CN106787265A - 一种无线充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线充电装置，其中发射装置包括发射端谐振电路、发射端信号处理电路和发射端单片机；发射端谐振电路还用于发射指令信号和接收响应信号；发射端信号处理电路对接收的所述响应信号进行解调得到原始响应信号；发射端单片机还根据原始指令信号对其输出的所述PWM载波信号进行调制；接收装置包括接收端谐振电路、接收端信号处理电路和接收端单片机；接收端谐振电路还用于接收指令信号和发射响应信号；接收端信号处理电路对接收的所述指令信号进行解调得到原始指令信号；接收端单片机还根据原始响应信号对其输出的PWM载波信号进行调制。本发明能够低成本实现无线充电，并且在充电的同时实现发射端和接收端之间相互的数据通信。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种无线充电装置。
背景技术
无线充电技术是通过非接触的方式，发射端将电能发射到邻近的接收端，并可由发射端和接收端之间的通信实现一定程度的过程控制。目前无线充电技术已经应用于手机、电动牙刷、汽车等领域。无线充电技术可以节省有线方式的导线材料成本，非接触方式还可减少强电击穿的风险，增加使用安全度。
无线充电技术可分为两类：一类是磁耦合模式，根据楞次定律，线圈与线圈之间的磁通量变化后，在次级端产生感应电压(与变压器工作方式类似)；一类是电磁谐振模式，发射端将电磁波能量谐振发射后，在接收端通过电磁谐振取出能量(与收音机接收类似)。前者的耦合更紧密，传播路径很短，但能量传递效率高；后者的耦合相当松散，能量传递效率低，但胜在距离远些。
目前国际上有两个充电标准，一个是WPC(Wireless Power Consortium)的Qi标准，另一个是A4WP(Alliance for Wireless Power)的WPT(Wireless Power Transfer)标准。Qi标准使用的是磁耦合模式，发射端和接收端之间采取紧耦合技术，充电距离小些，但是传输能量更大些；A4WP使用的是电磁谐振模式，发射与接收之间采取松耦合技术，充电距离长些，接收端的空间分布可以更随意，但是充电能量则小些。然而，现有技术中，支持A4WP的方案很少，支持Qi标准的芯片也不多见，且无论是采用A4WP还是Qi标准，成本都比较昂贵。
除了上述两家之外，现有技术中另有一些设计简单的无线充电方案，有磁耦合模式的，也有电磁谐振模式的。不过，这些方案普遍只能简单地进行无线充电，发射端与接收端之间并不能进行通信，因此缺乏通信控制手段，导致无线充电的过程缺乏灵活度，还可能造成功率的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种无线充电装置，能够低成本实现无线充电，并且可以在充电的同时实现发射端和接收端之间相互的数据通信。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种无线充电装置，包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括发射端谐振电路、发射端信号处理电路和发射端单片机；所述发射端谐振电路用于向所述接收装置发射电能；所述发射端谐振电路还用于向所述接收装置发射指令信号和接收所述接收装置发射的响应信号；所述发射端信号处理电路对所述发射端谐振电路接收的所述响应信号进行解调得到原始响应信号，并将所述原始响应信号输入所述发射端单片机；所述发射端单片机输出PWM载波信号驱动所述发射端谐振电路发射电能；所述发射端单片机还根据原始指令信号对其输出的所述PWM载波信号进行调制，驱动所述发射端谐振电路发射所述指令信号；所述接收装置包括接收端谐振电路、接收端信号处理电路和接收端单片机；所述接收端谐振电路用于接收所述发射装置发射的电能；所述接收端谐振电路还用于接收所述发射装置发射的所述指令信号和向所述发射装置发射所述响应信号；所述接收端信号处理电路对所述接收端谐振电路接收的所述指令信号进行解调得到所述原始指令信号，并将所述原始指令信号输入所述接收端单片机；所述接收端单片机输出PWM载波信号驱动所述接收端谐振电路发射电能；所述接收端单片机还根据所述原始响应信号对其输出的所述PWM载波信号进行调制，驱动所述接收端谐振电路发射所述响应信号。