CN108923552A - 一种无线充电异物检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线充电异物检测电路及方法，可以通过对能量发送线圈品质因数的计算，简便、准确地识别出无线充电线圈是否存在金属异物。该无线充电异物检测电路，包括：依次连接的能量发送模块、转换模块和处理模块；能量发送模块，包括串联的交变电源Us、能量发送线圈电感L、等效电容C和等效损耗电阻R；转换模块的输入端与能量发送模块的等效电容C并联，转换模块用于将等效电容C的振荡电压信号转化为数字方波信号；处理模块，包括处理芯片，处理芯片的一个I/O引脚与转换模块的输出端连接，处理模块用于记录时间段T内数字方波信号的周期个数；处理模块还包括提示子模块，根据当前线圈品质因数给出不同级别的提示。

Description

一种无线充电异物检测电路及方法

技术领域

本申请属于无线充电技术领域，具体涉及一种无线充电异物检测电路及方法。

背景技术

在移动终端进行无线充电时，若无线充电器中存在金属异物，则变化的磁场产生涡流，使得该金属异物消耗磁场能量并产生热量，最终会引起火灾等安全问题。

目前市场上对无线充电装置的金属异物检测主要是通过检测发射端的功率损耗方式来实现的，其外围电路简单、易计算，但存在异物检测灵敏度难调节，误报、漏报等问题，同时在检测到异物时仅通过停止充电来规避问题，导致用户不清楚当前的充电状态，可能造成如用户以为在充电但实际上并没有充电等问题，造成用户体验差。造成上述问题的原因比较复杂，一方面是功率损耗法在逆变桥和发射线圈上的损耗功率不能通过直接测量方式获得，因此在计算功率损耗时形成的计算误差导致了金属异物的检测不够准确；另一方面，金属异物报警功率损耗的阈值设定会影响异物检测的灵敏度，而最优功率损耗阈值的确定在实现上难度大，需要通过大量的试验来积累丰富的经验值；同时，由于检测不够准确充电装置只有正常和非正常两个状态，用户无法对当前充电环境没有一个定量的认识；最后，由于受到环境的温度、湿度等影响，不同环境中同一设备的各元器件也可能出现误差，导致误报。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种无线充电异物检测电路及方法，一方面可以通过仅对能量发送线圈品质的检测来检测异物，能减少设备复杂度，提高检测精度；另一方面通过数字方波能够简便、准确地识别出无线充电线圈的品质因数，进一步提高检测精度；同时，由于准确地计算了线圈品质，还可以根据不同线圈品质进行分级别提示，减少误报，提升用户体验，还可以对提示信息进行自定义设置，提高装置对环境的适应能力，进一步提升用户体验。

为实现上述申请目的，本申请第一方面公开了一种无线充电异物检测电路，包括：依次连接的能量发送模块、转换模块和处理模块；所述能量发送模块，包括串联的交变电源e(t)、能量发送线圈电感L、等效电容C和等效损耗电阻R；所述转换模块的输入端与所述能量发送模块的等效电容C并联，所述转换模块用于将所述等效电容C的振荡电压信号转化为数字方波信号；所述处理模块，包括处理芯片，所述处理芯片的一个I/O引脚与所述转换模块的输出端连接，所述处理模块用于记录时间段T内所述数字方波信号的周期个数。

可选地，所述转换模块包括：稳压单元、比较转换单元和滤波单元。

可选地，所述稳压单元包括，一个固定电压源、第一二极管和第二二极管，所述固定电压源、第一二极管和第二二极管依次串联，所述第二二极管与所述能量发送模块的等效电容C并联，所述并联交点端作为所述稳压单元的输出端。

可选地，所述比较转换单元包括：电压比较器，参考电压子单元和输出子单元；所述电压比较器的第一输入端与所述稳压单元的输出端连接；所述电压比较器的第二输入端与所述参考电压子单元连接；所述电压比较器的输出端与所述输出子单元连接。

可选地，所述参考电压子单元包括：第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻与所述稳压单元中的固定电压源串联，所述第一电阻和所述第二电阻的连接端与所述电压比较器的第二输入端连接。

