CN109802472B - 无线发射端、充电设备、线圈及提高耦合系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线充电设备的无线发射端，包括：信号发射线圈，信号发射线圈由外圈绕至内圈，信号发射线圈的内圈端部为第一内圈连接端，信号发射线圈还包括第一外圈连接端、第二外圈连接端；选通模块,选通模块被配置为根据外部接收端中的接收线圈选通第一外圈连接端与第一内圈连接端形成第一发射子线圈或者选通第二外圈连接端与第一内圈连接端形成第二发射子线圈。该种充电设备的无线发射端能使用一个独立的线圈组匹配不同的无线充电接收端，生产成本低，体积较小。本发明同时还公开了一种无线充电设备、一种信号发射端的线圈及一种提高无线充电耦合系数的方法。

Description

无线发射端、充电设备、线圈及提高耦合系数的方法

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，尤其涉及一种充电设备的无线发射端、充电设备、线圈及提高耦合系数的方法。

背景技术

在无线充电领域中，不同无线充电接收端设备或产品，或应用于手机端，或应用于电动牙刷，或应用于电子烟等，因自身尺寸、体积的限制，内部接受线圈的大小形状也有明显差异，因此在使用通用无线充电发射端设备时，势必导致在充电时发射端与接收端因线圈尺寸差异影响电磁耦合，从而使得整个充电系统效率降低，客户充电体验差。

为解决上述问题，目前市场上有使用一个发射端设备集成多个独立的发射模块，子发射模块针对不同接收端产品作定制应用，即子发射端模块线圈从小到大分布以适配不同产品应用，比如拥有2个独立的发射线圈，各自内外径不同，以匹配不同的接受端场景。但此类发射端设备通常体积庞大，电子电路复杂，且需要多个不同大小的独立线圈组，成本也非常高。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种充电设备的无线发射端、充电设备、线圈及提高耦合系数的方法，该种充电设备的无线发射端能使用一个独立的线圈组匹配不同的无线充电接收端，生产成本低，体积较小。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种无线充电设备的无线发射端，包括：

信号发射线圈，所述信号发射线圈由外圈绕至内圈，所述信号发射线圈的内圈端部为第一内圈连接端，所述信号发射线圈还包括第一外圈连接端、第二外圈连接端；

选通模块,所述选通模块被配置为根据外部接收端中的接收线圈选通所述第一外圈连接端与所述第一内圈连接端形成第一发射子线圈或者选通所述第二外圈连接端与所述第一内圈连接端形成第二发射子线圈。

根据本发明一实施例，所述选通模块被配置为根据所述接收线圈选通所述第一发射子线圈或第二发射子线圈具体为选取与所述接收线圈耦合状态最好的发射子线圈。

根据本发明一实施例，所述选通模块包括控制器、线圈电流电压采样电路、线圈选择电路；

线圈选择电路与所述第一内圈连接端、所述第一外圈连接端、所述第二外圈连接端分别电连接，所述线圈选择电路被配置为切换所述第一外圈连接端与所述第一内圈连接端形成所述第一发射子线圈或者切换所述第二外圈连接端与所述第一内圈连接端形成所述第二发射子线圈；

所述控制器被配置为响应于所述接收线圈的介入，所述控制器控制所述线圈选择电路依次切换所述第一发射子线圈、所述第二发射子线圈；

响应于所述线圈选择电路的切换动作，所述线圈电流电压采样电路分别采集所述第一发射子线圈、所述第二发射子线圈的电流电压信号，

所述控制器被配置为根据所述线圈电流电压采样电路采集的电流电压信号选取与所述接收线圈耦合状态最好的发射子线圈。

本发明还提供了另一种无线充电设备的无线发射端，包括信号发射线圈及选通模块，所述信号发射线圈具有至少三个引出端，其中一个引出端为公共端，所述选通模块被配置为根据外部接收端中的接收线圈选通其余两个所述引出端中的一个与所述公共端形成发射子线圈，以实现所述无线发射端与所述接收线圈的最佳耦合。

