CN108900011B - 带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置，包括电能发射模块、电能接收模块、反馈接收模块、反馈发射模块以及负载模块；其中，电能发射模块与电能接收模块电磁耦合连接，用于给电能接收模块提供交变磁场；电能接收模块分别与反馈发射模块和负载模块连接，用于给负载模块提供电压以及给反馈模块提供待监测电压；反馈发射模块与反馈接收模块通信连接，用于给反馈接收模块发射红外信号；反馈接收模块与电能发射模块连接，用于调整电能发射模块的发射功率。本发明实施例，在无线供电系统中引入了反馈和调节机制，让副边的输出电压稳定在预设值附近非常小的范围内，使无线供电系统的设计和使用更加便捷。
Description
技术领域
本发明属于无线供电领域，具体涉及一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置
背景技术
近年来，无线供电技术在很多领域得以广泛的应用。其中磁耦合无线供电技术是其中发展最快、应用最广的一类。例如为旋转关节等工业设备的供电、恶劣环境下的非接触供电、对手机平板电脑等消费电子类产品的充电等。磁耦合无线供电技术的原理，是将电能转化为交变电流驱动发射线圈，其激发的磁力线跨越空气间隙耦合至副边接收线圈，转换成电能供后续设备使用。若发射线圈和接收线圈直接发生耦合，称为磁感应耦合式无线供电(Inductive Coupled Power Transmission,ICPT)；若在发射和接收端进一步引入一组谐振单元，又发展出磁耦合共振式(Magnetic Resonance Power Transmission,MRPT)无线供电，进一步增加了效率和传输距离。
然而，无论是磁耦合感应还是磁耦合共振式无线供电，其原理决定了副边线圈的感应电压与线圈之间的耦合系数呈反比，而耦合系数又和发射线圈或接收线圈之间的距离、位置密切相关。所以副边的感应电压对线圈相对位置会十分敏感，例如一对直径5厘米感应线圈，它们之间的相对距离从0.5cm增加到2cm时，感应电压会下降5-10倍，这给副边的稳压器设计带来了很大难度，难以适应非常大的电压变化范围。
为了解决这一问题，目前主要有三类技术途径：第一类技术途径是通过机械限位装置，严格限定发射线圈与接收线圈之间的相对位置。这种方式丧失了无线供电的便利性，仅能用于简单的固定式充电器中，例如电动牙刷充电器的底座。第二类技术是采用多组线圈，例如兼容QI标准的手机充电器中，有的就采用了双发射线圈、三发射线圈等结构。当接收线圈水平位置在一定范围内发生变化时，若和某一线圈错位导致耦合系数下降可以通过相邻线圈来补偿，这种方法能够在一定程度上缓解水平位置变化引起的副边电压变化，然而对垂直距离的变化无效，因为垂直距离变化时各发射线圈与接收线圈之间的耦合系数都会同时下降。第三类技术是采用超宽压后端稳压。由于升降压比非常宽(至少需要10倍以上)，需要多级升- 降压稳压电路复合，不仅成本较高，而且在高倍率升/降压模式下电源变换效率也很低。
综上所述，现有技术中的磁耦合式无线供电虽然方便，但是对收发线圈之间的相对位置要求十分苛刻，特别是对线圈之间垂直距离非常敏感，都要求设备放置在相对固定的位置上，不仅降低了便利性也限制了无线供电技术的应用范围。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置及供电方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置，包括电能发射模块、电能接收模块、反馈发射模块、反馈接收模块以及负载模块；其中，
所述电能发射模块与所述电能接收模块电磁耦合连接，用于给所述电能接收模块提供交变磁场；
所述电能接收模块分别与所述反馈发射模块和所述负载模块连接，用于给所述负载模块提供电压以及给所述反馈发射模块提供待监测电压；
所述反馈发射模块与所述反馈接收模块通信连接，用于给所述反馈接收模块发射红外信号；
所述反馈接收模块与所述电能发射模块连接，用于调整所述电能发射模块的发射功率。
在本发明的一个实施例中，所述电能发射模块包括：可调电压源、交流驱动器以及发射线圈；其中，
所述可调电压源、所述交流驱动器、所述发射线圈依次连接；
所述可调电压源的调压控制输入端与所述反馈接收模块的输出端连接，所述发射线圈的磁力线穿过所述电能接收模块与所述电能接收模块电磁耦合连接。
在本发明的一个实施例中，所述可调电压源为同步降压式开关调压电源或升降压式开关调压电源，且具有调压控制输入端。
在本发明的一个实施例中，所述反馈发射模块包括：基准源、分压装置、迟滞比较器、红外发射管；其中，
所述迟滞比较器的反相端与所述分压装置的输出端连接，所述迟滞比较器的同相端与所述基准源的输出端连接，所述迟滞比较器的输出端与所述红外发射管的输入端连接；所述分压装置的输入端与所述电能接收模块连接；所述红外发射管的输出端与所述反馈接收模块的输入端通信连接。
