CN108448684A - 一种无线充电发射器、接收器及无线充电系统 - Google Patents

一种无线充电发射器、接收器及无线充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线充电技术领域，公开了一种无线充电发射器、接收器及无线充电系统。无线充电发射器包括N个并联的E类功率放大器的E类功率放大器组以及与E类功率放大器组连接的发射匹配网络，无线充电接收器包括E类全波整流模块。本发明的无线充电发射器通过采用包括N个并联的E类功率放大器的E类功率放大器组，能够提高发射功率，降低功率器件应力，减小功率器件尺寸，进而提高可靠性；以及通过增加与E类功率放大器组连接的发射匹配网络，能够减小E类功率放大器之间的干扰、实现阻抗匹配、提高负载变化范围，进而提高无线充电系统的最优效率范围。无线充电接收器通过E类全波整流模块，能够提升无线充电系统的效率、降低谐波。

Description

一种无线充电发射器、接收器及无线充电系统
技术领域
本发明涉及无线充电领域，特别是涉及一种无线充电发射器、接收器及无线充电系统。
背景技术
由于传统Class E类功率放大器具有结构简单，效率高等特点，特别适合用于做为无线充电发射器的功率级。但是，传统Class E和其它拓扑相比，输出相同功率需要更高的输入电压，Vds通常达到3-4倍输入电压，从而导致功率器件应力高、器件体积大、器件容易损坏，进而使得功率放大器的可靠性低。而且，传统Class E只在负载很小的波动范围内才能实现最优效率，Class E的最优效率范围窄。
加之，与传统Class E类功率放大器配合使用的传统的整流电路损耗高、效率低、谐波大，导致接收端效率低，而高速同步整流电路在大电流电路中实现难度大，成本高。
发明内容
本发明实施例提供了一种发射功率较高、应力较低、尺寸较小、可靠性高、最优效率范围较宽以及能够降低谐波的无线充电发射器、接收器及无线充电系统。
为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：
在第一方面，本发明的实施例公开了一种无线充电发射器，包括：
E类功率放大器组，所述E类功率放大器组包括N个并联的E类功率放大器，用于实现直流电转交流电的逆变功能，产生高频信号，其中N为大于1的整数；
发射匹配网络，所述发射匹配网络与所述E类功率放大器组连接，用于实现阻抗匹配。
进一步的，所述无线充电发射器还包括发射主控模块，所述发射主控模块包括：
发射控制器，所述发射控制器用于采集信号，调节所述无线充电发射器的发射功率；
驱动模块，所述驱动模块分别与所述发射控制器和所述E类功率放大器组连接，用于驱动所述E类功率放大器组的开启或关闭。
进一步的，所述无线充电发射器还包括发射模块，所述发射模块包括发射端无线接入点模块以及发射线圈；
所述发射端无线接入点模块包括2.4G通信模块，与所述发射控制器通信连接，用于实现无线数据的通信；
所述发射线圈与所述发射匹配网络连接，用于将所述高频信号转化成高频电磁波辐射出去。
进一步的，所述无线充电发射器还包括至少一个直流电源，所述直流电源与所述E类功率放大器组连接，用于为所述E类功率放大器组提供高压直流电；
所述直流电源的输出电压可调，所述直流电源的输出电压由所述发射控制器控制。
进一步的，所述发射控制器通过不同频率、不同占空比的PWM信号控制所述发射端无线接入点模块、驱动模块和所述直流电源。
进一步的，所述N个并联的E类功率放大器通过所述发射控制器产生的PWM信号实现同步，不同的所述E类功率放大器间通过所述发射匹配网络降低干扰。
在第二方面，本发明的实施例公开了一种无线充电接收器，包括：
接收线圈，所述接收线圈用于接收电磁波，并将所述电磁波转化成高频振动电压；
接收端匹配网络，所述接收端匹配网络与所述接收线圈连接，用于实现阻抗匹配；
E类全波整流模块，所述E类全波整流模块与所述接收端匹配网络连接，用于降低谐波、将所述高频振动电压整流成直流电压。
进一步的，所述无线充电接收器还包括充电模块，所述充电模块包括：
DC/DC模块，所述DC/DC模块与所述E类全波整流模块连接，用于输出稳定的电压；
电池充电管理模块，所述电池充电管理模块与所述DC/DC模块连接，用于对电池快充进行管理；以及
