CN105634093B - 一种多手机可移动三维无线充电装置 - Google Patents
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Abstract
一种多手机可移动三维无线充电装置，它包括：电源输入、逆变直流电源、高频逆变电路、原边补偿网络、由原边线圈即发射线圈和副边线圈即接收线圈组成的松耦合变压器、副边补偿网络、输出调节电路；该电源输入连接至逆变直流电源，逆变直流电源的输出再连接至高频逆变电路，高频逆变电路的输出连接至原边补偿网络，然后再连接至松耦合变压器的原边线圈；该松耦合变压器的副边线圈放置在原边线圈中，其输出连接至副边补偿网络，然后再连接至输出调节电路，而输出调节电路的输出再连接至负载；本发明能够在原边线圈内部的三维空间提供均匀电磁场，可同时向线圈内任意位置的多个手机进行无线充电，特别适合车载移动情况下手机充电。
Description
技术领域
本发明提供一种多手机可移动三维无线充电装置，它涉及一种无线手机充电装置，尤其涉及一种适合多手机、移动条件下的三维均匀磁场无线充电装置。该技术属于无线功率传输技术领域。
背景技术
目前，笔记本电脑、手机、平板电脑等便携式移动设备，大都需要装入电池或把电源适配器插入到市电中获取电能，而电池则需要通过充电器插入到市电对其进行充电。这种传统的有线供电或充电方式存在许多问题，比如器件磨损、接触电火花、线路老化短路，导线裸露而产生的不安全因素，以及影响美观等。
新型无接触感应耦合电能传输技术利用电磁感应耦合原理传输电能，供电电源可以通过较大的气隙向便携式移动设备传输电能，免除了供电电源与用电负载之间的直接金属导体连接，消除了传统的导线直接连接方式向移动设备供电时所产生的器件磨损、短路等，提高了设备获得电能的灵活性。
现有技术中，所涉及的无线充电装置大都采用平面组合线圈构成充电平板向手机或电池进行无线充电。由于现有技术中所设计充电平台采用平面线圈结构，存在电磁场分布不均匀，尤其是在离开表面后电磁场迅速减弱，因此大都要求手机或电池放置在无线充电平板或充电垫上指定的位置，并且必须靠近充电平板。本发明基于Helmholtz的工作原理，结合电源逆变技术、谐振频率自动跟踪技术，以及多负载解耦及控制技术设计了一种多手机可移动三维无线充电装置。
发明内容
1、目的：本发明的目的是提供一种多手机可移动三维无线充电装置，它是一种可以在线圈内部的三维空间提供均匀电磁场，可同时向线圈内任意位置的多个手机或电池等进行无线充电的装置。它不同于现有的无线充电平板或无线充电垫，可在线圈内部的三维空间提供均匀电磁场，可同时向线圈内任意位置的多个手机或电池进行无线充电，特别适合车载移动条件下手机的充电。
2、技术方案：本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的多手机可移动三维无线充电装置是指通过电磁感应耦合原理实现手机或电池的无线充电。本发明一种多手机可移动三维无线充电装置包括：电源输入、逆变直流电源、高频逆变电路、原边补偿网络、由原边线圈(发射线圈)和副边线圈(接收线圈)组成的松耦合变压器、副边补偿网络、输出调节电路。它们之间的位置连接关系是：该电源输入连接至逆变直流电源，逆变直流电源的输出再连接至高频逆变电路，高频逆变电路的输出连接至原边补偿网络，然后再连接至松耦合变压器的原边线圈；该松耦合变压器的副边线圈放置在原边线圈中，其输出连接至副边补偿网络，然后再连接至输出调节电路，而输出调节电路的输出再连接至负载。
所述的电源输入可以是AC220V交流电输入，也可以是+12V车载直流电源或+5V移动直流电源输入；
所述的逆变直流电源包括整流滤波电路A、MOSFET半桥逆变电路、隔离变压器TR1、二次整流滤波电路B、驱动电路1和多负载解耦及控制电路等。它们之间的位置连接关系是：AC220V交流电输入整流滤波电路A，整流滤波电路A的输出端连接至MOSFET半桥逆变电路的输入端，MOSFET半桥逆变电路的输出连接至隔离变压器TR1的原边线圈，隔离变压器TR1的副边线圈连接二次整流滤波电路B；逆变直流电源的输出电压通过电压传感器将电压信号Udf连接至多负载解耦及控制电路，多负载解耦及控制电路输出的PWM信号再通过驱动电路1连接至半桥逆变电路的MOSFET门极驱动输入端，同时高频逆变电路输出的电流通过电流传感器将电流信号If连接至多负载解耦及控制电路，对逆变直流电源的输出电压进行调节。
该整流滤波电路A为全桥整流滤波电路；