在本发明的一个实施例中，所述反馈接收模块包括：红外接收管和积分器；其中，
所述红外接收管的输出端与所述积分器的输入端连接，所述红外接收管的输入端与所述反馈发射模块的输出端通信连接；所述积分器的输出端与所述电能发射模块中所述可调电压源的调压控制输入端连接。
在本发明的一个实施例中，所述积分器为R-C积分电路。
在本发明的一个实施例中，所述红外接收管位于所述发射线圈的中心位置。
在本发明的一个实施例中，所述电能接收模块包括：接收线圈、整流滤波电路；其中，
所述接收线圈的输出端与所述整流滤波电路的输入端连接，所述接收线圈的输入端与所述电能发射模块的输出端电磁耦合连接；所述整流滤波电路的输出端分别与所述反馈发射模块的输入端、所述负载模块的输入端连接。
在本发明的一个实施例中，所述红外发射管位于所述接收线圈的中心位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明在无线供电系统引入了反馈和调节机制，让副边的输出电压稳定在预设值附近非常小的范围内，使得部分应用场景中可以简化后续的稳压电路，从而提高输出电压的稳定性、简化设计方案。
2.本发明大幅降低了收发线圈相对位置的敏感性，使其位置的摆放更加随意。
3.本发明通过改变交流驱动器的电源电压来调节发射功率，具有很广泛的兼容性，可以很容易实现对绝大部分现有的磁感应式无线供电产品的升级改造。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置的模块示意图；
图2为本发明实施例提供的一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种副边电压反馈的磁耦合无线供电装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置的模块示意图。
一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置，包括电能发射模块 100、电能接收模块200、反馈发射模块300、反馈接收模块400以及负载模块500；其中，
所述电能发射模块100与所述电能接收模块200电磁耦合连接，用于给所述电能接收模块200提供交变磁场；
所述电能接收模块200分别与所述反馈发射模块300和所述负载模块 500连接，用于给所述负载模块500提供电压以及给所述反馈模块300提供待监测电压；
所述反馈发射模块300与所述反馈接收模块400通信连接，用于给所述反馈接收模块400发射红外信号；
所述反馈接收模块400与所述电能发射模块100连接，用于调整所述电能发射模块100的发射功率。
本实施例，在原有磁耦合无线供电装置中的电能发射模块和电能接收模块的基础上，设置了一个反馈接收模块和反馈发射模块，调整发射线圈的发射功率，使接收线圈上始终保持稳定的输出电压。
本发明实施例，通过在磁耦合无线供电装置中设置反馈模块，建立起反馈和调节机制，让副边的输出电压稳定在预设值附近非常小的范围内，大幅降低了收发线圈相对位置的敏感性，使其位置的摆放更加随意。
实施例二
请再次参见图1，同时请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，重点对带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置的结构以及供电原理进行详细描述。
具体地，一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置，包括电能发射模块100、电能接收模块200、反馈发射模块300、反馈接收模块400；其中，
所述电能发射模块100包括：可调电压源101、交流驱动器102以及发射线圈103；其中，
所述可调电压源101的调压控制输入端与所述反馈接收模块400的输出端连接，所述发射线圈103的磁力线穿过所述电能接收模块200与所述电能接收模块200电磁耦合连接。
所述可调电压源101为所述交流驱动器电路102供电。优选地，所述可调电压源101为同步降压式开关调压电源或升降压式开关调压电源，且具有调压控制输入端。
所述交流驱动器102产生的交流电压，激励所述发射线圈103产生交变磁场。优选地，所述交流驱动器102为H桥斩波驱动器、磁耦合谐振驱动器、零电压开关谐振驱动器中的任意一种。
在一个具体实施例中，所述电能发射模块100与所述电能接收模块200 电磁耦合连接，用于给所述电能接收模块200提供交变磁场。
所述电能接收模块200包括：接收线圈201、整流滤波电路202；其中，
所述接收线圈201的输出端与所述整流滤波电路202的输入端连接，所述接收线圈201的输入端与所述发射线圈103的输出端电磁耦合连接，所述整流滤波202的输出端分别与所述反馈接收模块300的输入端、所述负载模块500的输入端连接。
在一个具体实施例中，所述电能接收模块200分别与所述反馈发射模块300和所述负载模块500连接，用于给所述负载模块500提供电压以及给所述反馈发射模块300提供待监测电压。