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种无线充电装置采用的是电磁谐振模式，通过所述发射装置的发射端单片机输出的PWM载波信号驱动所述发射端谐振电路将电磁波能量谐振发射到所述接收装置，再由所述接收装置的接收端谐振电路通过电磁谐振取出能量，从而实现无线充电的功能；此外，所述发射装置的发射端单片机还可以根据原始指令信号对其输出的PWM载波信号进行调制，驱动所述发射端谐振电路向所述接收装置发射指令信号；所述接收装置的接收端谐振电路接收到指令信号后，通过所述接收端信号处理电路对接收到的所述指令信号进行解调得到原始指令信号，并将其输入所述接收端单片机；所述接收端单片机根据所述原始指令信号执行相应的操作，然后根据原始响应信号对其输出的PWM载波信号进行调制，驱动所述接收端谐振电路返回响应信号给所述发射装置；所述发射装置的发射端谐振电路接收到所述响应信号后，通过所述发射端信号处理电路对接收到的所述响应信号进行解调得到原始响应信号，并将其输入所述发射端单片机，从而实现通信的功能；通过在所述发射装置和接收装置之间进行数据通讯，可以灵活控制所述发射端谐振电路发射电能，例如控制所述发射装置开始或停止发射电能、持续或间隙发射电能以及控制所述发射装置的发射功率等，从而通过发射端和接收端之间相互的数据通信实现对无线充电过程进行控制，提高了无线充电的灵活度和效率；此外，所述无线充电装置只需要低成本的发射/接收装置电路(采用的都是成本低廉的简单元器件)和一个廉价的单片机即可实现无线充电和通信；因此，本发明实施例提供的一种无线充电装置，既可以实现发射端到接收端的电能传送，又能够在二者之间进行数据通信，实现通信控制，且成本低廉。
进一步地，所述发射端谐振电路包括第一线圈、第一电容、第二电容和第一开关管；所述第一线圈的一端连接第一直流电源，并且通过一第三电容接地；所述第一线圈的另一端连接所述第一开关管的输出端，并且通过并联的所述第一电容和第二电容接地；所述第一线圈的另一端还作为所述发射端谐振电路的信号输出端以输出所述发射端谐振电路接收的所述响应信号，并将所述响应信号输入所述发射端信号处理电路；所述第一开关管的控制端连接一第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端作为所述发射端谐振电路的控制端以输入所述发射端单片机输出的PWM载波信号；所述第一开关管的控制端还通过一第二电阻连接所述第一开关管的公共端；所述第一开关管的公共端接地；所述第一开关管为第一NMOS管，所述第一开关管的控制端、公共端和输出端分别对应所述第一NMOS管的栅极、源极和漏极。
进一步地，所述发射端信号处理电路包括第一比较器、第三电阻、第一二极管、第四电容和第五电容；所述第一比较器的同相输入端通过所述第三电阻连接所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阴极还通过一第四电阻接地；所述第一二极管的阳极连接所述第四电容的一端，所述第四电容的另一端作为所述发射端信号处理电路的信号输入端以输入所述发射端谐振电路接收的所述响应信号；所述第一二极管的阳极还通过一第五电阻接地；所诉第一比较器的同相输入端还通过所述第五电容接地；所述第一比较器的反相输入端通过一第六电阻连接所述第一比较器的正电源输入端，并且通过一第七电阻接地；所述第一比较器的正电源输入端连接第二直流电源，所述第一比较器的负电源输入端接地；所述第一比较器的输出端作为所述发射端信号处理电路的信号输出端以输出所述原始响应信号，并将所述原始响应信号输入所述发射端单片机。
进一步地，所述发射装置还包括AC/DC电路，用于将市电的交流电压转换为给所述发射端谐振电路和发射端信号处理电路供电的直流电压。
进一步地，所述接收端谐振电路包括第二线圈、第六电容、第七电容和第二开关管；所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的一端连接第三直流电源，另一端连接所述第二开关管的输出端和所述接收装置的电能输出端；所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的另一端还作为所述接收端谐振电路的信号输出端以输出所述接收端谐振电路接收的所述指令信号，并将所述指令信号输入所述接收端信号处理电路；所述第二开关管的控制端连接一第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端作为所述接收端谐振电路的控制端以输入所述接收端单片机输出的PWM载波信号；所述第二开关管的控制端还通过一第九电阻连接所述第二开关管的公共端；所述第二开关管的公共端接地；所述第二开关管为第二NMOS管，所述第二开关管的控制端、公共端和输出端分别对应所述第二NMOS管的栅极、源极和漏极。
进一步地，所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的另一端通过一整流电路连接所述接收装置的电能输出端；所述接收端谐振电路接收的所述发射装置发射的电能经所述整流电路整流后输出直流电压。
进一步地，所述整流电路包括第二二极管、第三二极管、第四二极管和第五二极管；所述第二二极管的阳极和所述第三二极管的阴极连接所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的一端；所述第四二极管的阳极和所述第五二极管的阴极连接所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的另一端；所述第三二极管的阳极和所述第五二极管的阳极均接地；所述第二二极管的阴极和所述第四二极管的阴极均连接所述接收装置的电能输出端；所述第二二极管的阴极和所述第四二极管的阴极还连接一第六二极管的阴极，并且通过一第八电容接地；所述第六二极管的阳极接地。