该MOSFET半桥逆变电路由高频电容C1、C2和MOSFET管Q1、Q2组成；它们之间的关系是：Q1的源极与Q2的漏极串联，再与串联后的C1和C2并联组成半桥逆变电路，然后半桥逆变电路中的Q1漏极的一端连接至整流滤波电路A输出的正极，Q2源极的一端在连接至整流滤波电路A输出的负极；该高频电容C1、C2为高频薄膜电容；该MOSFET管Q1、Q2为N沟道MOSFET，比如FQA11N90C；
该隔离变压器TR1由纳米晶铁芯绕制成的高频降压变压器；
该二次整流滤波电路B包括快恢复二极管组成的全波整流电路B、滤波电感L1和电容C3等。它们之间的关系是：隔离变压器TR1的输出连接至全波整流电路B变换成直流电输出，该输出再连接至滤波电感L1和电容C3进行滤波，得到稳定的直流电压输出；该全波整流电路B采用快恢复二极管模块；该滤波电感L1高频电感；该电容C3高频薄膜电容；
该驱动电路1采用集成光耦隔离驱动电路，比如FOD3182；
该电压传感器采用的是霍尔电压传感器(比如LEM公司的LV25-P)；
该电流传感器采用的是电流互感器(比如CHG-200)；
该多负载解耦及控制电路包括PWM发生电路、内环PID调节电路、外环PID调节电路和整流滤波电路C。其间关系是：高频逆变电路输出的电流信号If连接至整流滤波电路C，整流滤波电路C的输出Idf与设定的高频逆变电路的输出电流值Idg再连接至外环PID调节电路，外环PID调节电路的输出信号Udg作为逆变直流电源输出电压给定值连接至内环PID调节电路，同时逆变直流电源输出电压的反馈信号Udf也连接至内环PID调节电路，内环PID调节电路的输出连接至PWM发生电路，PWM发生电路的输出通过驱动电路1后连接至逆变直流电源的功率开关MOSFET，调节逆变直流电源的输出电压来保证原边线圈的输入电流不变，从而保证了原边线圈内部的电磁场恒定，使得负载数量及其充电电流变化不会影响各个负载的充电状态。
该PWM发生电路采用的是PWM波形产生集成电路SG2525A；
该内环PID调节电路是由运算放大器、电容和电阻等构成的比例、积分和微分闭环负反馈调节路，用来调节逆变直流电源的输出电压；
该外环PID调节电路是由运算放大器、电容和电阻等构成的比例、积分和微分闭环负反馈调节路，用来调节高频逆变电路的输出电流；
该整流滤波电路C是由快恢复二极管、高频电容构成整流滤波电路，用来将高频逆变电路输出的电流反馈信号If整流滤波变换成直流电流信号Idf；
所述的高频逆变电路由MOSFET全桥逆变电路、驱动电路2和谐振频率自动跟踪电路等组成。它们之间的位置连接关系是：逆变直流电源的输出连接至高频逆变电路的全桥逆变电路的输入端，全桥逆变电路的输出连接至原边补偿网络；高频逆变电路输出的电流信号If与电压信号Uf一起连接至谐振频率自动跟踪电路，谐振频率自动跟踪电路的输出再通过驱动电路2连接至全桥逆变电路的MOSFET功率开关管的门极输入端。该谐振频率自动跟踪电路包括电流整形电路A、电压整形电路B、相位差检测电路、相位关系检测电路、延时电路、相位后置处理电路、PID调节电路和SG2525A PWM产生电路。其间关系是：全桥逆变电路输出的电流信号If与电压信号Uf分别连接至电流整形电路A和电压整形电路B，电流整形电路A的输出信号Ia再连接至相位差检测电路和相位关系检测电路，同时电压整形电路B的输出信号Ua连接至相位差检测电路和延时电路，延时电路输出信号再连接至相位关系检测电路；相位差检测电路输出的相位差信号Δθ与相位关系检测电路输出的相位选择信号一起连接至相位后置处理电路，相位后置处理电路的输出再连接至PID调节电路，PID调节电路的输出再连接PWM产生电路SG2525A的频率调节输入端，对其输出的PWM脉冲的频率进行调节，从而实现高频逆变电路谐振频率的自动跟踪。
该驱动电路2采用集成光耦隔离驱动电路，比如FOD3182；
该电流整形电路A由电压比较器(比如LM293)组成，将电流信号If变换成同频率的方波信号；
该电压整形电路B由电压比较器(比如LM293)组成，将电压信号Uf变换成同频率的方波信号；
该相位差检测电路由与非门逻辑电路(比如CD4011)组成，通过逻辑判断检测出电流信号Ia和电压信号Ua之间的相位差信号；
该相位关系检测电路由与非门逻辑电路(比如CD4013)组成，用来检测电流信号Ia和电压信号Ua之间的超前或滞后关系；
该延时电路由电阻和电容组成，实现对电压信号Ua的延时；
该相位后置处理电路主要由多路选择开关电路(比如CD4053)组成，通过相位选择信号选择正或负的相位误差信号输入PID调节电路；
该PID调节电路主要由运算放大器构成比例、积分和微分调节电路，根据输入的相位误差信号进行比例、积分和微分运算，其输出连接至SG2525A PWM产生电路，调节输出PWM波形的频率；
