充电了。

当信号处理控制模块10检测连续两次的磁共振单元30的电流或电压变化方向相同时（即均变大，或均变小），则返回继续执行步骤S4。

实施例二

本实施例所提供的一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定系统如图3所示，该频率锁定系统设于磁共振无线充电系统的接收端，该频率锁定系统包括信号处理控制模块10、电流电压检测电路20、磁共振单元30、整流单元40、DC-DC转换单元50及待充电的客户端设备60。

磁共振单元30包括相互并联的可调电容31与接收端的磁共振线圈32，磁共振单元30与整流单元40连接，整流单元40与DC-DC转换单元50连接， DC-DC转换单元50与客户端设备60连接。

信号处理控制模块10与可调电容31耦合，用以调节可调电容31的电压值，电流电压检测电路20与整流单元40耦合，用以检测整流后的电压或电流值，信号处理控制模块10与电流电压检测电路20耦合，用以接收来自电流电压检测电路20的电压或电流值，并根据连续电压或电流值的变化情况调整可调电容31的电压值。

其中，当电压或电流值变大时，信号处理控制模块10继续按前次调整方向调整电压值，当电压或电流值变小时，信号处理控制模块10按与前次调整相反的方向调整电压值，当信号处理控制模块10检测到连续两次电压或电流值的变化方向相反，撤销最后一次调整并锁定电压值。

本实施例中的频率锁定方法执行过程与实施例一相同。

实施例三

本实施例所提供的一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定系统如图4所示，该频率锁定系统设于磁共振无线充电系统的接收端，该频率锁定系统包括信号处理控制模块10、电流电压检测电路20、磁共振单元30、整流单元40、DC-DC转换单元50及待充电的客户端设备60，滤波单元70及第二整流单元80。

磁共振单元30包括相互串联的可调电容31与接收端的磁共振线圈32，磁共振单元30与整流单元40连接，整流单元40与DC-DC转换单元50连接， DC-DC转换单元50与客户端设备60连接；滤波单元70与磁共振单元30的导线电流耦合，第二整流单元80与滤波单元70连接，电流电压检测电路20与第二整流单元80连接，信号处理控制模块10与电流电压检测电路20连接。

信号处理控制模块10与可调电容31耦合，用以调节可调电容31的电压值，该系统工作时，由信号处理控制模块10控制可调电容31的电压值变化，从而调整磁共振单元30的电流或电压变化，调整磁共振单元30中电流或电压信号经过电流耦合传输给滤波单元70，经滤波单元滤波后，电流或电压信号经第二整流单元80进行整流后输入电流电压检测电路20，由电流电压检测电路20检测磁共振单元30中电流或电压信号的变化，并将电流或电压的变化信号输入信号处理控制模块10。

当电压或电流值变大时，信号处理控制模块10继续按前次调整方向调整电压值，当电压或电流值变小时，信号处理控制模块10按与前次调整相反的方向调整电压值，当信号处理控制模块10检测到连续两次电压或电流值的变化方向相反，撤销最后一次调整并锁定电压值。

本实施例中的频率锁定方法执行过程与实施例一相同。

应当理解，本发明中的连接均为电连接，调整频率f以及ΔV均不以上述实施例为限。其中，调整频率f不应太大也不应太小，以避免调整的过于频繁造成系统的震荡，也避免调整频率过低造成接收端与发射端进行良好的频率匹配时间花费过长，降低充电效率；ΔV的变化范围也需根据实际应用情况适当选择，需避免ΔV过大造成的调整步长过大使得频率匹配精度过低，也需避免ΔV过小造成的调整步长过小使得效率过低。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：预置设于接收端的可调电容的偏置电压；

S2：以ΔV为步进调整所述可调电容的偏置电压；

S3：检测接收端的电流或电压变化；

S4：如电流或电压变大，返回步骤S2继续以ΔV为步进调整；如电流或电压变小，返回步骤S2以-ΔV为步进调整；

S5：检测连续两次的电流或电压变化；

S6：若S5中两次的电流或电压变化方向相反，撤销最后一次调整并锁定；否则继续执行步骤S4；

所述ΔV为可调电容的偏置电压的可变范围的1/N，N＝2ⁿ，n为大于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法，其特征在于，磁共振无线充电系统的接收端启动后，即可开始执行步骤S1。

3.根据权利要求1所述的用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法，其特征在于，该频率锁定方法中的可调电容的电压调整频率为f，f的值小于系统振荡频率的值。

4.根据权利要求3所述的用于磁共振无线充电系统的频率锁定方法，其特征在于，该频率锁定方法中两次调整可调电容的电压的时间间隔为Δt，所述Δt的值为1/f。

5.一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定系统，其特征在于，该频率锁定系统设于磁共振无线充电系统的接收端，该频率锁定系统包括信号处理控制模块、电流电压检测电路、磁共振单元、整流单元、DC-DC转换单元及待充电的客户端设备；

所述磁共振单元包括可调电容与接收端的磁共振线圈，所述可调电容与所述磁共振线圈相串联或者相并联，所述磁共振单元与所述整流单元连接，所述整流单元与所述DC-DC转换单元连接，所述DC-DC转换单元与所述客户端设备连接；

所述信号处理控制模块与所述可调电容耦合，用以调节可调电容的电压值，所述电流电压检测电路与所述整流单元耦合，用以检测整流后的电压或电流值，所述信号处理控制模块与所述电流电压检测电路耦合，用以接收来自所述电流电压检测电路的电压或电流值，并根据连续电压或电流值的变化情况调整所述可调电容的电压值；

其中，当所述电压或电流值变大时，所述信号处理控制模块继续按前次调整方向调整电压值，当所述电压或电流值变小时，所述信号处理控制模块按与前次调整相反的方向调整电压值，当所述信号处理控制模块检测到连续两次电压或电流值的变化方向相反，撤销最后一次调整并锁定电压值；

调整电压值时以ΔV为步进调整所述可调电容的偏置电压，所述ΔV为可调电容的偏置电压的可变范围的1/N，N＝2ⁿ，n为大于1的正整数。

6.一种用于磁共振无线充电系统的频率锁定系统，其特征在于，该频率锁定系统设于磁共振无线充电系统的接收端，该频率锁定系统包括信号处理控制模块、电流电压检测电路、磁共振单元、整流单元、DC-DC转换单元，待充电的客户端设备，以及滤波单元和第二整流单元；

所述磁共振单元与所述整流单元连接，所述整流单元与所述DC-DC转换单元连接，所述DC-DC转换单元与所述客户端设备连接；

所述滤波单元与所述磁共振单元的导线电流耦合，所述磁共振单元的电流或电压信号经耦合传输给所述第二整流单元，再经第二整流单元整流后输入电流电压检测电路，经处理后输入所述信号处理控制模块；

所述信号处理控制模块与可调电容耦合，用以调节可调电容的电压值，所述电流电压检测电路用以检测所述第二整流单元整流后的电压或电流值，所述信号处理控制模块用以接收来自所述电流电压检测电路的电压或电流值，并根据连续电压或电流值的变化情况调整所述可调电容的电压值；

其中，当所述电压或电流值变大时，所述信号处理控制模块继续按前次调整方向调整电压值，当所述电压或电流值变小时，所述信号处理控制模块按与前次调整相反的方向调整电压值，当所述信号处理控制模块检测到连续两次电压或电流值的变化方向相反，撤销最后一次调整并锁定电压值；

调整电压值时以ΔV为步进调整所述可调电容的偏置电压，所述ΔV为可调电容的偏置电压的可变范围的1/N，N＝2ⁿ，n为大于1的正整数。