进一步地，所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的一端通过一供电电路连接所述第三直流电源；所述供电电路在所述接收端谐振电路向所述发射装置发射响应信号时，为所述接收端谐振电路供电，并在所述接收端谐振电路接收所述发射装置发射的电能和指令信号时，停止为所述接收端谐振电路供电。
进一步地，所述供电电路包括PNP型三极管和NPN型三极管；所述PNP型三极管的基极连接所述NPN型三极管的集电极，并且通过一第十电阻连接所述第三直流电源；所述PNP型三极管的发射极连接所述第三直流电源；所述PNP型三极管的集电极连接所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的一端；所述NPN型三极管的基极通过一第十一电阻连接所述接收端谐振电路的控制端；所述NPN型三极管的发射极接地。
进一步地，所述接收端信号处理电路包括第二比较器、第十二电阻、第七二极管、第九电容和第十电容；所述第二比较器的同相输入端通过所述第十二电阻连接所述第七二极管的阴极，所述第七二极管的阴极还通过一第十三电阻接地；所述第七二极管的阳极连接所述第九电容的一端，所述第九电容的另一端作为所述接收端信号处理电路的信号输入端以输入所述接收端谐振电路接收的所述指令信号；所述第七二极管的阳极还通过一第十四电阻接地；所诉第二比较器的同相输入端还通过所述第十电容接地；所述第二比较器的反相输入端通过一第十五电阻连接所述第二比较器的正电源输入端，并且通过一第十六电阻接地；所述第二比较器的正电源输入端连接第四直流电源，所述第二比较器的负电源输入端接地；所述第二比较器的输出端作为所述接收端信号处理电路的信号输出端以输出所述原始指令信号，并将所述原始指令信号输入所述接收端单片机。
附图说明
图1是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例的结构方框图；
图2是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例中发射端谐振电路的电路原理图；
图3是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例中发射端信号处理电路的电路原理图；
图4是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例中接收端谐振电路的电路方框图；
图5是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例中接收端谐振电路的电路原理图；
图6是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例中接收端信号处理电路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，其是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例的结构方框图。
本发明实施例提供的一种无线充电装置1包括发射装置2和接收装置3；所述无线充电装置1的发射装置2和接收装置3分别设置于上下两个可分离的结构件之中，即所述发射装置2设置于充电装置中，所述接收装置3设置于待充电装置中(例如发射装置2和接收装置3分别设置于电动牙刷充电器和电动牙刷中)。
其中，所述发射装置2包括发射端谐振电路4、发射端信号处理电路5、发射端单片机6和AC/DC电路7；所述AC/DC电路7的输出端连接所述发射端谐振电路4和发射端信号处理电路5的电源端，用于将市电的交流电压转换为给所述发射端谐振电路4和发射端信号处理电路5供电的直流电压(例如将市电220V交流电经过AC/DC电路转换之后变成5V电压)；所述发射端谐振电路4用于向所述接收装置3发射电能；所述发射端谐振电路4还用于向所述接收装置3发射指令信号和接收所述接收装置3发射的响应信号；所述发射端谐振电路4的信号输出端连接所述发射端信号处理电路5的信号输入端，所述发射端信号处理电路5的信号输出端连接所述发射端单片机6的信号输入端，所述发射端信号处理电路5对所述发射端谐振电路4接收的所述响应信号进行解调得到原始响应信号，并将所述原始响应信号输入所述发射端单片机6；所述发射端单片机6的信号输出端连接所述发射端谐振电路4的控制端，所述发射端单片机6输出PWM载波信号驱动所述发射端谐振电路4发射电能；所述发射端单片机6还根据原始指令信号对其输出的所述PWM载波信号进行调制，驱动所述发射端谐振电路4发射所述指令信号。