接收控制器，所述接收控制器与所述DC/DC模块连接，用于当检测到所述直流电源的输出电压升高后，控制开启所述DC/DC模块和所述电池充电管理模块。
进一步的，所述无线充电接收器还包括接收端无线接入点模块，所述接收端无线接入点模块包括2.4G通信模块，与所述接收控制器连接，用于无线数据的通信。
在第三方面，本发明的实施例公开了一种无线充电系统，包括：
如上所述的无线充电发射器；
如上所述的无线充电接收器。
本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的无线充电发射器通过采用包括N个并联的E类功率放大器的E类功率放大器组，能够提高发射功率，降低功率器件应力，减小功率器件尺寸，进而提高可靠性；以及通过增加与E类功率放大器组连接的发射匹配网络，能够减小E类功率放大器之间的干扰、实现阻抗匹配、提高负载变化范围，进而提高无线充电系统的最优效率范围。无线充电接收器通过E类全波整流模块，能够提升无线充电系统的效率、降低谐波。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种无线充电系统的原理框图；
图2是本发明另一实施例提供的一种无线充电系统的原理框图；
图3是本发明实施例提供的一种无线充电发射器的原理框图；
图4是本发明另一实施例提供的一种无线充电发射器的原理框图；
图5是本发明实施例提供的一种E类功率放大器组的电路示意图；
图6是本发明实施例提供的一种E类功率放大器组的等效负载图；
图7是本发明实施例提供的一种无线充电接收器的原理框图；
图8是本发明另一实施例提供的一种无线充电接收器的原理框图；
图9是本发明实施例提供的一种E类全波整流模块的等效负载图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种无线充电系统，所述无线充电系统300包括无线充电发射器100和无线充电接收器200。在一些实施例中，所述无线充电系统300还包括显示单元，显示单元可以是LED灯或LCD显示屏，用以显示电源电量的状态、正在充电的状态或充电异常状态等。在本发明实施例中，所述无线充电系统300用于无人机的无线充电，可以理解，所述无线充电系统300还可用于电动汽车、水下舰艇、手机等大、中、小功率等级的电子设备的无线充电。
本发明的无线充电发射器通过采用包括N个并联的E类功率放大器的E类功率放大器组，能够提高发射功率，降低功率器件应力，减小功率器件尺寸，进而提高可靠性；以及通过增加与E类功率放大器组连接的发射匹配网络，能够减小E类功率放大器之间的干扰、实现阻抗匹配、提高负载变化范围，进而提高无线充电系统的最优效率范围。无线充电接收器通过E类全波整流模块，能够提升无线充电系统的效率、降低谐波。
请参阅图3至图6，所述无线充电发射器100包括发射主控模块10、E类功率放大器组20、发射匹配网络30、发射模块40以及至少一个直流电源50。顾名思义，无线充电发射器指的是不依靠电源线的连接，也能够对需要充电的终端设备进行充电，最常用的无线充电技术为基于电磁感应进行电能的传输。
所述发射主控模块10包括发射控制器101和驱动模块102，所述发射控制器101用于采集信号，调节所述无线充电发射器100的发射功率。所述驱动模块102与所述发射控制器101连接，在本实施例中起到低压信号控制高压开关的作用，也即一种采用低压和/或微电流控制高压大负载的开关控制器。在本发明实施例中，所述发射控制器101可产生不同频率、不同占空比的PWM信号，所述不同频率、不同占空比的PWM信号作为所述发射控制器101的其中一种控制方式，用以控制所述无线充电发射器100的全部或部分模块。
所述E类功率放大器组20与所述驱动模块102连接，所述驱动模块102作为驱动E类功率放大器的开关，实现低压信号控制高压信号的作用。所述E类功率放大器组20包括N个并联的E类功率放大器，用于实现直流电转交流电的逆变功能，产生高频信号,其中，N为大于1的整数。由于E类功率放大器和其它拓扑相比，输出相同功率需要更高的输入电压，Vds通常达到3-4倍的输入电压Vin，在本实施例中，采用N个E类功率放大器并联的方式来提高所述无线充电发射器100的发射功率，且由于采用较小的输入电压Vin，使得功率器件的电压和电流应力较低、器件的体积减小、不容易损坏，从而提高了系统的可靠性。