可选地，所述输出子单元包括：输出电阻，所述输出电阻与所述电压比较器的输出端连接。

可选地，所述滤波单元包括：滤波电容，所述滤波电容与所述比较转换单元的输出端连接，所述滤波电容与所述比较转换单元的输出端的连接端与所述处理芯片的I/O引脚连接。

可选地，所述处理模块还包括：提示子模块，所述提示子模块用于根据不同的线圈电感L的品质因数进行分级别提示，所述分级别提示为不同的线圈电感L的品质因数提示不同的信息，所述线圈电感L的品质因数与所述周期个数成正比。

可选地，所述分级别提示为：在充电装置上进行分级别提示和/或通过充电装置给被充电装置发送分级别提示信息和/或通过充电装置给用户终端发送分级别提示信息，所述被充电装置与用户终端为不同的装置。

本申请第二方面公开了一种无线充电异物检测方法，所述方法应用于第一方面任一的无线充电异物检测电路中，该方法包括：发送一阶阶跃激励信号e(t)给所述交变电源Us；接收所述转换模块的输出端传来的数字方波信号；记录时间段T内所述数字方波信号的周期个数；根据所述周期个数计算所述能量发送线圈电感L的品质因数Q；在所述品质因数Q小于安全阈值的情况下，判断无线充电电路中存在金属异物。

可选地，根据所述周期个数计算所述能量发送线圈电感L的品质因数Q，包括：通过以下公式计算品质因数Q，Q＝N·π/ln(u1/u2)，其中，N为所述周期个数，所述u1和u2分别为所述转换模块输入端在时间段T内的起始电压波峰峰值和结束电压波峰峰值。

可选地，根据Q值的不同，对用户进行分级别提示，提高升级体验。

本申请具有以下有益效果：

本申请通过向能量发送模块发送一个一阶阶跃激励信号，使能量发送模块内的LC谐振电路自由振荡衰减，通过转换模块将衰减振荡信号转化为数字方波信号，然后通过处理芯片的I/O口检测数字方波信号在时间段T内的周期个数N，根据此周期个数N计算出能量发送线圈电感L的品质因数Q，最后，根据当无线充电器存在金属异物时，其品质因数会降低的原理，判断出此时无线充电器是否存在金属异物，并进行分级别提示，提升用户体验。本申请的异物检测方式对硬件和软件的成本要求较低，可以简便、准确地识别出无线充电器是否存在金属异物，并进行提示，提升用户体验。

附图说明

图1为本申请公开的一种无线充电异物检测电路的结构示意图；

图2为本申请公开的图1中转换模块电路的结构示意图；

图3为本申请公开的振荡电压信号转化为数字方波信号的示意图；

图4为本申请公开的能量发送模块的LC串联谐振等效电路的示意图；

图5为本申请公开的一种无线充电异物检测方法的示意图。

具体实施方式

如图1所示，图1为本申请公开的一种无线充电异物检测电路的结构示意图。本申请公开了一种无线充电异物检测电路100，包括：依次连接的能量发送模块110、转换模块120和处理模块130；

能量发送模块110，包括串联的交变电源Us、能量发送线圈电感L、等效电容C和等效损耗电阻R；

转换模块120的输入端与能量发送模块110的等效电容C并联，转换模块120用于将等效电容C的振荡电压信号转化为数字方波信号；

处理模块130，包括处理芯片131，该处理芯片131的一个I/O引脚X与转换模块120的输出端连接，处理模块130用于记录时间段T内数字方波信号的周期个数。

在本申请中，待充电设备可以是手机、平板电脑、智能手表等终端产品。上述无线充电异物检测电路设置于无线充电器中，其中能量发送模块110设置有能量发送线圈，上述待充电设备上设置有对应的能量接收线圈。能量发送模块110的能量发送线圈将能量发送给待充电设备上的能量接收线圈，然后通过待充电设备的接收装置转换成所需要的直流电源，从而对设备内的锂电池进行充电。