本发明还提供了一种无线无线充电设备，包括上述实施例中的无线发射端。

本发明还提供了一种信号发射端的线圈，作为无线充电线圈，所述信号发射线圈具有至少三个引出端，其中一个引出端为公共端，其余两个所述引出端可分别与所述公共端形成第一发射子线圈、第二发射子线圈；所述第一发射子线圈的外径尺寸与所述第二发射子线圈的外径尺寸不同；或者所述第一发射子线圈的内径尺寸与所述第二发射子线圈的内径尺寸不同；

所述第一发射子线圈、所述第二发射子线圈用于匹配不同尺寸的外部信号接收线圈。

本发明还提供了一种提高无线充电耦合系数的方法，所述方法用于提高无线充电设备对不同接收终端的耦合系数，所述接收终端的接收线圈的尺寸不同，所述方法具体为：

将所述无线充电设备的单个信号发射线圈设计为具有多个发射子线圈；

选择多个所述发射子线圈中与所述接收线圈的耦合系数最大的发射子线圈作为充电线圈。

根据本发明一实施例，将所述无线充电设备的单个信号发射线圈设计为具有多个发射子线圈进一步为：

将所述信号发射线圈设计为具有至少三个引出端，将其中一个引出端作为公共端，使其余两个所述引出端可分别与所述公共端形成第一发射子线圈、第二发射子线圈；

若所述第一发射子线圈与所述接收线圈的耦合系数大于所述第二发射子线圈与所述接收线圈的耦合系数，则选择所述第一发射子线圈作为所述充电线圈；

若所述第二发射子线圈与所述接收线圈的耦合系数小于所述第二发射子线圈与所述接收线圈的耦合系数，则选择所述第二发射子线圈作所述为充电线圈。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明一实施例中的无线充电设备的无线发射端通过设置具有多个连接端的信号发射线圈，其中的第一外圈连接端可以与第一内圈连接端形成第一发射子线圈；其中的第二外圈连接端可以与第一内圈连接端形成第二发射子线圈；第一发射子线圈与第二发射子线圈的外径不同，选通模块可根据外部接收线圈的尺寸选择合适的第一发射子线圈或第二发射子线圈，该种无线充电设备的无线发射端能使用一个独立的线圈组匹配不同的无线充电接收端，生产成本低，体积较小。

附图说明

图1为本发明一实施例中的一种充电设备的无线发射端的信号发射线圈的结构示图；

图2为为耦合系数K值与接发线圈外径比的关系；

图3为本发明一实施例中的充电设备的无线发射端的结构框图；

图4为本发明一具体实施例中发射子线圈的选择过程；

图5为本发明的一种提高无线充电耦合系数的方法流程图；

图6为图5中B2步骤的一具体实施流程。

附图标记说明：

1：信号发射线圈；101：第一内圈连接端；102：第一外圈连接端；103：第二外圈连接端。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种充电设备的无线发射端、充电设备、线圈及提高耦合系数的方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例1

参看图1，一种充电设备的无线发射端，包括：信号发射线圈1，信号发射线圈1由外圈绕至内圈，信号发射线圈1的内圈端部为第一内圈连接端101，信号发射线圈1还包括第一外圈连接端102、第二外圈连接端103；选通模块,选通模块被配置为根据外部接收端中的接收线圈选通第一外圈连接端102与第一内圈连接端101形成第一发射子线圈或者选通第二外圈连接端103与第一内圈连接端101形成第二发射子线圈。

参看图2，图2为耦合系数K值与接发线圈外径比的关系，从图2可以看出，接发线圈外径D2/D为1时耦合最佳，相差越大耦合越差，系统效率就越差。可以理解为，在无线充电时，发射端与接收端因线圈尺寸差异影响电磁耦合，耦合系数与接发端线圈内外径比例相关，接发端线圈内外径比例为1时耦合最佳。例如某无线充电发射端的线圈外径是50mm，内径20mm，假设接受端为手机时两者内外径比例相当(例如某手机的充电线圈外径为48mm左右，内径20mm左右)，充电效率利用率较高。使用通用无线发射端而影响充电效率的一个较为关键因素为接收端线圈大小不一，而发射端自身线圈固定，无法做出调整，以适配接收端的线圈，从而达到最佳耦合状态。

