CN104953667A - 一种无线充电器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无线充电器，发射模块包括：电源模块，提供第一电压和第二电压，所述第二电压在电源接入时延迟于第一电压输出；双管振荡电路，具有响应于所述第一电压和第二电压且依次交替导通关断的第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管导通、第二晶体管关断为第一导通状态，第二晶体管导通、第一晶体管关断为第二导通状态，以及一根据第一导通状态配合第一晶体管形成第一充电回路、根据第二导通状态配合第二晶体管形成第二充电回路的充放电电容；发射线圈，结合充放电电容的充放电形成LC振荡电路，用以形成电磁能发射给所述接收模块。本发明发射模块可以通过两个晶体管自激产生振荡信号，使得LC振荡电路工作在谐振状态实现无线电能传输。

Description

一种无线充电器

技术领域

本发明涉及无线充电领域，特别涉及一种基于电磁谐振原理将电能转换为电磁能进行无线传输的无线充电器。

背景技术

无线充电技术如今已转换到无绳电话充电、手机充电器等较大功率的产品上。目前的无线电能传输方案主要包括：一、电波辐射式无线传播，通过电磁波或激光装置把电能转换成电磁波或激光，发射天线和接收天线做媒介在空间自由传播电磁波或激光，然后通过电磁波转换器、整流滤波电路进行转换充电，该方式由于方向性不强、穿过障碍物能量低使得长距离传输困难，且还会给周围带来电波辐射危害；二、磁耦合谐振式无线传输，磁耦合谐振式无线充电技术引入了谐振技术，发射线圈、接收线圈采用相同的工作频率，可以提高传输效率，增大传输距离，减小辐射。

采用磁耦合谐振的电能发射方案中，一般采用NE555定时器产生PWM脉宽调制信号作为振荡信号，然后通过E类放大器驱动电路放大振荡信号，利用两个晶体管控制振荡电路谐振特性，使收发线圈在共振的状态下工作；或者，采用单片机产生PWM脉宽调制信号作为振荡信号，然后通过E类放大驱动电路放大振荡信号，利用振荡电路谐振特性，使收发线圈在共振的状态下工作。但是，以上都需要外加产生振荡信号的电路，电路比较复杂。

发明内容

本发明所要解决的目的是提供一种无线充电器，发射模块可以通过两个晶体管自激产生振荡信号，使得LC振荡电路工作在谐振状态实现无线电能传输。

为解决上述问题，本发明提出一种无线充电器，包括发射模块和接收模块，所述发射模块包括：

电源模块，提供第一电压和第二电压，所述第二电压在电源接入时延迟于第一电压输出；

双管振荡电路，具有响应于所述第一电压和第二电压且依次交替导通关断的第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管导通、第二晶体管关断为第一导通状态，第二晶体管导通、第一晶体管关断为第二导通状态，以及一根据第一导通状态配合第一晶体管形成第一充电回路、根据第二导通状态配合第二晶体管形成第二充电回路的充放电电容；

发射线圈，和所述充放电电容并联结合充放电电容的充放电形成LC振荡电路，用以形成电磁能发射给所述接收模块。

根据本发明的一个实施例，所述电源模块包括一电压端和一继电器；电压端接入电源后输出第一电压；继电器的绕制线圈的两端分别接电压端和地端，其第一触点一端连接电压端，另一端吸合在第二触点一端上，在电压端接入电源时第一触点该另一端由继电器铁芯控制吸合至第三触点一端，第三触点另一端输出所述第二电压。

根据本发明的一个实施例，所述双管振荡电路包括：第一小电阻，第一大电阻，第一N沟道MOS管，第一二极管，第一电感，第二小电阻，第二大电阻，第二N沟道MOS管，第二二极管，第二电感，以及所述充放电电容；

其中，第一小电阻第一端接收所述第二电压、第二端连接第一大电阻的第一端和第一N沟道MOS管的栅极，第一大电阻第二端接地，第二电感第一端接收所述第一电压、第二端连接第一N沟道MOS管的漏极，第一N沟道MOS管的源极接地端，第一二极管的阳极连接第一小电阻的第二端、阴极连接第二N沟道MOS管的漏极；第二小电阻第一端接收所述第二电压、第二端连接第二大电阻的第一端和第二N沟道MOS管的栅极，第二大电阻第二端接地，第一电感第一端接收所述第一电压、第二端连接第二N沟道MOS管的漏极，第二N沟道MOS管的源极接地端，第二二极管的阳极连接第二小电阻的第二端、阴极连接第一N沟道MOS管的漏极；所述充放电电容连接在第一N沟道MOS管的漏极和第二N沟道MOS管的漏极之间；