所述接收装置3包括接收端谐振电路8、接收端信号处理电路9和接收端单片机10；所述接收端谐振电路8用于接收所述发射装置2发射的电能；所述接收端谐振电路8还用于接收所述发射装置2发射的所述指令信号和向所述发射装置2发射所述响应信号；所述接收端谐振电路8的信号输出端连接所述接收端信号处理电路9的信号输入端，所述接收端信号处理电路9的信号输出端连接所述接收端单片机10的信号输入端，所述接收端信号处理电路9对所述接收端谐振电路8接收的所述指令信号进行解调得到所述原始指令信号，并将所述原始指令信号输入所述接收端单片机10；所述接收端单片机10的信号输出端连接所述接收端谐振电路8的控制端，所述接收端单片机10输出PWM载波信号驱动所述接收端谐振电路8发射电能；所述接收端单片机10还根据所述原始响应信号对其输出的所述PWM载波信号进行调制，驱动所述接收端谐振电路8发射所述响应信号。
参见图2，其是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例中发射端谐振电路的电路原理图。
所述发射端谐振电路4包括第一线圈L1、第一电容C1、第二电容C2和第一NMOS管Q1；所述第一线圈L1的一端作为所述发射端谐振电路4的电源端VCC1连接所述AC/DC电路7的输出端，并且通过一第三电容C1接地；所述第一线圈L1的另一端连接所述第一NMOS管Q1的漏极，并且通过并联的所述第一电容C1和第二电容C2接地；所述第一线圈L1的另一端还作为所述发射端谐振电路4的信号输出端A_OUT以输出所述发射端谐振电路4接收的所述响应信号，并将所述响应信号输入所述发射端信号处理电路5；所述第一NMOS管Q1的栅极连接一第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端作为所述发射端谐振电路4的控制端A_CON以输入所述发射端单片机6输出的PWM载波信号；所述第一NMOS管Q1的栅极还通过一第二电阻R2连接所述第一NMOS管Q1的源极；所述第一NMOS管Q1的源极接地。
可以理解的，本发明实施例中所述发射端谐振电路4的谐振开关为第一NMOS管Q1，谐振开关第一NMOS管Q1在所述发射端单片机6输出的PWM载波信号的控制作用下开通和关断，从而驱动所述发射端谐振电路4谐振发射电能或指令信号；但是，本发明实施例仅以第一NMOS管Q1为例对技术方案进行描述，本发明提供的一种无线充电装置1中所述发射端谐振电路4中的谐振开关并不限于NMOS管；因此，在其它实施例中所述发射端谐振电路4中的谐振开关还可以采用其他开关管(如PMOS管、IGBT、晶闸管等三端控制器件或其派生器件)，其中，所述第一NMOS管Q1的栅极、源极和漏极分别对应所述第一开关管的控制端、公共端和输出端。
参见图3，其是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例中发射端信号处理电路的电路原理图。
所述发射端信号处理电路5包括第一比较器U1、第三电阻R3、第一二极管D1、第四电容C4和第五电容C5；所述第一比较器U1的同相输入端(即第一比较器U1的脚3)通过所述第三电阻R3连接所述第一二极管D1的阴极，所述第一二极管D1的阴极还通过一第四电阻R4接地；所述第一二极管D1的阳极连接所述第四电容C4的一端，所述第四电容C4的另一端作为所述发射端信号处理电路5的信号输入端B_IN以输入所述发射端谐振电路4接收的所述响应信号；所述第一二极管D1的阳极还通过一第五电阻R5接地；所诉第一比较器U1的同相输入端(即第一比较器U1的脚3)还通过所述第五电容C5接地；所述第一比较器U1的反相输入端(即第一比较器U1的脚2)通过一第六电阻R6连接所述第一比较器U1的正电源输入端(即第一比较器U1的脚8)，并且通过一第七电阻R7接地；所述第一比较器U1的正电源输入端(即第一比较器U1的脚8)作为所述发射端信号处理电路5的电源端VCC2连接所述AC/DC电路7的输出端，所述第一比较器U1的负电源输入端(即第一比较器U1的脚4)接地；所述第一比较器U1的输出端(即第一比较器U1的脚1)作为所述发射端信号处理电路5的信号输出端B_OUT以输出所述原始响应信号，并将所述原始响应信号输入所述发射端单片机6。
可以理解的，本发明实施例中所述发射装置2包括AC/DC电路7，所述发射装置2可以接入220V市电并通过AC/DC电路7将市电的交流电压转换为给所述发射端谐振电路4和发射端信号处理电路5供电的直流电压，因此所述AC/DC电路7的输出端分别连接所述发射端谐振电路4的电源端VCC1和所述发射端信号处理电路5的电源端VCC2；但是，接入市电为所述发射装置2供电只是作为该发明的较优实施方式，在其它实施例中，本发明提供的一种无线充电装置1中所诉发射装置2也可以通过连接上位机或者其他直流电源直接接入直流电压来实现供电；因此，在其它实施例中可以不采用AC/DC电路7。可知的，所述发射端谐振电路4的电源端VCC1(即所述第一线圈L1的一端)也可以直接连接第一直流电源；同理，所述发射端信号处理电路5的电源端VCC2(即所述第一比较器U1的正电源输入端)也可以直接连接第二直流电源。