本实施例中的无线充电设备的无线发射端通过设置具有多个连接端的信号发射线圈1，其中的第一外圈连接端102可以与第一内圈连接端101形成第一发射子线圈；其中的第二外圈连接端103可以与第一内圈连接端101形成第二发射子线圈；第一发射子线圈与第二发射子线圈的外径不同，选通模块可根据外部接收线圈的尺寸选择合适的第一发射子线圈或第二发射子线圈，该种无线充电设备的无线发射端能使用一个独立的线圈组匹配不同的无线充电接收端，生产成本低，体积较小。

上述实施例中的信号发射线圈1仅能调整发射子线圈的外径，并不具备调整发射子线圈内径的功能。但是需要说明的是，无线充电设备或者接收设备中的线圈均会具有行业标准，一般而言，线圈的内径尺寸不会有太大差别，线圈的结构多是由外圈绕至内圈，所以上述实施例仅针对外径尺寸作出调整。

进一步地，选通模块被配置为根据接收线圈选通第一发射子线圈或第二发射子线圈具体为选取与接收线圈耦合状态最好的发射子线圈。

具体地，选通模块包括控制器、线圈电流电压采样电路、线圈选择电路；线圈选择电路与第一内圈连接端101、第一外圈连接端102、第二外圈连接端103分别电连接，线圈选择电路被配置为切换第一外圈连接端102与第一内圈连接端101形成第一发射子线圈或者切换第二外圈连接端103与第一内圈连接端101形成第二发射子线圈；控制器被配置为响应于接收线圈的介入，控制器控制线圈选择电路依次切换第一发射子线圈、第二发射子线圈；响应于线圈选择电路的切换动作，线圈电流电压采样电路分别采集第一发射子线圈、第二发射子线圈的电流电压信号，控制器被配置为根据线圈电流电压采样电路采集的电流电压信号选取与接收线圈耦合状态最好的发射子线圈。

线圈选择电路可以具有多组并联的电控开关，每组电控开关控制一个外圈连接端，进而控制每个外圈连接端与第一内圈连接端101形成不同的发射子线圈，本实施例虽然仅给出了两个外圈连接端，但是需要明白，基于本实施例可以扩展至三个、四个，甚至更多的外圈连接端，进而组成更多不同外径尺寸的发射子线圈，这样可以匹配更多的接收端。

控制器可以选择现有的控制芯片，内部可以写入控制指令，一般而言，无线充电设备上电后，整个系统首先会进入低功耗模式，且信号发射线圈1会连续发射模拟和数字Ping去侦测有无发射端介入。当一个无线接收端设备或者产品介入后，系统会依次开启通道(即开启第一外圈连接端102、第二外圈连接端103所在的通道)，然后通过反馈信号的强度，对比并选取耦合状态最好的一组，然后关闭其他通道，只开启耦合状态最好的一组通道(即选择第一发射子线圈或第二发射子线圈)，接着进入通讯以及功率传送阶段。

下面进一步讲一下本实施例中的充电设备的无线发射端。

参看图1及图3，本实施例以具有三个引出端的线圈作为具体的实施方式，三个引出端可形成两个发射子线圈，两个发射子线圈的外径尺寸不同，在此假设第一发射子线圈的外径尺寸大于第二发射子线圈的外径尺寸，第一内圈连接端101作为第一发射子线圈、第二发射子线圈的公共端，第一外圈连接端102在此记为外层连接端(第一发射子线圈的外径尺寸大于第二发射子线圈的外径尺寸，第一发射子线圈可认为是外层线圈，第二发射子线圈可认为是内层线圈)，第二外圈连接端103在此记为内层连接端。

外层连接端与线圈选择电路电连接形成的通道记为通道1，内层连接端与线圈选择电路电连接形成的通道记为通道2，通道1与通道2应该认为是并联通道。

本实施例中的充电设备的无线发射端还可以包括系统外部电源接入口(图3中的输入模块)、电源管理模块、电流检测模块、半桥/全桥逆变模块、ESD(Electro-Staticdischarge，静电释放)保护电路模块、EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)屏蔽模块；其中电源管理模块用于将外部电源经过DC-DC转换降压成控制器以及其他电路所需要的低电压值，电流检测模块用于检测/监控输入端的输入电流，用于设置电流保护以及用于FOD机制中功率损耗P_loss的计算，半桥/全桥逆变模块用于产生交流电压以给予LC谐振腔的运作。