该SG2525A PWM产生电路采用PWM波形产生集成电路SG2525A，用来产生频率可调节的PWM波形。
所述的原边补偿网络由多个CBB高频电容串并联构成。
所述的松耦合变压器包括原边线圈和复数个副边线圈；该原边线圈由一对及复数对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的矩形及其他形状的线圈组合而成，在线圈 内部提供三维均匀的电磁场；原边线圈外部安装有铁磁材料薄层，有效屏蔽原边线圈泄漏的电磁场，减小电磁场的对外辐射；该副边线圈为一个矩形及任意形状的复数匝线圈，或者由复数个线圈串联或并联组合而成。
所述的原边线圈外部安装的铁磁材料薄层由铁氧体粉末压制而成，具有高导磁性能，有效屏蔽原边线圈对外辐射的电磁场。
所述的副边补偿网络由多个CBB高频电容串并联构成。
所述的输出调节电路包括整流滤波电路D、Buck斩波电路、驱动电路3和输出特性控制电路等。它们之间的位置连接关系是：副边线圈的输出连接至副边补偿网络后再连接至整流滤波电路D，整流滤波电路D的输出连接至Buck斩波电路，Buck斩波电路的输出再连接至负载；Buck斩波电路输出的电压和电流信号连接至输出特性控制电路，其输出再经驱动电路3后连接至Buck斩波电路的MOSFET功率开关管的门极输入端。
该整流滤波电路D为全桥整流滤波电路，将副边线圈感应耦合的交流电压整流为直流电压；
该Buck斩波电路由MOSFET开关管Q7、快恢复二极管D5、电感L2和滤波电容C7组成，用来调节输出电路的输出特性，比如实现恒压限流的输出特性；其间的关系是：整流滤波电路D输出的正极连接至MOSFET开关管Q7的漏极，Q7的源极再依次连接至电感L2和滤波电容C7进行滤波，电容C7的另一端连接在整流滤波电路D输出的负极；快恢复二极管D5的阴极连接在Q7的源极，D5的阳极连接至整流滤波电路D输出的负极；该MOSFET开关管Q7为N沟道MOSFET，比如IRF640；该快恢复二极管D5在Q7关断时，对输出回路进行续流；该电感L2和滤波电容C7组成滤波电路，对输出的电压进行滤波。
该驱动电路3采用集成光耦隔离驱动电路，比如FOD3182。
该输出特性控制电路由PWM产生电路、PID调节电路组成，用来对输出电压Uoutf和输出电流Ioutf的调节；其间的关系是：输出电压信号Uoutf和输出电流信号Iout连接至PID调节电路进行误差计算放大，其输出再连接至PWM产生电路对PWM波形的脉冲宽度进行调节，从而实现输出电压和输出电流的调节。该PWM产生电路采用PWM波形产生集成电路SG2525A；该PID调节电路由运算放大器、电容和电阻等构成的比例、积分和微分闭环负反馈调节路。
3、优点及功效：由本发明提供的上述技术方案可以看出，本发明所述的多手机可移动三维无线充电装置由电源输入、逆变直流电源、高频逆变电路、原边补偿网络、原边线圈、副边线圈、副边补偿网络、输出调节电路和手机或手机电池负载等组成，能够在原边线圈内部的三维空间提供均匀电磁场，可同时向线圈内任意位置的多个手机进行无线充电，特别适合车载移动情况下手机充电，也适合各类Pad及由充电电池驱动的电动玩具的充电。
附图说明
图1为本发明的多手机可移动三维无线充电装置的系统构成示意图。
图2为本发明中原边线圈的驱动电路及控制电路的工作线路图。
图3为本发明中原边线圈的结构示意图。
图4为本发明中副边线圈输出主电路及输出特性控制电路的工作线路图。
图5为本发明中多负载解耦及控制电路的工作线路框图。
图6为本发明中高频逆变电路谐振频率自动跟踪电路的工作线路框图。
图7为本发明中输出特性示意图。
图中序号代号符号说明如下：
100为电源输入；
101为逆变直流电源；
102为高频逆变电路；
103为原边补偿网络；
104为松耦合变压器的原边线圈；
105为松耦合变压器的副边线圈；
106为副边补偿网络；
107为输出调节电路；
108为手机或手机电池负载；
201为整流滤波电路A；
202为MOSFET半桥逆变电路；
203为隔离变压器；
204为二次整流滤波电路B；
205为驱动电路1；
206为多负载解耦及控制电路；
207为全桥逆变主电路；
208为驱动电路2；
209为谐振频率自动跟踪电路；
401为整流滤波电路D；
402为Buck斩波电路；
403为驱动电路3；
404为输出特性控制电路；
501为PWM发生电路；
502为内环PID调节电路；
503为外环PID调节电路；
504为整流滤波电路C；
601为电流整形电路A；