参见图4，其是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例中接收端谐振电路的电路方框图。
所述接收端谐振电路8包括谐振电路801、整流电路802和供电电路803，所述谐振电路801通过电磁谐振取出所述发射装置2发射的电能，同时接收所述发射装置2发射的指令信号，所述谐振电路801也可以向所述发射装置2谐振发射响应信号；所述谐振电路801接收的所述发射装置2发射的电能经所述整流电路802整流后输出直流电压，输出的直流电压用于为待充电设备充电，同时也可以为所述接收装置3自身供电；所述供电电路803则是在所述谐振电路801向所述发射装置2发射响应信号时，为所述谐振电路801供电，并在所述谐振电路801接收所述发射装置2发射的电能和指令信号时，停止为所述谐振电路801供电，避免供电电源电压影响谐振电路。
参见图5，其是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例中接收端谐振电路的电路原理图。
所述供电电路803包括PNP型三极管Q3和NPN型三极管Q4；所述PNP型三极管Q3的基极分别连接所述NPN型三极管Q4的集电极和一第十电阻R10的一端，所述PNP型三极管Q3的发射极与所述第十电阻R10的另一端连接作为所述接收端谐振电路8的电源端VCC3连接所述第三直流电源；所述NPN型三极管Q4的基极通过一第十一电阻R11连接所述接收端谐振电路8的控制端C_CON；所述NPN型三极管Q4的发射极接地。
所述谐振电路801包括第二线圈L2、第六电容C6、第七电容C7和第二NMOS管Q2；所述第二线圈L2、第六电容C6和第七电容C7并联；所述第二线圈L2、第六电容C6和第七电容C7并联后的一端连接所述PNP型三极管Q3的集电极；所述第二线圈L2、第六电容C6和第七电容C7并联后的另一端连接所述第二NMOS管Q2的漏极；所述第二线圈L2、第六电容C6和第七电容C7并联后的另一端还作为所述接收端谐振电路8的信号输出端C_OUT以输出所述谐振电路801接收的所述指令信号，并将所述指令信号输入所述接收端信号处理电路9；所述第二NMOS管Q2的栅极连接一第八电阻R8的一端，所述第八电阻R8的另一端作为所述接收端谐振电路8的控制端C_CON以输入所述接收端单片机10输出的PWM载波信号；所述第二NMOS管Q2的栅极还通过一第九电阻R9连接所述第二NMOS管Q2的源极；所述第二NMOS管Q2的源极接地。
所述整流电路802包括第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五二极管D5；所述第二二极管D2的阳极和所述第三二极管D3的阴极连接所述第二线圈L2、第六电容C6和第七电容C7并联后的一端；所述第四二极管D4的阳极和所述第五二极管D5的阴极连接所述第二线圈L2、第六电容C6和第七电容C7并联后的另一端；所述第三二极管D3的阳极和所述第五二极管D5的阳极均接地；所述第二二极管D2的阴极和所述第四二极管D4的阴极均连接所述接收装置3的电能输出端OUT；所述第二二极管D2的阴极和所述第四二极管D4的阴极还连接一第六二极管D6的阴极，并且通过一第八电容C8接地；所述第六二极管D6的阳极接地。
可以理解的，本发明实施例中所述谐振电路801的谐振开关为第二NMOS管Q2，谐振开关第二NMOS管Q2在所述接收端单片机10输出的PWM载波信号的控制作用下开通和关断，从而驱动所述谐振电路801谐振接收电能或发射响应信号；但是，本发明实施例仅以第二NMOS管Q2为例对技术方案进行描述，本发明提供的一种无线充电装置1中所述接收端谐振电路8中的谐振开关并不限于NMOS管；因此，在其它实施例中所述接收端谐振电路8中的谐振开关还可以采用其他开关管(如PMOS管、IGBT、晶闸管等三端控制器件或其派生器件)，其中，所述第二NMOS管Q2的栅极、源极和漏极分别对应所述第二开关管的控制端、公共端和输出端。
可以理解的，本发明实施例中所述接收端谐振电路8包括谐振电路801、整流电路802和供电电路803，所述谐振电路801完成了所述接收端谐振电路8的主要功能即接收所述发射装置发射的电能以及接收所述发射装置发射的指令信号和向所述发射装置发射响应信号；而所述整流电路802则是为了更好的输出直流电压给所述待充电设备充电或给所述接收装置3供电，所述供电电路803则是为了保证所述接收端谐振电路8在接收电能和指令信号时不受供电电源电压(即第三直流电源)的影响；所述接收端谐振电路8加入所述整流电路802和供电电路803只是作为该发明的较优实施方式；因此，在其它实施例中可以所述接收端谐振电路8可以只包括谐振电路801，其中所述第二线圈L2、第六电容C6和第七电容C7并联后的一端作为所述接收端谐振电路8的电源端VCC3连接所述第三直流电源；所述第二线圈L2、第六电容C6和第七电容C7并联后的另一端连接所述接收装置3的电能输出端OUT。
