CN105703643A - 一种无线输电装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线输电装置和方法，装置包括：第一整流桥输入端和交流电网相连，第一整流桥输出端和浮地降压式变换电路的输入端相连，将电网交流电压转变为直流电压提供给浮地降压式变换电路；降压式变换电路浮地电路包括第一电容、第二电容、第一开关管、二极管和第一电感，第一电容为第一整流桥输出端直流电压滤波，其正端和二极管阴极以及第二电容正端相连，其负端和所述第一开关管源极相连，二极管阳极和第一开关管漏极以及第一电感的一端相连，第二电容和第一电感的另一端相连；第二电容为后级发送端谐振电路提供受控的直流电压，通过控制第一开关管，浮地降压式变换电路将直流电压转换为受控的直流电压。本发明提高无线输电系统效率。

Description

一种无线输电装置和方法
技术领域
本发明涉及电学领域，特别涉及一种无线输电装置和方法。
背景技术
无线输电技术由于其安全、便利等优点正广泛地被应用到各类电子产品中去。现有无线输电技术主要包括磁感应和磁谐振两种方式。这两种无线输电技术传递功率的架构均如图1所示，主要包括将电网交流功率(电网电压vline)转变为发送端直流功率(发送端直流电压Vinv)的AC-DC模块，将发送端直流功率转变为磁场功率的无线输电发送端模块(包含其发送线圈Ltx)，将磁场功率转变为接收端直流功率(接收端直流电压Vrec)的无线输电接收端模块(包含其接收线圈Lrx)，将接收端直流电压Vrec调制为满足电子设备要求的DC-DC模块以及作为终端功率负载的电子设备。
图1所展示的AC-DC模块在实际应用中以外置式电源适配器的形式出现，实现将110Vac或者220Vac的交流电压转变为9Vdc、12Vdc或者24Vdc等固定直流电压的功能。由于外置式电源适配器的安规要求，该适配器往往采用如2所示的Flyback电路，在实现将电网交流电转变为固定直流电的同时利用变压器T提供安全隔离功能。
基于Flyback电路的隔离适配器为了保证一定的功率转换效率(80％～85％)，通常将其最高开关频率设定为65kHz左右，其变压器T体积较大，难以和无线输电发送端模块集成为一个高密度功能模块，以实现去掉外置式电源适配器，简化无线输电系统的目的。
具体来说，如图3所示，基于磁谐振技术的无线输电发送端电路由于其开关管(Q12和Q13)工作频率固定且较高(依据A4WP标准为6.78MHz)，为保证实现Q12和Q13软开关以降低其开关损耗，Q12和Q13的占空比往往固定(通常为50％)，难以通过脉宽调制(PWM)技术实现对无线输电功率大小的控制而采用开关(ON/OFF)控制整个无线输电发送端的方式(即让无线输电发送端工作一段时间，再停止一段时间)调制无线输电功率以满足电子设备负载的功耗要求。
由于无线输电发送端前级Flyback电路在宽输入电压(通常面临的电网交流电压vline范围是85Vac～265Vac)条件下若要同时满足宽输出电压(比如Vinv为5Vdc～36Vdc线性可调)要求，则其功率转换效率难以优化，关键元器件成本(如图2中Q11和D11)会明显增加，所以无线输电发送端的输入电压Vinv是固定的。若Vinv较低，则发送端电流较大，导致发送端功耗明显，温升较高，无线输电功率因此受到限制，同时也影响无线输电的距离；若Vinv较高，虽然无线输电功率和距离均得以增加，但是在无线输电发送端启动瞬间Q12和Q13软开关条件尚未建立，工作在硬开关状态的Q12和Q13电压应力过高，导致正常工作时只需要100V耐压的Q12和Q13为了解决启动问题需要选用150V甚至200V耐压，严重影响Q12和Q13的性能和成本。同时，较高的Vinv需要在ON/OFF控制发送端时将发送端更多地至于OFF状态以降低发送端的轻载和待机功耗，这会降低发送端的动态响应速度。
目前，现有技术中的无线电输电技术存在无线电转换效率和成本的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种无线输电装置和方法。该系统实现提高无线输电系统效率，增加无线输电距离和降低无线输电系统待机功耗。