参看图4，下面讲一下发射子线圈的选择过程。

A1，系统接入外部电源上电后，默认处于低功耗的连续侦测状态，即每隔一段时间(如400ms，具体可根据实际应用与客户需求来设置)，控制器控制发出一段脉冲信号激活LC谐振腔，用于侦测是否有接收端介入。

A2，第一步打开通道1，关闭通道2，即使用外层线圈对应的谐振电路去侦测，隔400ms后关闭通道1，打开通道2，同内层线圈对应的谐振电路去侦测，且两个通道系统控制方式一致，如此反复，周而复始。

A3，如通道1谐振电路开启状态下识别到接收端介入，通过线圈电流电压采样电路采样发射子线圈电流电压，确定反馈的信号强度，并记录此值S1。然后再关闭当前通道，开启通道2，再次采样发射子线圈电流电压，确定S2。控制器通过对比S1与S2大小，选择其中值大的对应通道打开，并关闭另外通道。

本实施例中的选通模块选取与接收线圈耦合状态最好的发射子线圈，在具体应用过程中，发射子线圈变化的因素只是线圈的外径尺寸与电感量，选取不同通道对应不同的电感量(不同的LC谐振腔)及线圈外径尺寸。而在同样触发的条件下，线圈上反馈的信号强度强就说明此处接收端处于更好更强的谐振状态，也即表明整个发射与接受系统处于更好的耦合状态。基于上述分析，步骤A3中控制器通过对比S1与S2大小，选择其中值大的对应通道打开，并关闭另外通道。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，提供了一种内径尺寸也可调整的无线发射端，具体地，该信号发射线圈1还包括第二内圈连接端；选通模块被配置为根据接收端中的接收线圈选通第一外圈连接端102与第二内圈连接端形成第三发射子线圈或者选通第二外圈连接端103与第二内圈连接端形成第四发射子线圈。

本实施例具有两个外圈连接端、两个内圈连接端，可以排列组合出四中不同的发射子线圈，可以匹配更多尺寸的接收线圈(内径尺寸不同)。

实施例3

基于相同的发明构思，本发明还提供了另一种充电设备的无线发射端，包括信号发射线圈及选通模块，信号发射线圈具有至少三个引出端，其中一个引出端为公共端，选通模块被配置为根据外部接收端中的接收线圈选通其余两个引出端中的一个与公共端形成发射子线圈，以实现无线发射端与接收线圈的最佳耦合。

实施例4

本发明还提供了一种无线充电设备，包括上述实施例中的无线发射端。

实施例5

本发明还提供了一种信号发射端的线圈，作为无线充电线圈，信号发射线圈具有至少三个引出端，其中一个引出端为公共端，其余两个引出端可分别与公共端形成第一发射子线圈、第二发射子线圈；第一发射子线圈的外径尺寸与第二发射子线圈的外径尺寸不同；或者第一发射子线圈的内径尺寸与第二发射子线圈的内径尺寸不同；第一发射子线圈、第二发射子线圈用于匹配不同尺寸的外部信号接收线圈。

实施例6

参看图5，本发明还提供了一种提高无线充电耦合系数的方法，该方法用于提高无线充电设备对不同接收终端的耦合系数，其中不同接收终端的接收线圈的尺寸不同，该方法具体为：B1，将无线充电设备的单个信号发射线圈设计为具有多个发射子线圈；B2，选择多个发射子线圈中与接收线圈的耦合系数最大的发射子线圈作为充电线圈。

具体地，参看图6，将无线充电设备的单个信号发射线圈设计为具有多个发射子线圈进一步为：B201，将信号发射线圈设计为具有至少三个引出端，将其中一个引出端作为公共端，使其余两个引出端可分别与公共端形成第一发射子线圈、第二发射子线圈；