参见图6，其是本发明提供的一种无线充电装置的一个较佳实施例中接收端信号处理电路的电路原理图。
所述接收端信号处理电路9包括第二比较器U2、第十二电阻R12、第七二极管D7、第九电容C9和第十电容C10；所述第二比较器U2的同相输入端(即第二比较器U2的脚3)通过所述第十二电阻R12连接所述第七二极管D7的阴极，所述第七二极管D7的阴极还通过一第十三电阻R13接地；所述第七二极管D7的阳极连接所述第九电容C9的一端，所述第九电容C9的另一端作为所述接收端信号处理电路9的信号输入端D_IN以输入所述接收端谐振电路8接收的所述指令信号；所述第七二极管D7的阳极还通过一第十四电阻R14接地；所诉第二比较器U2的同相输入端(即第二比较器U2的脚3)还通过所述第十电容C10接地；所述第二比较器U2的反相输入端(即第二比较器U2的脚2)通过一第十五电阻R15连接所述第二比较器U2的正电源输入端(即第二比较器U2的脚8)，并且通过一第十六电阻R16接地；所述第二比较器U2的正电源输入端(即第二比较器U2的脚8)作为所述接收端信号处理电路9的电源端VCC4连接第四直流电源，所述第二比较器U2的负电源输入端(即第二比较器U2的脚4)接地；所述第二比较器U2的输出端(即第二比较器U2的脚1)作为所述接收端信号处理电路9的信号输出端D_OUT以输出所述原始指令信号，并将所述原始指令信号输入所述接收端单片机10。
下面将结合附图对本发明实施例的工作原理进行详细阐述：
本发明实施例提供的一种无线充电装置1采用的是电磁谐振模式；所述发射装置2通过插头接入市电后，将220V交流电经过所述AC/DC电路7转换为直流电，然后由所述发射端单片机6输出PWM载波信号驱动所述发射端谐振电路4将电磁波能量谐振发射到所述接收装置3，再由所述接收装置3的接收端谐振电路8通过电磁谐振取出能量，从而实现发射端到接收端的电能传送，实现无线充电的功能。
具体实施时，所述第一线圈L1为发射线圈，和所述第一电容C1、第二电容C2构成串联谐振电路，所述第一NMOS管Q1为谐振开关，所述发射端单片机6输出的PWM载波信号控制所述第一NMOS管Q1的开通和关断，从而驱动所述串联谐振电路谐振发射电能，所述发射线圈第一线圈L1将电能发射到接收线圈；所述第二线圈L2为接收线圈，和所述第六电容、第七电容构成并联谐振电路，所述第二NMOS管Q2为谐振开关，所述接收端单片机10输出的PWM载波信号控制所述第二NMOS管Q2的开通和关断，从而驱动所述并联谐振电路谐振接收电能，接收到的电能通过四个二极管(即第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五二极管D5)整流后输出直流电压给待充电装置供电。
此外，所述发射装置2的发射端单片机6还可以根据原始指令信号对其输出的PWM载波信号进行调制，驱动所述发射端谐振电路4向所述接收装置3发射指令信号；所述接收装置3的接收端谐振电路8接收到指令信号后，通过所述接收端信号处理电路9对接收到的所述指令信号进行解调得到原始指令信号，并将其输入所述接收端单片机10；所述接收端单片机10根据所述原始指令信号执行相应的操作，然后根据原始响应信号对其输出的PWM载波信号进行调制，驱动所述接收端谐振电路8返回响应信号给所述发射装置2；所述发射装置2的发射端谐振电路4接收到所述响应信号后，通过所述发射端信号处理电路5对接收到的所述响应信号进行解调得到原始响应信号，并将其输入所述发射端单片机6，从而实现发射端和接收端之间相互的数据通信，实现通信的功能。
具体实施时，以在无线充电的同时，通过持续供电模式和间断供电模式两种充电模式的切换进行数据通信的具体实例为例；所述发射装置2的发射端单片机6上电初始化后，所述接收装置3的接收端单片机10上电初始化前，所述发射装置2通过所述发射端谐振电路4持续向所述接收装置3发射电能，所述发射装置2一直处于持续供电模式。
所述接收装置3的所述接收端单片机10上电初始化后，等待所述发射装置2发射的指令信号；所述发射端单片机6根据原始指令信号对其输出的PWM载波信号进行调制，调制后的PWM载波信号控制所述第一NMOS管Q1，驱动所述发射端谐振电路4向所述接收装置3发射所述指令信号；所述发射装置2在发完所述指令信号后，则在给定的超时时间之内，等待所述接收装置3的响应信号；在此段时间内，所述发射装置2通过所述发射端谐振电路4间歇向所述接收装置3发射电能，同时发射信号、等待信号、接收信号，保证所述接收装置3不会掉电，所述发射装置2一直处于间断供电模式。
所述接收装置3通过所述接收端谐振电路8接收到所述指令信号后，输入所述接收端信号处理电路9，经过所述第九电容C9隔直和所述第七二极管D7检波后，由所述第十二电阻R12和第十电容C10进行滤波，取出信号波形后由第二比较器U2进行判决，得到调制前的原始指令信号，并将所述原始指令信号输入所述接收端单片机10，所述接收端单片机10对所述原始指令信号校验通过后，根据所述原始指令信号执行相应的操作，然后根据原始响应信号对其输出的PWM载波信号进行调制，调制后的PWM载波信号控制所述第二NMOS管Q2，驱动所述接收端谐振电路8返回响应信号给所述发射装置2。