本发明提供一种无线输电装置，包括：依次级联的整流桥、浮地降压式变换电路和发送端谐振电路，其中，所述第一整流桥输入端和交流电网相连，所述第一整流桥输出端和浮地降压式变换电路的输入端相连，将电网交流电压转变为直流电压提供给所述浮地降压式变换电路；降压式变换电路浮地电路包括第一电容、第二电容、第一开关管、二极管和第一电感，第一电容为第一整流桥输出端直流电压滤波，其正端和二极管阴极以及第二电容正端相连，其负端和所述第一开关管源极相连，二极管阳极和第一开关管漏极以及第一电感的一端相连，第二电容和第一电感的另一端相连；第二电容为后级发送端谐振电路提供受控的直流电压，通过控制第一开关管，浮地降压式变换电路将直流电压转换为受控的直流电压；所述发送端该谐振电路用于将直流电压转变为磁场能量。
进一步地，还包括：无线输电接收端，所述无线输电接收端由第二谐振电容，第二谐振电感，第二整流桥和第四电容构成，所述无线输电接收端，用于接收到的磁场能量转变为直流电压
进一步地，还包括：无线通讯发送端，所述无线通讯发送端具体为带有数模转换器的蓝牙模块，用于将控制信号转变为无线通讯信息。
进一步地，所述发送端谐振电路由第三电容，第四电容，第五电容，第二电感，第三电感，第二开关管，第三开关管，第一谐振电容和第一谐振电感构成，其中第三开关管和第二开关管工作在相同开关频率、占空比50％且互补，第四电容和第五电容用于为第三开关管和第二开关管实现软开关。
进一步地，还包括：无线通讯接收端，所述无线通讯发送端具体为带有数模转换器的蓝牙模块，用于将包含控制信号的无线通讯信息还原为所述控制信号。
进一步地，还包括：运算放大器和直流-直流转换器。
本发明提供一种无线输电方法，包括：
级联浮地降压式变换电路和发送端谐振电路，通过检测无线输电接收端输出电压来反馈控制浮地降压式变换电路输出电压；
在发送端启动和待机模式下，通过降低浮地降压式变换电路输出电压至其最小值。
进一步地，所述通过检测无线输电接收端输出电压来反馈控制浮地降压式变换电路输出电压具体包括：交流电网电压经过第一整流桥整流和降压式变换电路的第一电容滤波后变为直流电压，通过控制第一开关管，浮地降压式变换电路将直流电压转换为受控的直流电压；发送端谐振电路将直流电压转变为磁场能量；无线输电接收端将接收到的磁场能量转变为直流电压，再经由DC-DC装置转换为满足电子设备负载要求的直流电压。
进一步，通过控制第一开关管，浮地降压式变换电路将直流电压转换为受控的直流电压具体包括：第一控制器采样浮地降压式变换电路输出直流电压，当发送端谐振电路启动时将直流电压控制为设定最低电压，或者当检测不到无线通讯发送端信号时，将直流电压控制为设定最低电压。
本发明至少具有以下优点：
本发明缩小无线输电系统体积，提高无线输电系统效率，增加无线输电距离，降低无线输电系统待机功耗，降低无线输电发送端开关管电压应力。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1为现有技术中无线输电技术传递功率的结构示意图。
图2为现有技术中Flyback电路结构示意图。
图3为现有技术中一种基于磁谐振原理的无线输电发送端电路结构示意图。
图4为本发明提供的一种无线输电发送端电路结构示意图。
图5为本发明提供的一种无线输电功率架构结构示意图。
图6为本发明提供的无线输电装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
首先描述一下本发明的主要思想：目前，无线输电发送端模块和接收端模块已经天然地将电网和终端电子设备隔离开来。为防止电磁能量被屏蔽，无线输电发送端模块和接收端模块的外壳均为非导体材质。基于这两点技术基础，本发明提出通过级联发送端谐振电路和如图4所示浮地降压式变换(BUCK)电路构成无线输电发送端模块，该模块完全内置于无线输电发送端装置，通过线缆直接和电网相连，无需连接外置式电源适配器，如图5所示。由于浮地BUCK电路可工作在较高开关频率(如130kHz)，并且无变压器限制，易于小型化，从而可以将图5所示无线输电发送端制作为一个高密度小体积的功能模块，优化无线输电系统，达到改善用户体验的目的。由于浮地BUCK电路优异的调压特性，即使面对宽输入电压条件，也能满足宽输出电压调制要求。基于此，本发明进一步提出通过动态调整图4所示Vinv电压以同时满足1)提高无线输电系统效率；2)增加无线输电距离；3)降低无线输电系统待机功耗以及4)降低无线输电发送端开关管电压应力的目的。