所述N个并联的E类功率放大器通过所述发射控制器101产生的PWM信号实现同步，不同的所述E类功率放大器间通过发射匹配网络30降低干扰。可以理解，所述PWM信号实现同步的原理为不同的E类功率放大器对应的PWM信号具有相同的时间参考，比如，可以通过多个定时器进行信号同步，还比如，可以通过相同的触发机制实现信号同步，又比如，在通信领域中可以通过各种编码规则实现信号的同步。
所述E类功率放大器组20包括N个并联的E类功率放大器，每一个E类功率放大器对应一个π型滤波器，即所述E类功率放大器组20也包括N个并联的π型滤波器。在一些实施例中，所述E类功率放大器组20有其他的形式的变化和组合，不限于本实施例所公开的具体电路连接。
需要说明的是，本实施例中的E类功率放大器包括电源Vdd、电感LF1、MOS管Q1、电容Cp、电感Lo和电容Co，电源Vdd的负极连接到地，电源Vdd的正极连接电感LF1的一端、电感LF1的另一端与MOS管Q1的D极或S极连接，MOS管Q1的S极或D极与地连接，MOS管Q1的G极和MOS管Q1的S极分别跨接在所述驱动模块102的两端，电容Cp的一端与电感LF1的另一端连接，电容Cp的另一端与地连接，电感Lo的一端与电容Cp的一端连接，电感Lo的另一端与电容Co的一端连接，电容Co的另一端与π型滤波器连接。通过增加电容Cp，使得E类功率放大器更易实现零开关状态，即在功率开关管Q1的端电压下降为零才让功率开关管Q1的电流增加，在电流产生的过程中因为端电压为零，功率开关管Q1的开通损耗为零。
在本发明实施例中，π型滤波器包括电感L1、与电感L1串联连接的电容Cl、与电感L1和电容Cl支路并联的电容Cr，所述电感L1的感量可以根据输出电流的大小和频率的高低选择，在一些实施例中，所述电容Cl和电容Cr可以为可调电容器。π型滤波器一般包括一个电感和两个电容器，其输入和输出均呈现出低阻抗，π型滤波器包括LC和RC两种，在输出电流不大的情况下，可以选择RC组成的π型滤波器。
若Re为等效电阻，通过发射端匹配网络30的补偿，则E类功率放大器的额定负载为Reqo，通过计算可以得到所述E类功率放大器的输出功率Pout＝0.577*(Vdd)2/Reqo,所以，N个并联的所述E类功率放大器的输出功率Po＝N*Pout。
所述发射匹配网络30与所述E类功率放大器组20连接，用于实现阻抗匹配，减小E类功率放大器之间的干扰。信号或电能在传输的过程中，为了实现信号的无反射传输或最大功率传输，要求电路连接实现阻抗匹配。阻抗匹配常用于各级放大电路之间、放大电路与负载之间、信号与传输电路之间、测量仪器与被测电路之间、天线与接收机或发射机与天线之间等等。
所述发射模块40包括发射端无线接入点模块401以及发射线圈402。所述发射端无线接入点模块401与所述发射控制器101通信连接，用于实现无线数据的通信。
在本发明实施例中，所述发射端无线接入点模块401包括2.4G通信模块(即蓝牙模块)，还可以是属于蜂窝网的2/3/4/5G通信模块,或者是属于非蜂窝网的WiFi或Zigbee等通信模块。所述2.4G通信模块为被充电的终端设备与所述发射控制器101之间提供通信链路，并通过所述发射控制器101的控制为终端设备充电，所述发射控制器101控制2.4G通信模块对应的通信芯片的开启或关闭等。
当所述发射端无线接入点模块401不是IC时，可以包括天线、无线接收发射端、无线基带和数据处理器，天线负责无线信号的接收，无线基带和数据处理器负责无线信号的解调、解扰、解扩和解码等，无线接收发射端则负责输出将处理后的信号。
所述发射线圈402与所述发射匹配网络30连接，用于将所述高频信号转化成高频电磁波辐射出去。
在一些实施例中，所述发射主控模块10可采用高频信号产生电路(比如震荡电路)替代，所述E类功率放大器组20和所述发射匹配网络30可采用高频信号放大电路进行替代。由于所述发射匹配网络30与所述发射线圈402之间的电流较大，导致发热量较高，故而，可在所述发射匹配网络30与所述发射线圈402之间增加散热装置(包括散热片、散热风机和液冷散热器等)，用以降低系统的发热，进一步提升充电效率。
所述直流电源50与所述E类功率放大器组20连接，用于为所述E类功率放大器组20提供高压直流电，所述直流电源50的输出电压可调，所述直流电源的输出电压由所述发射控制器101控制。