第一二极管导通、第二二极管截止控制第一N沟道MOS管导通、第二N沟道MOS管关断，第二电压通过第一小电阻、第一二极管、充放电电容和第一N沟道MOS管到地端形成所述第一充电回路；

第二二极管导通、第一二极管截止控制第二N沟道MOS管导通、第一N沟道MOS管关断，第二电压通过第二小电阻、第二二极管、充放电电容和第二N沟道MOS管到地端形成所述第二充电回路。

根据本发明的一个实施例，所述接收模块包括：

LC并联谐振电路，具有并联的接收线圈和接收电容，将接收线圈和接收电容配置为和所述发射模块谐振耦合，其将接收电磁能转换为电信号；

整流电路，接收LC并联谐振电路的电信号并进行整流；

滤波电路，对整流电路输出的整流信号进行滤波输出，用以连接并将滤波后的信号传输给充电电路充电。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：电源模块第二电压延迟于第一电压输出，在第二电压接入的瞬时，第一晶体管和第二晶体管中的一个先导通，而该晶体管的导通会限制另一个晶体管的导通，配合充放电电容则形成一个充电回路，在充放电电容充满电后上下板的电压发生变化，从而使得该另一个晶体管导通，而使得此前导通的晶体管关断，配合充放电电容则形成另一个充电回路，如此往复，两个晶体管依次交替导通使得充放电电容不断充放电，而该充放电电容还并联一发射线圈，该发射线圈配合充放电电容的充放电形成一LC振荡电路，从而可以产生电磁能发射给接收模块，也就是说，发射线圈和双管振荡电路有机结合在一起，两个晶体管切换导通控制充放电电容充放电从而使得LC振荡电路振荡，电路器件减少，可以更好地集成，且节约成本。

附图说明

图1为本发明一种无线充电器的结构框图；

图2为本发明一个实施例的无线充电器发射模块的电路结构示意图；

图3为本发明一个实施例的无线充电器接收模块的电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参看图1，本发明的一种无线充电器，包括发射模块1和接收模块2，其中发射模块1包括电源模块11，双管振荡电路12和发射线圈Ls。

电源模块11提供第一电压和第二电压，第二电压在电源接入时延迟于第一电压输出。双管振荡电路12具有响应于所述第一电压和第二电压且依次交替导通关断的第一晶体管和第二晶体管，以及充放电电容C3。第一晶体管导通、第二晶体管关断为第一导通状态，第二晶体管导通、第一晶体管关断为第二导通状态，充放电电容C3根据第一导通状态配合第一晶体管形成第一充电回路，充放电电容C3根据第二导通状态配合第二晶体管形成第二充电回路。发射线圈Ls并联在充放电电容C3两端，充放电电容C3的充放电使得充放电电容C3和发射线圈Ls形成LC振荡电路产生振荡信号，配置充放电电容C3和发射线圈Ls的振荡频率，以及接收线圈Lr和接收电容C5的振荡频率从而可以电磁能通过谐振方式发射给接收模块2，较佳的，可以调节振荡频率一致，电磁共振，此时收发线圈两端电压最大，而系统效率达到最高，从而使接收模块2达到最大能量增益。

为了使收发线圈(发射线圈Ls和接收线圈Lr)工作效率最大，将发送端和接收端发射线圈的激励频率配置为和线圈固有频率相等，使线圈工作在谐振状态，可以根据振荡频率、电容、电感三者固有的关系，调节两端电感或者电容的值使线圈达到谐振状态。

参看图2，电源模块11包括一电压端和一继电器K1；电压端接入电源后输出第一电压，图中电压端连接5V电压，输出的第一电压输入到第一电感L1和第二电感L2；继电器K1的绕制线圈的两端4和5分别接电压端和地端，其第一触点(图中K1的1触点)一端连接电压端，另一端吸合在第二触点(图中K1的2触点)一端上，在电压端接入电源时第一触点该另一端由继电器K1铁芯控制吸合至第三触点(图中K1的3触点)一端，第三触点另一端输出第二电压，第二电压输入到第一小电阻R3和第二小电阻R2，继电器K1铁芯吸合触点转接的过程可以使得第二电压稍延迟于第一电压输出。

继续参看图2，具体的，双管振荡电路12包括：第一小电阻R3，第一大电阻R6，第一N沟道MOS管Q1，第一二极管D1，第一电感L1，第二小电阻R2，第二大电阻R5，第二N沟道MOS管Q2，第二二极管D2，第二电感L2，以及所述充放电电容C3，在本实施例中，第一N沟道MOS管Q1是对前述的第一晶体管的进一步实施方式，第二N沟道MOS管Q2是对前述的第二晶体管的进一步实施方式。