所述发射装置2通过所述发射端谐振电路4接收到所述响应信号后，输入所述发射端信号处理电路5，所述响应信号的解调判决与所述接收装置3相同；如果所述发射装置2在给定的超时时间内成功接收到所述响应信号，则恢复持续供电模式，持续向所述接收装置3发射电能，直到所述发射装置2发射下一个指令信号，再转换成间断供电模式；如果所述发射装置2在设定的超时时间过后还未接收到所述响应信号，则所述发射装置2停止向所述接收装置3发射电能一段时间，直到所述发射装置2再重新发射所述指令信号。实际使用中，本实例中该电路可以在距离1-2cm的距离工作正常。
此外，还可以通过发射装置和接收装置之间相互的数据通信实现对无线充电过程进行控制，例如控制所述发射装置开始或停止发射电能、持续或间隙发射电能(具体如上)以及控制所述发射装置的发射功率等，提高了无线充电的灵活度和效率。
具体实施时，发射装置的发射功率可由下式得到：
其中P为发射功率，L为耦合后发射线圈的电感，Ipeak为发射的峰值电流，f为谐振频率。根据以下(2)-(5)式，
Ipeak＝V*Ton/L (3)
Ton＝D/f (4)
Ipeak＝V*D/(L*f) (5)
可得到如下(6)式：
P＝V2*D2/(2*L*f) (6)
其中V为供电电压，D为谐振开关占空比，Ton为谐振开关的导通时间。
由(6)式可以看出，调节等式右方各个参数可实现输出功率的调整。因此可以通过所述发射端单片机6控制其输出的PWM载波信号，从而控制所述谐振开关第一NMOS管Q1的占空比控制所述发射装置2的发射功率。
综上所述，本发明实施例提供的一种无线充电装置，既可以实现发射端到接收端的电能传送，又能够在二者之间进行数据通信，实现通信控制，且成本低廉。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种无线充电装置，其特征在于，包括发射装置和接收装置；
所述发射装置包括发射端谐振电路、发射端信号处理电路和发射端单片机；
所述发射端谐振电路用于向所述接收装置发射电能；所述发射端谐振电路还用于向所述接收装置发射指令信号和接收所述接收装置发射的响应信号；
所述发射端信号处理电路对所述发射端谐振电路接收的所述响应信号进行解调得到原始响应信号，并将所述原始响应信号输入所述发射端单片机；
所述发射端单片机输出PWM载波信号驱动所述发射端谐振电路发射电能；所述发射端单片机还根据原始指令信号对其输出的所述PWM载波信号进行调制，驱动所述发射端谐振电路发射所述指令信号；
所述接收装置包括接收端谐振电路、接收端信号处理电路和接收端单片机；
所述接收端谐振电路用于接收所述发射装置发射的电能；所述接收端谐振电路还用于接收所述发射装置发射的所述指令信号和向所述发射装置发射所述响应信号；
所述接收端信号处理电路对所述接收端谐振电路接收的所述指令信号进行解调得到所述原始指令信号，并将所述原始指令信号输入所述接收端单片机；
所述接收端单片机输出PWM载波信号驱动所述接收端谐振电路发射电能；所述接收端单片机还根据所述原始响应信号对其输出的所述PWM载波信号进行调制，驱动所述接收端谐振电路发射所述响应信号。
2.如权利要求1所述的一种无线充电装置，其特征在于，所述发射端谐振电路包括第一线圈、第一电容、第二电容和第一开关管；
所述第一线圈的一端连接第一直流电源，并且通过一第三电容接地；所述第一线圈的另一端连接所述第一开关管的输出端，并且通过并联的所述第一电容和第二电容接地；所述第一线圈的另一端还作为所述发射端谐振电路的信号输出端以输出所述发射端谐振电路接收的所述响应信号，并将所述响应信号输入所述发射端信号处理电路；
所述第一开关管的控制端连接一第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端作为所述发射端谐振电路的控制端以输入所述发射端单片机输出的PWM载波信号；所述第一开关管的控制端还通过一第二电阻连接所述第一开关管的公共端；所述第一开关管的公共端接地；
所述第一开关管为第一NMOS管，所述第一开关管的控制端、公共端和输出端分别对应所述第一NMOS管的栅极、源极和漏极。
3.如权利要求1所述的一种无线充电装置，其特征在于，所述发射端信号处理电路包括第一比较器、第三电阻、第一二极管、第四电容和第五电容；