602为相位差检测电路；
603为相位后置处理电路；
604为PID调节电路；
605为相位关系检测电路；
606为电压整形电路B；
607为延时电路；
608为SG2525A；
MOSFET为金属氧化物半导体场效应晶体；
PWM为脉冲宽度调节；
TR1为高频变压器的序号；
Q为MOSFET管的序号。
具体实施方式
本发明一种多手机可移动三维无线充电装置，其具体实施方式是：
所述的一种多手机可移动三维无线充电装置包括：
参见图1所示，所述的多手机可移动三维无线充电装置由电源输入100、逆变直流电源101、高频逆变电路102、原边补偿网络103、松耦合变压器的原边线圈104、松耦合变压器的副边线圈105、副边补偿网络106、输出调节电路107、手机或手机电池负载108连接而成，其中，副边线圈105放置在原边线圈104中通过电磁耦合拾取能量。
参见图2所示，所述原边线圈的驱动电路及控制电路主要由整流滤波电路A201、MOSFET半桥逆变电路202、隔离变压器203、二次整流滤波电路B204、驱动电路1 205、多负载解耦及控制电路206、全桥逆变主电路207、驱动电路2 208、谐振频率自动跟踪电路209连接而成。
参见图3所示，所述原边线圈基于Helmholtz线圈的工作原理，由一对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈组成；原边线圈外部安装由铁磁材料薄层，该铁磁材料薄层由铁氧体粉末压制而成，具有高导磁性能，有效屏蔽原边线圈的电磁场，减小电磁场的对外辐射。
参见图4所示，所述输出调节电路由整流滤波电路D 401、Buck斩波电路402、驱动电路3 403、输出特性控制电路404连接而成。
参见图5所示，所述的多负载解耦及控制电路206主要由PWM发生电路501、内环PID调节电路502、外环PID调节电路503、整流滤波电路C 504连接而成。
参见图6所示，所述谐振频率自动跟踪电路209由电流整形电路A 601、相位差检测电路602、相位后置处理电路603、PID调节电路604、相位关系检测电路605、电压整形电路B606、延时电路607、SG2525A 608等连接而成。
参见图7所示，所述装置的输出特性为恒压限流输出特性。
所述的多手机可移动三维无线充电装置可在原边线圈内部的三维空间提供均匀电磁场，手机或电池可以放在线圈内部任意位置充电，特别适合车载移动情况下手机或电池充电。
所述的多手机可移动三维无线充电装置能够同时向线圈内任意位置的多个手机或电池进行无线充电。
所述的多手机可移动三维无线充电装置采用逆变直流电源与高频逆变电路串联的主电路拓扑结构，并设计了多负载解耦及控制电路，通过调节逆变直流电源的输出电压来保证原边线圈的输入电流不变，从而保证了原边线圈内的电磁场恒定，使得手机或手机电池的数量及其充电电流变化不会影响各个负载的充电状态。
所述的多手机可移动三维无线充电装置设计了一种谐振频率自动跟踪技术，能够实现原边线圈及其补偿网络谐振频率的自动跟踪，可以实现原边线圈输出功率的高效无线传输。
所述的多手机可移动三维无线充电装置在原边线圈外部安装由铁磁材料薄层，可以有效屏蔽线圈的电磁场，减小电磁场的对外辐射。
本发明针对手机或电池无线充电的需要，提供了一种多手机可移动三维无线充电装置，能够在原边线圈内部的三维空间提供均匀电磁场，可同时向线圈内任意位置的多个手机进行无线充电，特别适合车载移动情况下手机充电；而且具有多负载解耦及控制、谐振频率自动跟踪，以及电磁屏蔽等功能。
就本发明而言，包括电源输入100、逆变直流电源101、高频逆变电路102、原边补偿网络103、松耦合变压器的原边线圈104、松耦合变压器的副边线圈105、副边补偿网络106、输出调节电路107、手机或手机电池负载108等。电源输入100经逆变直流电源101后，变成电压可调的直流电压源输出，然后输入高频逆变电路102再次变换成高频逆变交流方波，该高频逆变交流方波再输入由原边补偿网络103和原边线圈104组成的串联谐振电路产生谐振，在原边线圈104内部产生均匀的交变电磁场。副边线圈105与副边补偿网络串联构成副边谐振电路，且具有与原边谐振电路相同的谐振频率；当副边线圈105放置在原边线圈104中通过电磁谐振耦合拾取能量，并将感应电能输入输出调节电路107，实现恒压限流特性的输出，从而实现手机或手机电池负载的安全可靠地充电。
电源输入100可以为AC220V交流电输入，也可以是+12V车载电源。