综上，所述无线充电发射器100的工作过程为：上电后，所述发射控制器101控制所述直流电源40，使之输出一个较低的电压，该电压作为所述E类功率放大器组20的直流输入；同时，所述发射控制器101产生一定频率一定占空比的脉宽调制波(比如6.78mHz占空比50％的PMW信号)，脉宽调制波输入至所述驱动模块102，由所述驱动模块102驱动所述E类功率放大器组20开始工作，所述E类功率放大器组20产生高频信号在所述发射线圈402内部产生高频正弦电流，高频正弦电流产生对应的高频磁场。
本发明的无线充电发射器通过采用包括N个并联的E类功率放大器的E类功率放大器组，能够提高发射功率，降低功率器件应力，减小功率器件尺寸，进而提高可靠性；以及通过增加与E类功率放大器组连接的发射匹配网络，能够减小E类功率放大器之间的干扰、实现阻抗匹配、提高负载变化范围，进而提高无线充电系统的最优效率范围。
请参阅图7至图9，所述无线充电接收器200包括接收线圈601、接收端匹配网络602、E类全波整流模块603、充电模块604和接收端无线接入点模块605。
所述接收线圈601用于接收电磁波，并将所述电磁波转化成高频振动电压，所述接收线圈601与所述发射线圈402采用磁共振耦合。在本发明实施例中，所述接收线圈601与所述发射线圈402的材质为铜，所述接收线圈601与所述发射线圈402的套合方式为平面接触套合、半圆形接触套合或立体插合等，所述接收线圈601与所述发射线圈402的线圈匝数可以相等也可以不等。在一些实施例中，所述发射线圈402的形状可以为正方形、圆形、三角形、椭圆形或不规则外形等，所述发射线圈402可以套合在与之形状相同的导磁平台中。
所述接收端匹配网络602与所述接收线圈601连接，用于实现阻抗匹配。
接收端等效阻抗为时，系统效率最大。其中，Rr是接收线圈601等效电阻，k为耦合系数，Qt,Qr分别为所述发射线圈402和所述接收线圈601的品质因数。
所述E类全波整流模块603与所述接收端匹配网络602连接，用于降低谐波、将所述高频振动电压整流成直流电压。传统的整流电路损耗高，效率低，谐波大，导致接收端效率低，而高速同步整流电路对大电流实现难度大，成本高，采用所述E类全波整流模块603可以实现高效率、低谐波，且成本低，易于实现。
所述E类全波整流模块603输入端等效阻抗Zeqr为：
其中，φrec是电流的初始相位角，D是PWM的占空比，w是角频率，C是二极管的并联电容，Rrec是等效阻抗的实部，Xrec是等效阻抗的虚部。
在一些实施例中，所述E类全波整流模块603包括π型匹配网络，π型匹配网络具有阻抗升降的特点，即源阻抗端口的阻抗可以大于负载阻抗端口的阻抗，也可以小于负载阻抗端口的阻抗。此时，所述E类全波整流模块603输入端等效阻抗Zeqr经过π型动态匹配网络后的等效阻抗ZeqL为：
ReqrL＝real(ZeqrL)
XeqrL＝imag(ZeqrL)
调整π型动态匹配网络的Crr和Crl，使XeqrL≈0。
所述充电模块604包括DC/DC模块6041、电池充电管理模块6042以及接收控制器6043。
所述DC/DC模块6041与所述E类全波整流模块603连接，用于输出稳定的电压。可以理解，所述DC/DC模块6041将所述E类全波整流模块603输出的直流电压进行电压转换(包括升压或降压)后，可以对需要充电的终端设备进行无线充电，所述DC/DC模块6041的目的在于依据不同的需要充电的终端设备的标称电压值得到不同的电压输出，使得所述无线充电接收器200适应不同电压规格的需要充电的终端设备。
所述电池充电管理模块6042与所述DC/DC模块6041连接，用于对电池快充进行管理，所述电池充电管理模块6042的主要功能有：电池物理参数的实时监测，电池状态估计，在线诊断与预警，充、放电控制与预充控制，均衡管理与热管理等。
所述接收控制器6043与所述DC/DC模块6041连接，用于当检测到所述直流电源50的输出电压升高后，控制开启所述DC/DC模块6041和所述电池充电管理模块6042。
所述接收端无线接入点模块605包括2.4G通信模块，与所述接收控制器6043通信连接，用于实现无线数据的通信。