如图2所示，图2为本申请公开的图1中转换模块电路的结构示意图。其中转换模块120包括：稳压单元121、比较转换单元122和滤波单元123。

其中，稳压单元121包括，一个固定电压源V、第一二极管D1和第二二极管D2，该固定电压源V、第一二极管D1和第二二极管D2依次串联，第二二极管D2与能量发送模块120的等效电容C并联，该并联交点端作为稳压单元121的输出端。

其中，比较转换单元122包括：电压比较器B，参考电压子单元1221和输出子单元1222；电压比较器B的第一输入端+与稳压单元121的输出端连接；电压比较器B的第二输入端-与参考电压子单元1221连接；电压比较器的输出端O与输出子单元1222连接。

其中，参考电压子单元1221包括：第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1和第二电阻R2与稳压单元121中的固定电压源V串联，第一电阻R1和第二电阻R2的连接端与电压比较器B的第二输入端-连接。

其中，输出子单元1222包括：输出电阻R0，该输出电阻R0与电压比较器B的输出端O连接。

其中，滤波单元123包括：滤波电容CO，该滤波电容CO与比较转换单元122的输出端连接，滤波电容CO与比较转换单元122的输出端的连接端与处理芯片131的一个I/O引脚X连接。

如图3所示，图3为本申请公开的振荡电压信号转化为数字方波信号的示意图。在本申请中，给与能量发送模块110的交变电源Us一个一阶阶跃激励信号e(t)，其LC振荡电路的衰减震荡信号经电压比较器B后，在时间段T内，等效电容C两端的电压便从u1衰减到u2，图中的波浪线表示电压衰减曲线，方波线表示转换后的数字方波信号。

如图4所示，图4为本申请公开的能量发送模块的LC串联谐振等效电路的示意图。图中激励信号为电压信号e(t)，e(t)为一阶阶跃电压信号。当t＝0时刻e(t)由U0下跳到0就会引起u(t)开始衰减自由振荡，其自由振荡公式为：

解上述二阶微分方程可得：

当即时根据初始条件

解得

其中

当等效直流阻抗R足够小即Q值足够大时，ω＝ω₀即因此

令则

当n为正整数0，1，2，3，4……时

取任意两个正向峰值点时刻t1，t2对应的峰值电压分别为u1，u2

因此

两边取对数可得

上式中N即衰减信号在t1至t2的时间段T内振荡次数，即数字方波信号的周期个数。因为周期个数的统计从起振电压开始到衰减到设定固定电压结束所以Q值计算公式中的电压u1、u2为已知常数。

进一步地，所示处理模块130还可包括提示子模块，所述提示子模块根据不同的Q值进行分级别提示。Q值可以根据用户喜好进行不同级别设定，如设设置3个、5个或其它级别，本发明不做具体限制。以3个级别为例，Q值小于等于第一阈值时为判断无线充电电路中存在金属异物，Q值大于第一阈值且小于等于第二阈值时，判断无线充电电路在安全范围内但可能存在异常，提示用户检查；Q值大于第二阈值时判断无线充电电路正常，可以放心充电。

给用户的提示可以使充电装置发出不同颜色的灯光和/或不同频率的声音和/或不同频率的振动和/或文字提示来实现。以3个级别的灯光提示为例，Q值小于等于第一阈值时为判断无线充电电路中存在金属异物，充电装置显示红色灯光提示，Q值大于第一阈值且小于等于第二阈值时，判断无线充电电路在安全范围内但可能存在异常，充电装置显示黄色灯光，提示用户检查；Q值大于第二阈值时判断无线充电电路正常，显示绿色灯光，提示用户可以放心充电。

给用户的提示还可以通过充电装置以无线的方式给被充电装置和/或用户终端发送提示信息。所述无线方式包括但不限于WIFI、蓝牙、蜂窝无线网络。所述被充电装置包括但不限于汽车、扫地机器人、便携式移动终端，以被充电装置为汽车为例，当汽车到达充电位置时，若充电装置检测到异物，充电装置给汽车中控显示屏发送不同级别的提示信息，车主可以根据提示信息确定是否要下车检查充电装置，如此可以提高用户体验。所述用户终端包括但不限于手机、便携式移动终端。以被充电装置为扫地机器人，用户终端为用户手机为例，当扫地机器人到达充电装置位置，若检测到异物，则充电装置给用户手机发送不同级别的提示信息，提示用户到扫地机器人位置检查充电装置是否正常，当扫地机器人在客厅，而用户在卧室时，可以提示用户及时检查充电装置，避免延误充电，提升用户体验。