逆变直流电源101包括整流滤波电路A 201、MOSFET半桥逆变电路202、隔离变压器203、二次整流滤波电路B 204、驱动电路1 205和多负载解耦及控制电路206等。其中，多负载解耦及控制电路206包括PWM发生电路501、内环PID调节电路502、外环PID调节电路503和整流滤波电路504等。
AC220V交流电源输入整流滤波电路A 201后变换成约310V的直流电，然后再经由MOSFET构成的半桥逆变电路202变换成约20kHz的交流方波，该交流方波再输入隔离变压器203降压得到同频率的低压交流方波，该低压交流方波再经二次整流滤波电路B 204后变换成电压可调的直流电压输出。调节半桥逆变电路202的MOSFET功率开关的导通和关断时间就可以改变逆变直流电源101输出电压的大小。
通过内环PID调节电路502和外环PID调节电路503结合的双闭环调节电路来控制逆变直流电源101的输出电压，可以实现多负载解耦和控制：当手机或手机电池负载的数目或充电电流变化时，通过调节逆变直流电源101的输出电压来保证原边线圈104的输入电流不变，从而保证了原边线圈104内部的电磁场恒定，使得负载数量及其充电电流变化不会影响各个负载的充电状态。高频逆变电路102输出的电流信号If输入整流滤波电路C504，经整流滤波后变成平均电流信号Idf，然后再与设定的高频逆变电路的输出电流值Idg一起输入外环PID调节电路503，外环PID调节电路503的输出信号Udg作为逆变直流电源的电压给定连接至内环PID调节电路502，同时逆变直流电源输出电压的反馈信号Udf也连接至内环PID调节电路502，内环PID调节电路502的输出连接至PWM发生电路501，调节PWM波形的脉冲宽度，然后调节后的PWM波形再通过驱动电路1后连接至逆变直流电源的MOSFET半桥逆变电路202，对开关管的开通和关断时间进行调节，从而实现逆变直流电源输出电压调节。这样，通过调节逆变直流电源的输出电压来保证原边线圈的输入电流不变，从而保证了原边线圈内部的电磁场恒定，使得负载数量及其充电电流变化不会影响各个负载的充电状态。
高频逆变电路102由全桥逆变主电路207、驱动电路2 208、谐振频率自动跟踪电路209等组成。其中，谐振频率自动跟踪电路209包括电流整形电路A 601、相位差检测电路602、相位后置处理电路603、PID调节电路604、相位关系检测电路605、电压整形电路B606、延时电路607、SG2525A 608等。
高频逆变电路102的主要功能是将逆变直流电源101输入的直流电源通过全桥逆变主电路207再次变换成高频交流方波输出；同时，谐振频率自动跟踪电路209调节全桥逆变电路的工作频率，使其略高于原边补偿网络103与原边线圈104组成的串联电路谐振频率，这样原边线圈104和原边补偿网络103构成的谐振电路就工作在略偏感性的谐振工作状态，不仅实现了谐振大电流的输出，而且使全桥逆变主电路可以安全可靠地工作。
在谐振频率自动跟踪电路209中，高频逆变电路102输出的电流信号If与电压信号Uf分别经电流整形电路A 601和电压整形电路B 606后变换成同频率的方波信号Ia和Ua，二者再输入相位差检测电路602得到电流和电压之间的相位差Δθ。同时，Ua经延时电路607后得到延时后的电压方波信号Uaa，然后Uaa与Ia再输入相位关系检测电路判别是电流超前，还是电压超前。然后，相位差Δθ和相位差选择信号再输入相位后置处理电路603进行相位误差信号判别，其结果(+Δθ或－Δθ)输入PID调节电路604，经调节后输出的电压信号Uout对SG2525A输出的PWM脉冲波形的频率进行动态调节，从而实现高频逆变电路谐振频率的自动跟踪。
当原边线圈104与原边补偿网络103构成的谐振回路工作在略偏感性的准谐振状态时，不仅能够输出较大的原边线圈励磁电流，而且全桥逆变电路中的MOSFET开关管既能实现零电压开通，又能减小其关断损耗。因此，为了提高全桥逆变电路207工作可靠性及传输效率，应确保高频逆变电路102中的全桥逆变电路始终工作在感性状态。在谐振频率自动跟踪电路209中，电压信号Ua通过延时电路607延时一段时间后，再与电流信号Ia进行相位超前(滞后)的判断，这样就使得实际跟踪的是延时后的电压信号Uaa。因此，当频率跟踪电路进入锁定状态时，延时后的电压信号Uaa与电流信号Ia之间就不存在相位差了，然而实际上逆变器负载两端的电压信号则略超前于电流信号，从而实现了略偏感性的准谐振频率自动跟踪。
原边补偿网络103采用多个CBB高频电容串并联而成，然后与原边线圈104串联组成串联谐振电路，连接在高频逆变电路102的输出端，作为其串联谐振负载。