B202，若第一发射子线圈与接收线圈的耦合系数大于第二发射子线圈与接收线圈的耦合系数，则选择第一发射子线圈作为充电线圈；

B202＇，若第二发射子线圈与接收线圈的耦合系数小于第二发射子线圈与接收线圈的耦合系数，则选择第二发射子线圈作为充电线圈。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种无线充电设备的无线发射端，其特征在于，包括：

信号发射线圈，所述信号发射线圈由外圈绕至内圈，所述信号发射线圈的内圈端部为第一内圈连接端，所述信号发射线圈还包括第一外圈连接端、第二外圈连接端；

选通模块,所述选通模块被配置为根据外部接收端中的接收线圈选通所述第一外圈连接端与所述第一内圈连接端形成第一发射子线圈或者选通所述第二外圈连接端与所述第一内圈连接端形成第二发射子线圈；

所述选通模块包括控制器、线圈电流电压采样电路、线圈选择电路；

线圈选择电路与所述第一内圈连接端、所述第一外圈连接端、所述第二外圈连接端分别电连接，所述线圈选择电路被配置为切换所述第一外圈连接端与所述第一内圈连接端形成所述第一发射子线圈或者切换所述第二外圈连接端与所述第一内圈连接端形成所述第二发射子线圈；

所述控制器被配置为响应于所述接收线圈的介入，所述控制器控制所述线圈选择电路依次切换所述第一发射子线圈、所述第二发射子线圈；

响应于所述线圈选择电路的切换动作，所述线圈电流电压采样电路分别采集所述第一发射子线圈、所述第二发射子线圈的电流电压信号，

所述控制器被配置为根据所述线圈电流电压采样电路采集的电流电压信号选取与所述接收线圈耦合状态最好的发射子线圈。

2.如权利要求1所述的无线充电设备的无线发射端，其特征在于，所述选通模块被配置为根据所述接收线圈选通所述第一发射子线圈或第二发射子线圈具体为选取与所述接收线圈耦合状态最好的发射子线圈。

3.一种无线充电设备的无线发射端，其特征在于，包括信号发射线圈及选通模块，所述信号发射线圈具有至少三个引出端，其中一个引出端为公共端，所述选通模块被配置为根据外部接收端中的接收线圈选通其余两个所述引出端中的一个与所述公共端形成发射子线圈，以实现所述无线发射端与所述接收线圈的最佳耦合。

4.一种无线充电设备，其特征在于，包括权利要求1～3任意一项所述的无线发射端。

5.一种信号发射端的线圈，其特征在于，作为无线充电线圈，信号发射线圈具有至少三个引出端，其中一个引出端为公共端，其余两个所述引出端分别与所述公共端形成第一发射子线圈、第二发射子线圈；所述第一发射子线圈的外径尺寸与所述第二发射子线圈的外径尺寸不同；或者所述第一发射子线圈的内径尺寸与所述第二发射子线圈的内径尺寸不同；

所述第一发射子线圈、所述第二发射子线圈用于匹配不同尺寸的外部信号接收线圈。

6.一种提高无线充电耦合系数的方法，其特征在于，所述方法用于提高无线充电设备对不同接收终端的耦合系数，所述接收终端的接收线圈的尺寸不同，所述方法具体为：

将所述无线充电设备的单个信号发射线圈设计为具有多个发射子线圈；

选择多个所述发射子线圈中与所述接收线圈的耦合系数最大的发射子线圈作为充电线圈。

7.如权利要求6所述的提高无线充电耦合系数的方法，其特征在于，将所述无线充电设备的单个信号发射线圈设计为具有多个发射子线圈进一步为：

将所述信号发射线圈设计为具有至少三个引出端，将其中一个引出端作为公共端，使其余两个所述引出端分别与所述公共端形成第一发射子线圈、第二发射子线圈；

若所述第一发射子线圈与所述接收线圈的耦合系数大于所述第二发射子线圈与所述接收线圈的耦合系数，则选择所述第一发射子线圈作为所述充电线圈；

若所述第二发射子线圈与所述接收线圈的耦合系数小于所述第二发射子线圈与所述接收线圈的耦合系数，则选择所述第二发射子线圈作所述为充电线圈。

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