下面进行详细介绍，如图6所示，本发明的一种无线输电装置，包括依次级联的整流桥BR1、浮地BUCK电路和发送端谐振电路，无线通讯发送端，无线通讯接收端，运算放大器和直流-直流(DC-DC)转换器。其中，整流桥输入端和交流电网相连，输出端和浮地BUCK电路的输入端相连，将电网交流电压转变为直流电压提供给所述浮地BUCK电路。浮地BUCK电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一开关管Q1、二极管D1和第一电感L1，第一电容C1为整流桥输出端直流电压滤波，其正端和二极管D1阴极以及第二电容C2正端相连，其负端和所述第一开关管Q1源极相连，二极管D1阳极和第一开关管漏极以及第一电感L1的一端相连，第二电容C2和第一电感L1的另一端相连。第二电容C2为后级发送端谐振电路提供受控的直流电压Vinv。通过控制第一开关管Q1，浮地BUCK电路将直流电压Vmain转换为受控的直流电压Vinv。需要说明的是：第二电容C2和第一电容C1的负端并未直接相连，存在电位差，而后级发送端谐振电路的参考地即为所述第二电容的负端，所以后级发送端谐振电路的参考地相对于前级所述浮地BUCK电路的参考地(即所述第一电容的负端)也存在电位差。发送端谐振电路由第三电容C3，第二电感L2，第三电感L3，第二开关管Q2，第三开关管Q3，第四电容C4，第五电容C5，第一谐振电容Ctx和第一谐振电感Ltx构成，其中第三开关管Q3和第二开关管Q2工作在相同开关频率、占空比50％且互补的状态，第四电容C4和第五电容C5帮助第三开关管Q3和第二开关管Q2实现软开关以消除高频(如6.78MHz)开关损耗。该谐振电路将直流电压Vinv转变为磁场能量。无线输电接收端由第二谐振电容Crx，第二谐振电感Lrx，整流桥BR2和第四(滤波)电容C4构成，其中第二谐振电容Crx和第二谐振电感Lrx的谐振频率等于第三开关管Q3或第二开关管Q2的开关频率。无线通讯发送端具体可以为带有数模转换器的蓝牙模块，它可以将所述控制信号Vrec_con转变为无线通讯信息。无线通讯接收端可以为带有数模转换器的蓝牙模块，它可以将包含所述控制信号Vrec_con的无线通讯信息还原为所述控制信号Vrec_con。
基于图6的无线输电装置，本发明实施例还提出了一种无线输电装置的控制方法，包括：级联浮地BUCK电路和发送端谐振电路，通过检测接收端输出电压Vrec来反馈控制浮地BUCK电路输出电压Vinv，从而实现接收端输出电压Vrec在接收端全负载范围内，以及接收端和发送端距离在设计范围内保持稳定的目的。其次，在发送端启动和待机模式下，通过降低浮地BUCK电路输出电压Vinv至其最小值Vinv_min以实现降低发送端开关管电压应力和待机功耗的目的。发送端谐振电路用于将直流电转变为高频(如6.78MHz)磁场能量。
具体来说：85Vac～265Vac的交流电网电压经过整流桥BR1整流和BUCK电路第一电容C1滤波后变为直流电压Vmain。通过控制第一开关管Q1，浮地BUCK电路将直流电压Vmain转换为受控的直流电压Vinv。发送端谐振电路将直流电压Vinv转变为磁场能量。无线输电接收端将接收到的磁场能量转变为直流电压Vrec，再经由DC-DC装置便可转换为满足电子设备负载要求的直流电压Vload。
本发明通过控制直流电压Vrec而非直流电压Vinv，可以消除由于第一谐振电感Ltx和第二谐振电感Lrx相对位置不同造成的直流电压Vrec大幅波动，从而导致的DC-DC装置输出电压Vload难以满足电子设备负载的情况。通过反馈无线输电接收端输出电压Vrec，并且和电压基准Vref比较，继而经过运算放大器放大为一误差控制信号Vrec_con，再通过带有模数转换器的蓝牙模块2转变为无线信号，该无线信号通过带有数模转换器的蓝牙模块1还原为误差控制信号Vrec_con后输入第一控制器Q1形成第一开关管Q1的频率和占空比控制信号以实现。
第一控制器Q1为一个将所述控制信号Vrec_con转变为Q1控制信号的装置。具体来说，第一控制器Q1采样浮地BUCK电路输出直流电压Vinv，当发送端谐振电路启动时将Vinv控制为设定最低电压Vinv_min，或者当检测不到无线通讯发送端信号时也将Vinv控制为设定最低电压Vinv_min；而进入待机状态时将直流电压Vinv控制到其最小值Vinv_min，以防止发送端谐振电路在启动时第二开关管Q2和第四开关管Q4承受过高电压应力而损坏，同时将无线输电发送端电路待机功耗控制到最小。另外，第一控制器Q1设定某一Vinv最大值Vinv_max，当控制信号Vrec_con导致Vinv超过Vinv_max时，第一控制器Q1将输出电压Vinv最大值钳位在Vinv_max，以防止正常工作时第二开关管Q2和第四开关管Q4承受过高电压应力而损坏。