所述接收端无线接入点模块605与所述发射端无线接入点模块401进行无线数据的收发。可以理解，当所述接收端无线接入点模块605包括2.4G通信模块，则所述发射端无线接入点模块401也应当包括2.4G通信模块，即保证所述接收端无线接入点模块605与所述发射端无线接入点模块401的通信频率一致。
综上，所述无线充电接收器200的工作过程为：所述接收线圈601在接收到所述无线充电发射器100的发射功率信号后，此时，所述DC/DC模块6041和所述电池充电管理模块6042不工作，所述接收控制器6043检测当前各部分信号是否正常，如果正常，通过所述接收端无线接入点模块605发送信息至发射端，所述发射端控制器101控制所述直流电源50提高输出电压，所述接收端控制器6043检测到电压抬高后，开启所述DC/DC模块6041和电池充电管理模块6042，进入充电阶段。
本发明的无线充电接收器通过E类全波整流模块，能够提升无线充电系统的效率、降低谐波。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种无线充电发射器，其特征在于，包括：
E类功率放大器组，所述E类功率放大器组包括N个并联的E类功率放大器，用于实现直流电转交流电的逆变功能，产生高频信号，其中N为大于1的整数；
发射匹配网络，所述发射匹配网络与所述E类功率放大器组连接，用于实现阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的无线充电发射器，其特征在于，所述无线充电发射器还包括发射主控模块，所述发射主控模块包括：
发射控制器，所述发射控制器用于采集信号，调节所述无线充电发射器的发射功率；
驱动模块，所述驱动模块分别与所述发射控制器和所述E类功率放大器组连接，用于驱动所述E类功率放大器组的开启或关闭。
3.根据权利要求2所述的无线充电发射器，其特征在于，所述无线充电发射器还包括发射模块，所述发射模块包括发射端无线接入点模块以及发射线圈；
所述发射端无线接入点模块包括2.4G通信模块，与所述发射控制器通信连接，用于实现无线数据的通信；
所述发射线圈与所述发射匹配网络连接，用于将所述高频信号转化成高频电磁波辐射出去。
4.根据权利要求3所述的无线充电发射器，其特征在于，所述无线充电发射器还包括至少一个直流电源，所述直流电源与所述E类功率放大器组连接，用于为所述E类功率放大器组提供高压直流电；
所述直流电源的输出电压可调，所述直流电源的输出电压由所述发射控制器控制。
5.根据权利要求4所述的无线充电发射器，其特征在于，所述发射控制器通过不同频率、不同占空比的PWM信号控制所述发射端无线接入点模块、驱动模块和所述直流电源。
6.根据权利要求5所述的无线充电发射器，其特征在于，所述N个并联的E类功率放大器通过所述发射控制器产生的PWM信号实现同步，不同的所述E类功率放大器间通过所述发射匹配网络降低干扰。
7.一种无线充电接收器，其特征在于，包括：
接收线圈，所述接收线圈用于接收电磁波，并将所述电磁波转化成高频振动电压；
接收端匹配网络，所述接收端匹配网络与所述接收线圈连接，用于实现阻抗匹配；
E类全波整流模块，所述E类全波整流模块与所述接收端匹配网络连接，用于降低谐波、将所述高频振动电压整流成直流电压。
8.根据权利要求7所述的无线充电接收器，其特征在于，所述无线充电接收器还包括充电模块，所述充电模块包括：
DC/DC模块，所述DC/DC模块与所述E类全波整流模块连接，用于输出稳定的电压；
电池充电管理模块，所述电池充电管理模块与所述DC/DC模块连接，用于对电池快充进行管理；以及
接收控制器，所述接收控制器与所述DC/DC模块连接，用于当检测到所述直流电源的输出电压升高后，控制开启所述DC/DC模块和所述电池充电管理模块。
9.根据权利要求8所述的无线充电接收器，其特征在于，所述无线充电接收器还包括接收端无线接入点模块，所述接收端无线接入点模块包括2.4G通信模块，与所述接收控制器连接，用于无线数据的通信。
10.一种无线充电系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-6任一项所述的无线充电发射器；
如权利要求7-9任一项所述的无线充电接收器。
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