所述提示子模块还可以包括设置子模块，所述设置子模块用于给用户设置提示级别数量和/或每级别Q值和/或每级别提示方式。所示每级别提示方式包括使充电装置发出不同颜色的灯光和/或不同的声音和/或不同频率的振动和/或文字、通过充电装置以无线的方式给被充电装置和/或用户终端发送提示信息。通过用户的设定，在不同的环境可以设置不同的提示阈值，可以使充电装置适应不同的环境，即使由于当前环境的湿度、温度或设备老化等原因造成检测误差，用户也可以进行手工调节，以提高提示的准确度，避免误报。

如图5所示，图5为本申请公开的一种无线充电异物检测方法的示意图。该无线充电异物检测方法应用于图1所示的无线充电异物检测电路中，包括：

501、发送一阶阶跃激励信号e(t)给交变电源Us；

502、接收转换模块的输出端传来的数字方波信号；

503、记录时间段T内上述数字方波信号的周期个数；

504、根据上述周期个数计算能量发送线圈电感L的品质因数Q；

505、根据上述品质因数Q发送不同级别的提示。

作为一种可选的实施方式，根据周期个数计算能量发送线圈电感L的品质因数Q，包括：通过以下公式计算品质因数Q，

其中，N为周期个数，u1和u2分别为转换模块输入端在时间段T内的起始电压波峰峰值和结束电压波峰峰值。

在本方法中，发送一阶阶跃激励信号e(t)给交变电源Us，然后利用处理芯片的I/O口中断Trigger检测反馈电压u的翻转信号次数n，计算出设定时间T范围内(从起振t1到衰减到固定比较电压t2)衰减信号振荡次数因为翻转次数的统计从起振电压u1开始到衰减到设定固定电压u2结束所以Q值计算公式中的电压u1、u2为已知常数，因此可令为常数，所以Q＝K·N即

利用金属异物介入会导致Q值减小的理论，在上述品质因数Q小于安全阈值A的情况下，判断无线充电电路中存在金属异物。

作为一种可选的实施方式，根据品质因数Q发送不同级别的提示包括以下方式：

Q值可以根据用户喜好进行不同级别设定，如设设置3个、5个或其它级别，本发明不做具体限制。以3个级别为例，Q值小于等于第一阈值时为判断无线充电电路中存在金属异物，Q值大于第一阈值且小于等于第二阈值时，判断无线充电电路在安全范围内但可能存在异常，提示用户检查；Q值大于第二阈值时判断无线充电电路正常，可以放心充电。

给用户的提示可以使充电装置发出不同颜色的灯光和/或不同频率的声音和/或不同频率的振动和/或文字提示来实现。以3个级别的灯光提示为例，Q值小于等于第一阈值时为判断无线充电电路中存在金属异物，充电装置显示红色灯光提示，Q值大于第一阈值且小于等于第二阈值时，判断无线充电电路在安全范围内但可能存在异常，充电装置显示黄色灯光，提示用户检查；Q值大于第二阈值时判断无线充电电路正常，显示绿色灯光，提示用户可以放心充电。

给用户的提示还可以通过充电装置以无线的方式给被充电装置和/或用户终端发送提示信息。所述无线方式包括但不限于WIFI、蓝牙、蜂窝无线网络。所述被充电装置包括但不限于汽车、扫地机器人、便携式移动终端，以被充电装置为汽车为例，当汽车到达充电位置时，若充电装置检测到异物，充电装置给汽车中控显示屏发送不同级别的提示信息。所述用户终端包括但不限于手机、便携式移动终端。以被充电装置为扫地机器人，所述用户终端为用户手机为例，当扫地机器人到达充电装置位置，若检测到异物，则充电装置给用户手机发送不同级别的提示信息，提示用户到扫地机器人位置检查充电装置是否正常。