原边线圈104是基于Helmholtz线圈的基本原理，由一对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈组成，并对线圈的匝数、高度和厚度进行了数值计算和优化，使得线圈内部的电磁场分布达到最均匀的状态。一种优化的具体实施例的线圈参数为：边长a为200mm，单层线圈，每个线圈的匝数为65匝，线圈高度h为50mm，线圈的中心距d为100mm。此外，原边线圈外部安装由铁磁材料薄层，可以有效屏蔽线圈的电磁场，减小电磁场的对外辐射。
副边线圈105为60mm×60mm矩形线圈，匝数为65匝，放置在原边线圈104中拾取电磁能量，转化为感应电能输出。
副边补偿网络106同样采用多个CBB高频电容串并联而成，然后与副边线圈105串联组成串联谐振电路，其谐振频率与原边串联谐振电路相同。副边串联谐振电路的输出连接至输出调节电路107，为其提供电能输入。
输出调节电路107由整流滤波电路D 401、Buck斩波电路402、驱动电路3 403、输出特性控制电路404连接而成。副边补偿网络106与副边线圈105组成串联谐振电路拾取的电磁能量连接至输出调节电路107的整流滤波电路D 401后变成直流电压，该直流电源再输入Buck斩波电路402进行调节，实现恒压限流输出特性。恒压限流输出特性是这样实现的：输出调节电路107输出的电压信号Uoutf和电流信号Ioutf连接至输出特性调节电路404，实现输出电压和电流的闭环负反馈调节，调节后的PWM信号再经驱动电路3 403控制Buck斩波电路402的MOSFET功率开关管开通和关断的时间，就可以实现恒压限流特性输出。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是多手机可移动三维无线充电装置的系统构成示意图，主要由电源输入100、逆变直流电源101、高频逆变电路102、原边补偿网络103、松耦合变压器的原边线圈104、松耦合变压器的副边线圈105、副边补偿网络106、输出调节电路107、手机或手机电池108等连接而成。
参考图1，电源输入100经逆变直流电源101后，变成电压可调的直流电压源输出，然后输入高频逆变电路102再次变换成高频逆变交流方波，该高频逆变交流方波再输入由原边补偿网络103和原边线圈104组成的串联谐振电路产生谐振，在原边线圈104内部产生均匀的交变电磁场。副边线圈105与副边补偿网络串联构成副边谐振电路，且具有与原边谐振电路相同的谐振频率，副边线圈105放置在原边线圈104中通过电磁谐振耦合拾取能量，并将感应电能输入输出调节电路107，实现恒压限流特性的输出，从而实现手机或手机电池负载的安全可靠地充电。
图2是原边线圈104的驱动电路工作原理图。原边线圈104的驱动电路由电源输入100、逆变直流电源101、高频逆变电路102、原边补偿网络103、松耦合变压器的原边线圈104连接而成。逆变直流电源101包括整流滤波电路A 201、MOSFET半桥逆变电路202、隔离变压器203、二次整流滤波电路B 204、驱动电路1 205和多负载解耦及控制电路206等。高频逆变电路102由全桥逆变主电路207、驱动电路2 208、谐振频率自动跟踪电路209等组成。
参考图2，AC220V交流电源输入整流滤波电路A 201后变换成约310V的直流电，然后再经由MOSFET构成的半桥逆变电路202变换成约20kHz的交流方波，该交流方波再输入隔离变压器203降压得到同频率的低压交流方波，该低压交流方波再经二次整流滤波电路B204后变换成电压可调的直流电压输出。逆变直流电源101的输出连接至高频逆变电路102的输入，通过全桥逆变主电路207再次变换成高频交流方波输出，同时高频逆变电路102的输出电流和电压信号输入谐振频率自动跟踪电路209进行谐振频率的自动调节，其输出通过驱动电路3 208调节全桥逆变电路的工作频率，使其略高于原边补偿网络103与原边线圈104组成的串联电路谐振频率，这样原边线圈104和原边补偿网络103构成的谐振电路就工作在略偏感性的谐振工作状态。
图3是原边线圈104的结构示意图。
参考图3，原边线圈104是基于Helmholtz线圈的基本原理，由一对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈组成，并对线圈的匝数、高度和厚度进行了数值计算和优化，使得线圈内部的电磁场分布达到最均匀的状态。一种优化的具体实施例的线圈参数为：边长a为200mm，单层线圈，每个线圈的匝数为65匝，线圈高度h为50mm，线圈的中心距d为100mm。原边线圈外部安装由铁磁材料薄层，可以有效屏蔽线圈的电磁场，减小电磁场的对外辐射。