所述第一比较器的同相输入端通过所述第三电阻连接所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阴极还通过一第四电阻接地；所述第一二极管的阳极连接所述第四电容的一端，所述第四电容的另一端作为所述发射端信号处理电路的信号输入端以输入所述发射端谐振电路接收的所述响应信号；所述第一二极管的阳极还通过一第五电阻接地；所诉第一比较器的同相输入端还通过所述第五电容接地；所述第一比较器的反相输入端通过一第六电阻连接所述第一比较器的正电源输入端，并且通过一第七电阻接地；所述第一比较器的正电源输入端连接第二直流电源，所述第一比较器的负电源输入端接地；所述第一比较器的输出端作为所述发射端信号处理电路的信号输出端以输出所述原始响应信号，并将所述原始响应信号输入所述发射端单片机。
4.如权利要求1所述的一种无线充电装置，其特征在于，所述发射装置还包括AC/DC电路，用于将市电的交流电压转换为给所述发射端谐振电路和发射端信号处理电路供电的直流电压。
5.如权利要求1所述的一种无线充电装置，其特征在于，所述接收端谐振电路包括第二线圈、第六电容、第七电容和第二开关管；
所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的一端连接第三直流电源，另一端连接所述第二开关管的输出端和所述接收装置的电能输出端；所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的另一端还作为所述接收端谐振电路的信号输出端以输出所述接收端谐振电路接收的所述指令信号，并将所述指令信号输入所述接收端信号处理电路；
所述第二开关管的控制端连接一第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端作为所述接收端谐振电路的控制端以输入所述接收端单片机输出的PWM载波信号；所述第二开关管的控制端还通过一第九电阻连接所述第二开关管的公共端；所述第二开关管的公共端接地；
所述第二开关管为第二NMOS管，所述第二开关管的控制端、公共端和输出端分别对应所述第二NMOS管的栅极、源极和漏极。
6.如权利要求5所述的一种无线充电装置，其特征在于，所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的另一端通过一整流电路连接所述接收装置的电能输出端；所述接收端谐振电路接收的所述发射装置发射的电能经所述整流电路整流后输出直流电压。
7.如权利要求6所述的一种无线充电装置，其特征在于，所述整流电路包括第二二极管、第三二极管、第四二极管和第五二极管；
所述第二二极管的阳极和所述第三二极管的阴极连接所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的一端；所述第四二极管的阳极和所述第五二极管的阴极连接所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的另一端；所述第三二极管的阳极和所述第五二极管的阳极均接地；所述第二二极管的阴极和所述第四二极管的阴极均连接所述接收装置的电能输出端；
所述第二二极管的阴极和所述第四二极管的阴极还连接一第六二极管的阴极，并且通过一第八电容接地；所述第六二极管的阳极接地。
8.如权利要求5所述的一种无线充电装置，其特征在于，所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的一端通过一供电电路连接所述第三直流电源；所述供电电路在所述接收端谐振电路向所述发射装置发射响应信号时，为所述接收端谐振电路供电，并在所述接收端谐振电路接收所述发射装置发射的电能和指令信号时，停止为所述接收端谐振电路供电。
9.如权利要求8所述的一种无线充电装置，其特征在于，所述供电电路包括PNP型三极管和NPN型三极管；
所述PNP型三极管的基极连接所述NPN型三极管的集电极，并且通过一第十电阻连接所述第三直流电源；所述PNP型三极管的发射极连接所述第三直流电源；所述PNP型三极管的集电极连接所述第二线圈、第六电容和第七电容并联后的一端；
所述NPN型三极管的基极通过一第十一电阻连接所述接收端谐振电路的控制端；所述NPN型三极管的发射极接地。
10.如权利要求1所述的一种无线充电装置，其特征在于，所述接收端信号处理电路包括第二比较器、第十二电阻、第七二极管、第九电容和第十电容；
所述第二比较器的同相输入端通过所述第十二电阻连接所述第七二极管的阴极，所述第七二极管的阴极还通过一第十三电阻接地；所述第七二极管的阳极连接所述第九电容的一端，所述第九电容的另一端作为所述接收端信号处理电路的信号输入端以输入所述接收端谐振电路接收的所述指令信号；所述第七二极管的阳极还通过一第十四电阻接地；所诉第二比较器的同相输入端还通过所述第十电容接地；所述第二比较器的反相输入端通过一第十五电阻连接所述第二比较器的正电源输入端，并且通过一第十六电阻接地；所述第二比较器的正电源输入端连接第四直流电源，所述第二比较器的负电源输入端接地；所述第二比较器的输出端作为所述接收端信号处理电路的信号输出端以输出所述原始指令信号，并将所述原始指令信号输入所述接收端单片机。
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