其中，第一小电阻R3第一端接收所述第二电压、第二端连接第一大电阻R6的第一端和第一N沟道MOS管Q1的栅极，第一大电阻R6第二端接地，第二电感L2第一端接收所述第一电压、第二端连接第一N沟道MOS管Q1的漏极，第一N沟道MOS管Q1的源极接地端，第一二极管D1的阳极连接第一小电阻R3的第二端、阴极连接第二N沟道MOS管Q2的漏极；第二小电阻R2第一端接收所述第二电压、第二端连接第二大电阻R5的第一端和第二N沟道MOS管Q2的栅极，第二大电阻R5第二端接地，第一电感L1第一端接收所述第一电压、第二端连接第二N沟道MOS管Q2的漏极，第二N沟道MOS管Q2的源极接地端，第二二极管D2的阳极连接第二小电阻R2的第二端、阴极连接第一N沟道MOS管Q1的漏极；所述充放电电容C3连接在第一N沟道MOS管Q1的漏极和第二N沟道MOS管Q2的漏极之间；第一二极管D1导通、第二二极管截止控制第一N沟道MOS管导通、第二N沟道MOS管关断，第二电压通过第一小电阻R3、第一二极管D1、充放电电容C3和第一N沟道MOS管Q1到地端形成所述第一充电回路；第二二极管D2导通、第一二极管D1截止控制第二N沟道MOS管Q2导通、第一N沟道MOS管Q1关断，第二电压通过第二小电阻R2、第二二极管D2、充放电电容C3和第二N沟道MOS管Q2到地端形成所述第二充电回路。

发射模块的工作原理：当接通电源(图中的5V电压接通)后，继电器K1的第一触点被吸合至第三触点，继电器K1的动作使得第二电压延时输出，也就使得第一N沟道MOS管Q1、第二N沟道MOS管Q2的栅极供电延迟于漏极供电。当继电器K1得电后，输出第二电压，第二小电阻R2、第二大电阻R5的串联作为第二N沟道MOS管Q2的栅极分压偏置电路，第一小电阻R3、第一大电阻R6作为第一N沟道MOS管Q1的栅极分压偏置电路，当电路接通的瞬间第一电感L1和第二电感L2的阻抗很大，那么第一二极管D1和第二二极管D2的阴极电压很小，如果第二二极管D2导通的速度比第一二极管D1快，则第一N沟道MOS管Q1的漏极和源极电位相差不大，因而第一N沟道MOS管Q1截止，此时第二电压通过第二小电阻R2，第二二极管D2、充放电电容C1到第二N沟道MOS管Q2的漏源极到地端形成第二充电回路，充电的结果使充放电电容C1下板的电位越来越高，随着第二N沟道MOS管Q2导通能力的增加，第二N沟道MOS管Q2漏极电位下降，则第一二极管D1导通，第二二极管D2截止，第二N沟道MOS管Q2截止；充放电电容C1快速通过发射线圈Ls放电，此时第一N沟道MOS管Q1导通，第二电压通过第一小电阻R3、第一二极管D1、充放电电容C1、第一N沟道MOS管Q1的漏源极到地端充电，充电结果使充放电电容C1下板的电位越来越低，当低到一定值时第二二极管D2导通，充放电电容C1通过发射线圈Ls放电，如此往复。通过第一二极管D1和第二二极管D2控制两个MOS管依次轮流导通，在俩MOS管的漏极外并联连接电容和发射线圈构成了LC振荡电路，由于俩MOS管的自激使得充放电电容C1不断充放电，因而和发射线圈Ls构成了LC谐振振荡电路，将双管振荡电路12和发射线圈Ls有机结合，第一电感L1、第二电感L2在电路振荡后可以和充放电电容C1及发射线圈Ls共同构成谐振振荡电路，用以调节振荡频率。

第一小电阻R3和第一大电阻R6的阻值相差较大，第二小电阻R2和第二大电阻R5的阻值亦是如此，示例性的，例如是将第一小电阻R3和第二小电阻R2的阻值设为100欧，将第一大电阻R6和第二大电阻R5的阻值设为100k欧，但并不作为限制，第一小电阻R3和第二小电阻R2设为较小电阻值是为了使形成的第一充电回路和第二充电回路快速充电。

第一N沟道MOS管Q1和第二N沟道MOS管Q2例如可以采用IRF3205型号MOS管。

图2中，在继电器K1输出第二电压的端口和地端之间还连接了两个滤波电容C1和C2，以及连接了用于提示继电器K1第二电压输出的发光二极管LED和电阻R4。

参看图3，接收模块2包括：LC并联谐振电路，具有并联的接收线圈Lr和接收电容C5，将接收线圈Lr和接收电容C5配置为和所述发射模块1谐振耦合，其将接收电磁能转换为电信号；整流电路B，接收LC并联谐振电路的电信号并进行整流；滤波电路，包括串联在整流电路B输出端和地端之间的并联的两个电容C6和C7，对整流电路B输出的整流信号进行滤波输出，用以连接并将滤波后的信号传输给被充电电路U充电。图3中，还在整流电路B输出端和地端之间连接了用于提示接收模块12接收电能的发光二极管LED3和电阻R8。