图4是输出特性调节电路107的工作原理图。输出特性调节电路107由整流滤波电路D401、Buck斩波电路402、驱动电路3 403、输出特性控制电路404等连接而成。
参考图4，副边补偿网络106与副边线圈105组成串联谐振电路拾取的电磁能量连接至输出调节电路107的整流滤波电路D 401后变成直流电压，该直流电源再输入Buck斩波电路402进行调节，实现恒压限流输出特性。恒压限流输出特性是这样实现的：输出调节电路107输出的电压信号Uoutf和电流信号Ioutf连接至输出特性调节电路404，实现输出电压和电流的闭环负反馈调节，调节后的PWM信号再经驱动电路3 403控制Buck斩波电路402的MOSFET功率开关管开通和关断的时间，就可以实现恒压限流特性输出。
图5是多负载解耦及控制电路的工作原理图。多负载解耦及控制电路206包括PWM发生电路501、内环PID调节电路502、外环PID调节电路503和整流滤波电路504等。
参考图5，高频逆变电路102输出的电流信号If输入整流滤波电路C 504，经整流滤波后变成平均电流信号Idf，然后再与设定的高频逆变电路的输出电流值Idg一起输入外环PID调节电路503，外环PID调节电路503的输出信号Udg作为逆变直流电源的电压给定连接至内环PID调节电路502，同时逆变直流电源输出电压的反馈信号Udf也连接至内环PID调节电路502，内环PID调节电路502的输出连接至PWM发生电路501，调节PWM波形的脉冲宽度，然后调节后的PWM波形再通过驱动电路1后连接至逆变直流电源的MOSFET半桥逆变电路202，对开关管的开通和关断时间进行调节，从而实现逆变直流电源输出电压调节。
图6是谐振频率自动跟踪电路209的工作原理图。谐振频率自动跟踪电路209包括电流整形电路A 601、相位差检测电路602、相位后置处理电路603、PID调节电路604、相位关系检测电路605、电压整形电路B 606、延时电路607、SG2525A 608等。
参考图6，高频逆变电路102输出的电流信号If与电压信号Uf分别经电流整形电路A601和电压整形电路B 606后变换成同频率的方波信号Ia和Ua，二者再输入相位差检测电路602得到电流和电压之间的相位差Δθ。同时，Ua经延时电路607后得到延时后的电压方波信号Uaa，然后Uaa与Ia再输入相位关系检测电路判别是电流超前，还是电压超前。然后，相位差Δθ和相位差选择信号再输入相位后置处理电路603进行相位误差信号判别，其结果(+Δθ或－Δθ)输入PID调节电路604，经调节后输出的电压信号Uout对SG2525A输出的PWM脉冲波形的频率进行动态调节，从而实现谐振频率的自动跟踪。
图7是输出调节电路107的输出特性示意图。
参考图7，通过调节电路107的输出电压和输出电流的闭环负反馈调节，实现了输出调节电路的恒压限流特性的输出。
本发明所述的多手机可移动三维无线充电装置由电源输入100、逆变直流电源101、高频逆变电路102、原边补偿网络103、松耦合变压器的原边线圈104、松耦合变压器的副边线圈105、副边补偿网络106、输出调节电路107、手机或手机手机电池负载108等组成，能够在原边线圈内部的三维空间提供均匀电磁场，可同时向线圈内任意位置的多个手机进行无线充电，特别适合车载移动情况下手机充电；而且具有多负载解耦及控制、谐振频率自动跟踪，以及电磁屏蔽等功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多手机可移动三维无线充电装置，其特征在于：它包括：电源输入、逆变直流电源、高频逆变电路、原边补偿网络、由原边线圈即发射线圈和副边线圈即接收线圈组成的松耦合变压器、副边补偿网络、输出调节电路；它们之间的位置连接关系是：该电源输入连接至逆变直流电源，逆变直流电源的输出再连接至高频逆变电路，高频逆变电路的输出连接至原边补偿网络，然后再连接至松耦合变压器的原边线圈；该松耦合变压器的副边线圈放置在原边线圈中，其输出连接至副边补偿网络，然后再连接至输出调节电路，而输出调节电路的输出再连接至负载；
所述的逆变直流电源包括整流滤波电路A、MOSFET半桥逆变电路、隔离变压器TR1、二次整流滤波电路B、驱动电路1和多负载解耦及控制电路；它们之间的位置连接关系是：AC220V交流电输入整流滤波电路A，整流滤波电路A的输出端连接至MOSFET半桥逆变电路的输入端，MOSFET半桥逆变电路的输出连接至隔离变压器TR1的原边线圈，隔离变压器TR1的副边线圈连接二次整流滤波电路B；逆变直流电源的输出电压通过电压传感器将电压信号Udf连接至多负载解耦及控制电路，多负载解耦及控制电路输出的PWM信号再通过驱动电路1连接至半桥逆变电路的MOSFET门极驱动输入端，同时高频逆变电路输出的电流通过电流传感器将电流信号If连接至多负载解耦及控制电路，对逆变直流电源的输出电压进行调节；