在一个具体实施例中，所述反馈发射模块300包括：基准源301、分压装置302、迟滞比较器303、红外发射管304；其中，
所述迟滞比较器303的反相端与所述分压装置302的输出端连接，所述迟滞比较器303的同相端与所述基准源301的输出端连接，所述迟滞比较器303的输出端与所述红外发射管304的输入端连接；所述分压装置302 的输入端与所述电能接收模块200连接；所述红外发射管304的输出端与所述反馈接收模块400的输入端通信连接。
优选地，所述红外发射管304位于所述接收线圈201的中心位置。
需要说明的是，在本申请中，所述基准源301为无线供电装置中的反馈系统提供基准电压，使得经过所述分压装置302后的取样电压与所述基准电压通过所述迟滞比较器303进行对比，使得供电装置中的反馈系统可以及时进行调节。优选地，所述基准源301采用1.25V的带隙基准源。
在一个具体实施例中，所述反馈发射模块300与所述反馈接收模块400 通信连接，用于给所述反馈接收模块400发射红外信号，并调整所述电能发射模块100的发射功率。
在一个具体实施例中，所述反馈接收模块400包括：红外接收管401 和积分器402；其中，
所述红外接收管401的输出端与所述积分器402的输入端连接，所述红外接收管401的输入端与所述反馈发射模块300的输出端通信连接；所述积分器402的输出端与所述电能发射模块100中所述可调电压源101的调压控制输入端连接。
优选地，所述红外接收管401位于所述发射线圈103的中心位置。
需要说明的是，将所述红外接收管401和所述红外发射管304分别安装在所述发射线圈103和所述接收线圈201的中心位置，当收发线圈相互靠近时，不仅耦合了磁场能量，还通过线圈中心的红外收发器传递了反馈信号。
优选地，所述积分器402为R-C积分电路。
本装置的工作原理为：当所述无线供电装置开始工作时，所述可调电压源101为所述交流驱动器102电路供电，所述交流驱动器102产生的交流电压，激励所述发射线圈103产生交变磁场，跨过间隙在所述接收线圈 201上产生感应电压，经过所述整流滤波电路202后分为两路，一路为所述负载模块500供电，另一路经过所述分压装置302后获得取样电压，通过所述迟滞比较器303和所述基准源301产生的基准电压进行比较。
若取样电压低于基准电压，说明发射功率不足，此时所述迟滞比较器 303输出高电平，点亮所述红外发射管304，使其发出红外线，跨过间隙让所述红外接收管401输出高电平，经过所述积分器402，被积分后电压逐渐升高，驱动所述可调电压源101逐渐升高电压，所述交流驱动器102发射功率逐渐增大，使副边感应电压逐渐升高。
当取样电压高于基准电压时，说明发射功率过大，此时所述迟滞比较器303输出低电平，所述红外发射管304熄灭，所述红外接收管401输出低电平，使所述积分器402电压逐渐降低，驱动所述可调电压源101逐渐降低电压，所述交流驱动器102发射功率逐渐减小，使副边感应电压逐渐降低。
上述反馈的过程不断交替进行，最终使所述接收线圈201的感应电压维持在设定值附近很小的范围内。
在一个具体实施例中，所述电能接收模块200的输出电压为分压比的倒数与基准电压的乘积。
在一个具体实施例中，所述迟滞比较器303将经过所述整流滤波电路 202的电压信息变为数字量，再通过所述积分器402将所述数字量还原回模拟量；这种方式使无线反馈通道中传输的是二值化数字电平，从而增强了抗干扰能力，使得反馈过程不易受干扰同时也对距离不敏感，且无需传统数字化传输中ADC采样、量化编码等过程。
进一步地，所述迟滞比较器303的回差值范围为50mV～500mV。
本发明实施例通过这种装置及方法，可以达到以下有益效果：
1.本发明实施例通过在无线供电系统中引入反馈和调节机制，使副边的输出电压稳定，简化了无线供电装置的设计。
2.本发明实施例通过这种反馈和调节机制，使得收发线圈的位置摆放可以更加随意，降低了收发线圈的敏感性。
3.本发明实施例的装置中，当接收模块和反馈发射模块从发射器附近移开时，因为红外接收器不再收到红外信号，将会持续输出低电平，通过积分器累积后使可调电源电压降至最低值，发射被关闭，实现了自动休眠的功能。
4.本发明实施例通过这种反馈机制，传递的是二值化的状态，不会随距离改变引起的强度变化，因此反馈信息本身可以可靠无误地跨过距离变化的间隙，而且不需要AD转换、编码解码等等过程，实现非常简单。
5.本发明实施例通过改变交流驱动器的电源电压来调节发射功率，具有很广泛的兼容性，很容易实现对绝大部分现有的磁感应式无线供电产品的升级改造。
实施例三
请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种副边电压反馈的磁耦合无线供电装置的结构示意图。
在本实施例中，迟滞比较器303的回差值设为100mV，可调电压源101 的电压范围为0～24V，基准电压为1.25V，分压比为1:4。