根据需要，本发明的无线充电器还可以连接显示模块(图中未示出)，无线充电器连接被充电电路的两端连接A/D转换器，将信号传输给单片机，单片机控制显示模块显示充电的情况。

本发明将电源模块的第二电压延迟于第一电压输出，在第二电压接入的瞬时，第一晶体管和第二晶体管中的一个先导通，而该晶体管的导通会限制另一个晶体管的导通，配合充放电电容则形成一个充电回路，在充放电电容充满电后上下板的电压发生变化，从而使得该另一个晶体管导通，而使得此前导通的晶体管关断，配合充放电电容则形成另一个充电回路，如此往复，两个晶体管依次交替导通使得充放电电容不断充放电，而该充放电电容还并联一发射线圈，该发射线圈配合充放电电容的充放电形成一LC振荡电路，从而可以产生电磁能发射给接收模块，也就是说，发射线圈和双管振荡电路有机结合在一起，两个晶体管切换导通控制充放电电容充放电从而使得LC振荡电路振荡，电路器件减少，可以更好地集成，且节约成本。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种无线充电器，包括发射模块和接收模块，其特征在于，所述发射模块包括：

电源模块，提供第一电压和第二电压，所述第二电压在电源接入时延迟于第一电压输出；

双管振荡电路，具有响应于所述第一电压和第二电压且依次交替导通关断的第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管导通、第二晶体管关断为第一导通状态，第二晶体管导通、第一晶体管关断为第二导通状态，以及一根据第一导通状态配合第一晶体管形成第一充电回路、根据第二导通状态配合第二晶体管形成第二充电回路的充放电电容；

发射线圈，和所述充放电电容并联结合充放电电容的充放电形成LC振荡电路，用以形成电磁能发射给所述接收模块。

2.如权利要求1所述的无线充电器，其特征在于，所述电源模块包括一电压端和一继电器；电压端接入电源后输出第一电压；继电器的绕制线圈的两端分别接电压端和地端，其第一触点一端连接电压端，另一端吸合在第二触点一端上，在电压端接入电源时第一触点该另一端由继电器铁芯控制吸合至第三触点一端，第三触点另一端输出所述第二电压。

3.如权利要求1所述的无线充电器，其特征在于，所述双管振荡电路包括：第一小电阻，第一大电阻，第一N沟道MOS管，第一二极管，第一电感，第二小电阻，第二大电阻，第二N沟道MOS管，第二二极管，第二电感，以及所述充放电电容；

其中，第一小电阻第一端接收所述第二电压、第二端连接第一大电阻的第一端和第一N沟道MOS管的栅极，第一大电阻第二端接地，第二电感第一端接收所述第一电压、第二端连接第一N沟道MOS管的漏极，第一N沟道MOS管的源极接地端，第一二极管的阳极连接第一小电阻的第二端、阴极连接第二N沟道MOS管的漏极；第二小电阻第一端接收所述第二电压、第二端连接第二大电阻的第一端和第二N沟道MOS管的栅极，第二大电阻第二端接地，第一电感第一端接收所述第一电压、第二端连接第二N沟道MOS管的漏极，第二N沟道MOS管的源极接地端，第二二极管的阳极连接第二小电阻的第二端、阴极连接第一N沟道MOS管的漏极；所述充放电电容连接在第一N沟道MOS管的漏极和第二N沟道MOS管的漏极之间；

第一二极管导通、第二二极管截止控制第一N沟道MOS管导通、第二N沟道MOS管关断，第二电压通过第一小电阻、第一二极管、充放电电容和第一N沟道MOS管到地端形成所述第一充电回路；

第二二极管导通、第一二极管截止控制第二N沟道MOS管导通、第一N沟道MOS管关断，第二电压通过第二小电阻、第二二极管、充放电电容和第二N沟道MOS管到地端形成所述第二充电回路。

4.如权利要求1所述的无线充电器，其特征在于，所述接收模块包括：

LC并联谐振电路，具有并联的接收线圈和接收电容，将接收线圈和接收电容配置为和所述发射模块谐振耦合，其将接收电磁能转换为电信号；

整流电路，接收LC并联谐振电路的电信号并进行整流；

滤波电路，对整流电路输出的整流信号进行滤波输出，用以连接并将滤波后的信号传输给充电电路充电。