所述的多负载解耦及控制电路包括PWM发生电路、内环PID调节电路、外环PID调节电路和整流滤波电路C；该高频逆变电路输出的电流信号If连接至整流滤波电路C，整流滤波电路C的输出Idf与设定的高频逆变电路的输出电流值Idg再连接至外环PID调节电路，外环PID调节电路的输出信号Udg作为逆变直流电源输出电压给定值连接至内环PID调节电路，同时逆变直流电源输出电压的反馈信号Udf也连接至内环PID调节电路，内环PID调节电路的输出连接至PWM发生电路，PWM发生电路的输出通过驱动电路1后连接至逆变直流电源的功率开关MOSFET，调节逆变直流电源的输出电压来保证原边线圈的输入电流不变，从而保证了原边线圈内部的电磁场恒定，使得负载数量及其充电电流变化不会影响各个负载的充电状态；
所述的高频逆变电路由MOSFET全桥逆变电路、驱动电路2和谐振频率自动跟踪电路组成；该逆变直流电源的输出连接至高频逆变电路的全桥逆变电路的输入端，全桥逆变电路的输出连接至原边补偿网络；高频逆变电路输出的电流信号If与电压信号Uf一起连接至谐振频率自动跟踪电路，谐振频率自动跟踪电路的输出再通过驱动电路2连接至全桥逆变电路的MOSFET功率开关管的门极输入端；该谐振频率自动跟踪电路包括电流整形电路A、电压整形电路B、相位差检测电路、相位关系检测电路、延时电路、相位后置处理电路、PID调节电路和SG2525A PWM产生电路；该全桥逆变电路输出的电流信号If与电压信号Uf分别连接至电流整形电路A和电压整形电路B，电流整形电路A的输出信号Ia再连接至相位差检测电路和相位关系检测电路，同时电压整形电路B的输出信号Ua连接至相位差检测电路和延时电路，延时电路输出信号再连接至相位关系检测电路；相位差检测电路输出的相位差信号Δθ与相位关系检测电路输出的相位选择信号一起连接至相位后置处理电路，相位后置处理电路的输出再连接至PID调节电路，PID调节电路的输出再连接SG2525A PWM产生电路的频率调节输入端，对其输出的PWM脉冲的频率进行调节，从而实现高频逆变电路谐振频率的自动跟踪；
所述的松耦合变压器包括原边线圈和复数个副边线圈；该原边线圈由一对或复数对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的矩形线圈组合而成，在线圈内部提供三维均匀的电磁场；原边线圈外部安装有铁磁材料薄层，有效屏蔽原边线圈泄漏的电磁场，减小电磁场的对外辐射；该副边线圈为矩形形状的复数匝线圈，及由复数个线圈串联及并联组合而成；
所述的输出调节电路包括整流滤波电路D、Buck斩波电路、驱动电路3和输出特性控制电路；该副边线圈的输出连接至副边补偿网络后再连接至整流滤波电路D，整流滤波电路D的输出连接至Buck斩波电路，Buck斩波电路的输出再连接至负载；Buck斩波电路输出的电压和电流信号连接至输出特性控制电路，其输出再经驱动电路3后连接至Buck斩波电路的MOSFET功率开关管的门极输入端；
所述的输出特性控制电路由PWM产生电路、PID调节电路组成，用来对输出电压Uoutf和输出电流Ioutf的调节；该输出电压信号Uoutf和输出电流信号Ioutf连接至PID调节电路进行误差计算放大，其输出再连接至PWM产生电路对PWM波形的脉冲宽度进行调节，从而实现输出电压和输出电流的调节。
2.根据权利要求1所述的一种多手机可移动三维无线充电装置，其特征在于：所述的原边线圈外部安装的铁磁材料薄层由铁氧体粉末压制而成，具有高导磁性能，有效屏蔽原边线圈对外辐射的电磁场。
3.根据权利要求1所述的一种多手机可移动三维无线充电装置，其特征在于：所述的电源输入是AC220V交流电输入、+12V车载直流电源和+5V移动直流电源输入中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种多手机可移动三维无线充电装置，其特征在于：所述的原边补偿网络和副边补偿网络均由复数个CBB高频电容串并联构成。
5.根据权利要求1所述的一种多手机可移动三维无线充电装置，其特征在于：所述的逆变直流电源中的隔离变压器TR1是由纳米晶铁芯绕制成的高频降压变压器。
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