另外，用户还可以设置每级别Q值和/或每级别提示方式。所示每级别提示方式包括使充电装置发出不同颜色的灯光和/或不同的声音和/或不同频率的振动和/或文字、通过充电装置以无线的方式给被充电装置和/或用户终端发送提示信息。通过用户的设定，在不同的环境可以设置不同的提示阈值，可以使充电装置适应不同的环境，以提高提示的准确度，避免误报。

本方法的具体实施方式与上述无线充电异物检测电路相同，这里不做赘述。

本申请的异物检测方式对硬件成本的要求较低，仅增加了一个带有比较器的转换模块电路；对软件成本的要求较低，系统只需要通过处理芯片的I/O口中断Trigger检测反馈电压翻转周期个数，无需模数转换等其他软件资源；本申请的异物检测方式时序简单，便于实现且异物检测识别精度较高；另外，本申请还可以根据不同级别进行分级别提示，可以进一步提高提示准确度，提升用户体验。

以上是本发明实施例的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种无线充电异物检测电路，其特征在于，包括：依次连接的能量发送模块、转换模块和处理模块；

所述能量发送模块，包括串联的交变电源Us、能量发送线圈电感L、等效电容C和等效损耗电阻R；

所述转换模块的输入端与所述能量发送模块的等效电容C并联，所述转换模块用于将所述等效电容C的振荡电压信号转化为数字方波信号；

所述处理模块，包括处理芯片，所述处理芯片的一个I/O引脚与所述转换模块的输出端连接，所述处理模块用于记录时间段T内所述数字方波信号的周期个数。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述转换模块包括：稳压单元、比较转换单元和滤波单元。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述稳压单元包括，一个固定电压源、第一二极管和第二二极管，所述固定电压源、第一二极管和第二二极管依次串联，所述第二二极管与所述能量发送模块的等效电容C并联，所述并联交点端作为所述稳压单元的输出端。

4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述比较转换单元包括：电压比较器，参考电压子单元和输出子单元；所述电压比较器的第一输入端与所述稳压单元的输出端连接；所述电压比较器的第二输入端与所述参考电压子单元连接；所述电压比较器的输出端与所述输出子单元连接。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述参考电压子单元包括：第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻与所述稳压单元中的固定电压源串联，所述第一电阻和所述第二电阻的连接端与所述电压比较器的第二输入端连接。

6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述输出子单元包括：输出电阻，所述输出电阻与所述电压比较器的输出端连接。

7.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述滤波单元包括：滤波电容，所述滤波电容与所述比较转换单元的输出端连接，所述滤波电容与所述比较转换单元的输出端的连接端与所述处理芯片的I/O引脚连接。

8.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述处理模块还包括：提示子模块，所述提示子模块用于根据不同的线圈电感L的品质因数进行分级别提示，所述分级别提示为不同的线圈电感L的品质因数提示不同的信息，所述线圈电感L的品质因数与所述周期个数成正比。

9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述分级别提示为：在充电装置上进行分级别提示和/或通过充电装置给被充电装置发送分级别提示信息和/或通过充电装置给用户终端发送分级别提示信息，所述被充电装置与用户终端为不同的装置。

10.一种无线充电异物检测方法，所述方法应用于权利要求1至9任一项所述的无线充电异物检测电路中，其特征在于，包括：

发送一阶阶跃激励信号e(t)给所述交变电源Us；

接收所述转换模块的输出端传来的数字方波信号；

记录时间段T内所述数字方波信号的周期个数；

根据所述周期个数计算所述能量发送线圈电感L的品质因数Q；

根据所述品质因数Q对用户进行分级别提示。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，根据所述周期个数计算所述能量发送线圈电感L的品质因数Q，包括：通过以下公式计算品质因数Q，

Q＝N·π/ln(u1/u2)，其中，N为所述周期个数，所述u1和u2分别为所述转换模块输入端在时间段T内的起始电压波峰峰值和结束电压波峰峰值。