本发明实施例中的浮地降压式变换(BUCK)电路和发送端谐振电路构成的模块化无线输电发送端电路，发送端谐振电路的前级电路不需要隔离，不需要采用外置式电源适配器，可以一体化集成，缩小无线输电系统体积。正因为上述集成，浮地BUCK电路的输出电压在系统正常工作时不需要单独控制，关键在于控制无线输电接收端输出电压以实现虽然无线输电的接收端和发送端相对位置(包含距离远近)发生了变化，但是电子设备负载的供电得以保证，无线输电系统效率得以提高。在启动和待机模式下，浮地BUCK电路的输出不再由无线输电接收端输出电压反馈控制，而是直接控制到某一最小值，从而降低无线输电系统待机功耗，降低无线输电发送端开关管电压应力。在正常工作模式下，浮地BUCK电路的输出设定一个最大钳位电压，以防止正常工作时谐振电路元器件承受过高电压应力而损坏。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种无线输电装置，其特征在于，包括：依次级联的整流桥、浮地降压式变换电路和发送端谐振电路，其中，所述第一整流桥输入端和交流电网相连，所述第一整流桥输出端和浮地降压式变换电路的输入端相连，将电网交流电压转变为直流电压提供给所述浮地降压式变换电路；降压式变换电路浮地电路包括第一电容、第二电容、第一开关管、二极管和第一电感，第一电容为第一整流桥输出端直流电压滤波，其正端和二极管阴极以及第二电容正端相连，其负端和所述第一开关管源极相连，二极管阳极和第一开关管漏极以及第一电感的一端相连，第二电容和第一电感的另一端相连；第二电容为后级发送端谐振电路提供受控的直流电压，通过控制第一开关管，浮地降压式变换电路将直流电压转换为受控的直流电压；所述发送端谐振电路用于将直流电压转变为磁场能量。
2.如权利要求1所述的无线输电装置，其特征在于，还包括：无线输电接收端，所述无线输电接收端由第二谐振电容，第二谐振电感，第二整流桥和第四电容构成，所述无线输电接收端，用于接收到的磁场能量转变为直流电压。
3.如权利要求1所述的无线输电装置，其特征在于，还包括：无线通讯发送端，所述无线通讯发送端具体为带有数模转换器的蓝牙模块，用于将控制信号转变为无线通讯信息。
4.如权利要求1所述的无线输电装置，其特征在于，还包括：无线通讯接收端，所述无线通讯发送端具体为带有数模转换器的蓝牙模块，用于将包含控制信号的无线通讯信息还原为所述控制信号。
5.如权利要求1所述的无线输电装置，其特征在于，所述发送端谐振电路由第三电容，第四电容，第五电容，第二电感，第三电感，第二开关管，第三开关管，第一谐振电容和第一谐振电感构成，其中第三开关管和第二开关管工作在相同开关频率、占空比50％且互补，第四电容和第五电容用于为第三开关管和第二开关管实现软开关。
6.如权利要求1所述的无线电输电装置，其特征在于，还包括：运算放大器和直流-直流转换器。
7.一种无线输电方法，其特征在于，包括：
级联浮地降压式变换电路和发送端谐振电路，通过检测无线输电接收端输出电压来反馈控制浮地降压式变换电路输出电压；
在发送端启动和待机模式下，通过降低浮地降压式变换电路输出电压至其最小值。
8.如权利要求7的方法，其特征在于，所述通过检测无线输电接收端输出电压来反馈控制浮地降压式变换电路输出电压具体包括：
交流电网电压经过第一整流桥整流和降压式变换电路的第一电容滤波后变为直流电压，通过控制第一开关管，浮地降压式变换电路将直流电压转换为受控的直流电压；
发送端谐振电路将直流电压转变为磁场能量；
无线输电接收端将接收到的磁场能量转变为直流电压，再经由DC-DC装置转换为满足电子设备负载要求的直流电压。
9.如权利要求8的方法，其特征在于，所述通过控制第一开关管，浮地降压式变换电路将直流电压转换为受控的直流电压具体包括：第一控制器采样浮地降压式变换电路输出直流电压，当发送端谐振电路启动时将直流电压控制为设定最低电压，或者当检测不到无线通讯发送端信号时，将直流电压控制为设定最低电压。
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