具体地，采用H桥斩波电路作为交流驱动器102，激励发射线圈103 产生磁场；能量耦合至接收线圈201再经过整流滤波电路202得到直流输出电压，该输出电压分为两路，一路给后续充电器电路供电，另一路经分压比1:4的分压装置302后通过迟滞比较器303和1.25V的基准电压比较。
若输出电压低于5.0V，则取样电压低于1.25V基准，迟滞比较器303 输出高电平点亮红外发射管304，发射器中心的红外接收管401感应到红外信号输出高电平，使积分器402输出电压逐渐升高，可调电压源101电压逐渐上升增大了发射功率，使副边输出电压上升并接近5.0V。
若输出电压低于5.0V，则取样电压高于1.25V基准，迟滞比较器303 输出低电平，红外发射管304熄灭，发射器中心的红外接收管401输出低电平，使积分器402输出电压逐渐降低，可调电压源101电压逐渐下降，减小了发射功率，使副边输出电压下降并接近5.0V。
上述反馈过程周而复始地不断进行，使得输出电压始终稳定在5.0V附近，电压波动不超过迟滞比较器303的100mV回差值。这样在收发线圈之间距离大范围变化时，能够始终保持输出电压稳定，可以无需后级稳压，直接供给后续设备使用。
本发明实施例，采用副边电压反馈控制的方法，调整所述发射线圈103 的发射功率，使所述接收线圈201上始终保持稳定的输出电压。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置，其特征在于，包括电能发射模块(100)、电能接收模块(200)、反馈发射模块(300)、反馈接收模块(400)以及负载模块(500)；其中，
所述电能发射模块(100)与所述电能接收模块(200)电磁耦合连接，用于给所述电能接收模块(200)提供交变磁场；
所述电能接收模块(200)分别与所述反馈发射模块(300)和所述负载模块(500)连接，用于给所述负载模块(500)提供电压以及给所述反馈发射模块(300)提供待监测电压；
所述反馈发射模块(300)与所述反馈接收模块(400)通信连接，用于给所述反馈接收模块(400)发射红外信号；
所述反馈接收模块(400)与所述电能发射模块(100)连接，用于调整所述电能发射模块(100)的发射功率；
所述电能发射模块(100)包括：可调电压源(101)、交流驱动器(102)以及发射线圈(103)；其中，所述可调电压源(101)、所述交流驱动器(102)、所述发射线圈(103)依次连接；所述可调电压源(101)的调压控制输入端与所述反馈接收模块(400)的输出端连接，所述发射线圈(103)的磁力线穿过所述电能接收模块(200)与所述电能接收模块(200)电磁耦合连接；
所述反馈发射模块(300)包括：基准源(301)、分压装置(302)、迟滞比较器(303)、红外发射管(304)；其中，所述迟滞比较器(303)的反相端与所述分压装置(302)的输出端连接，所述迟滞比较器(303)的同相端与所述基准源(301)的输出端连接，所述迟滞比较器(303)的输出端与所述红外发射管(304)的输入端连接；所述分压装置(302)的输入端与所述电能接收模块(200)连接；所述红外发射管(304)的输出端与所述反馈接收模块(400)的输入端通信连接；
所述反馈接收模块(400)包括：红外接收管(401)和积分器(402)；其中，所述红外接收管(401)的输出端与所述积分器(402)的输入端连接，所述红外接收管(401)的输入端与所述反馈发射模块(300)的输出端通信连接；所述积分器(402)的输出端与所述电能发射模块(100)中所述可调电压源(101)的调压控制输入端连接；
所述电能接收模块(200)包括：接收线圈(201)、整流滤波电路(202)；其中，
所述接收线圈(201)的输出端与所述整流滤波电路(202)的输入端连接，所述接收线圈(201)的输入端与所述电能发射模块(100)的输出端电磁耦合连接；所述整流滤波电路(202)的输出端分别与所述反馈发射模块(300)的输入端、所述负载模块(500)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置，其特征在于，所述可调电压源(101)为同步降压式开关调压电源或升降压式开关调压电源，且具有调压控制输入端。
3.根据权利要求1所述的带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置，其特征在于，所述积分器(402)为R-C积分电路。
4.根据权利要求1所述的带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置，其特征在于，所述红外接收管(401)位于所述发射线圈(103)的中心位置。
5.根据权利要求1所述的带有副边电压反馈的磁耦合无线供电装置，其特征在于，所述红外发射管(304)位于所述接收线圈(201)的中心位置。
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