CN110460165A - 一种无线充电发射器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种无线充电发射器，包括：谐振电路(201)，用于产生磁场能量；功率放大电路(202)，用于提供产生磁场能量所需的交流电；零电压开关网络(203)，包括电感、电容、第一开关及第二开关，其中，第二开关与电感并联，再与第一开关及电容串联，用于对功率放大电路(202)的开关节点进行充放电；零电流检测电路(204)，用于产生控制信号控制第一开关及第二开关的开关状态及检测通过电感的电流。由于零电压开关网络(203)两个开关的设置使得通过电感的电流从连续性电流变为非连续性电流，极大地减小ZVS网络电感和电容的尺寸，进而降低电路成本及PCB板的面积。
Description
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域，尤其涉及一种无线充电发射器及其控制方法。
背景技术
现有的无线充电发射端常采用D型功率放大器。由于D型放大器的开关节点存在很大的寄生电容，需要采用零电压开关(Zero-Voltage Switching，ZVS)技术来提高转换效率。传统的ZVS技术采用连续导通模式(Continuous-Conduction Mode，CCM)工作模式，需要体积很大的ZVS电感和电容，提高了成本且增加了印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)的面积。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本发明提出一种无线充电发射器及其控制方法，用于至少部分解决上述技术问题之一。
(二)技术方案
本发明一方面提供一种无线充电发射器，包括：谐振电路201，用于产生磁场能量；功率放大电路202，用于提供产生磁场能量所需的交流电；零电压开关网络203，包括电感、电容、第一开关及第二开关，其中，第二开关与电感并联，再与第一开关及电容串联，用于对功率放大电路202的开关节点进行充放电；零电流检测电路204，用于产生控制信号控制第一开关及第二开关的开关状态及检测通过电感的电流。
可选地，零电流检测电路204包括信号产生电路，功率放大电路202包括两个功率开关，在两个功率开关相互切换的时间段内，信号产生电路产生控制信号控制第一开关导通，第二开关断开。
可选地，零电流检测电路204还包括检测电路，用于检测通过电感的电流；若检测电路检测到通过电感的电流为0，则信号产生电路产生控制信号控制第一开关断开，第二开关导通。
可选地，功率放大电路202包括两个功率开关，无线充电发射器还包括：零电压环路控制电路205，用于产生驱动信号控制两个功率开关的切换。
可选地，零电压环路控制电路205包括采样电路和开关控制电路；采样电路采样功率放大电路202的开关节点电压及电源电压，比较开关节点电压与电源电压的电压差；开关控制电路根据电压差产生驱动信号控制两个功率开关的切换。
可选地，采样电路在零电压开关网络203对功率放大电路202的开关节点充放电结束时，采样开关节点电压及电源电压。
可选地，电容通过电感对功率放大电路202的开关节点进行充放电。
本发明另一方面提供一种无线充电发射器的控制方法，无线充电发射器包括谐振电路201、功率放大电路202、零电压开关网络203、零电流检测电路204及零电压环路控制电路205，其中零电压开关网络203包括电感、电容、第一开关及第二开关，第二开关与电感并联，再与第一开关及电容串联，控制方法包括：
S1，在功率放大电路202的两个功率开关切换的时间段内，零电流检测电路204控制第一开关导通，第二开关断开，对功率放大电路202的开关节点进行充放电，产生交流电；S2，零电流检测电路204检测通过电感的电流，根据电流控制第一开关及第二开关的开关状态。
可选地，控制方法还包括：S3，当零电压开关网络203对功率放大电路202的开关节点进行充放电结束时，采样开关节点电压及功率放大电路202电源电压，计算两者电压差，零电压环路控制电路205根据电压差控制功率放大电路202的功率开关的切换；S4，谐振电路201根据功率开关的切换产生磁场能量。
可选地，S2包括：若电流为0，则零电流检测电路204控制第一开关断开，第二开关导通。
(三)有益效果
本发明提出的一种无线充电发射器及其控制方法，通过在传统的ZVS网络中设置两个开关及与该两个开关对应的零电流检测电路，使得通过ZVS网络电感的电流从连续性电流变为非连续性电流，即电感只在无线充电发射器功率放大电路的功率开关切换的时间段内有电流，其它时间电感的电流为零，可极大地减小ZVS网络电感和电容的尺寸，进而降低电路成本及PCB板的面积。
附图说明
图1示意性示出了采用传统CCM工作模式的无线充电发射端结构的示意图。
图2示意性示出了图1所示无线充电发射端电流电压曲线图。
图3示意性示出了本发明实施例提供一种无线充电发射器结构示意图。
图4示意性示出了本发明实施例提供的无线充电发射端电流电压曲线图。
图5示意性示出了本发明实施例提供的一种第一开关MZ1及第二开关MZ2的具体实现方式示意图。
图6示意性示出了本发明实施例提供一种无线充电发射器的控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参见图1，图1为采用传统CCM工作模式的无线充电发射端结构的示意图，如图1所示，L1为无线充电发射器的原级线圈(Req是接收器等效到原级线圈端的负载电阻)，电容C1与L1组成发射端的谐振网络。M1和M2是功率放大电路的功率开关，在开关节点VSW1点的寄生电容分别为CS1和CS2，其等效总电容为Coss。由于发射器一般电源电压较高，M1和M2常采用DMOS，导致Coss容值较大。当M1和M2开关切换时，在电容Coss上的电荷将被放电而浪费，每个周期的能量损失可达CossVDD 2，严重降低了发射器的效率，而在VSW1点接上由LZ和CZ组成的ZVS网络101以挽回在Coss上的损耗，提高发射效率。其工作原理为：在M1和M2切换的死区时间中，Coss通过LZ和CZ组成的ZVS网络完成充放电。
请参见图2，图2为图1所示无线充电发射端电流电压曲线图，如图2所示，L1和C1谐振时，电流I1与电压VSW1同相位，通常CZ需要足够大使得其上的电压VZ在稳态保持基本恒定。此时，电流IZ是一个三角波形，它的斜率可以表示为：
m1＝(VDD-VZ)/LZ，-m2＝-VZ/LZ
通过在一个周期内压秒平衡(voltage-second balance)，可以得到以下关系式：
VZ＝VDD/2，m1＝m2＝VDD/(2Lz)，I0＝VDDTo/(8Lz)
10是IZ的幅值，To＝1/fo是开关切换的周期。在死区时间tDT(＜＜T0)内，IZ可以近似为I0，CZ和Coss之间需要传输的电荷为CossVDD，因此可得到LZ的电感值为：
LZ＝tDT/(8foCOSS)
由上述公式可以看出，LZ正比于tDT，而反比于I0。在实际工作中，tDT不能太小，否则太快的VSW1切换有可能让M1和M2被错误开启。同时，I0不能过大，否则增加流过M1和M2的电流从而增加导通损耗。因此，传统的ZVS技术通常需要较大的LZ，从而增加了成本和PCB面积。
基于传统ZVS技术的缺陷，本发明一实施例提供一种无线充电发射器，其结构如图3所示，该无线充电发射器包括：
谐振电路201，用于产生磁场能量，并发射该磁场能量至接收端。该谐振电路201由电感L1及电容C1串联而成，该电感L1例如是空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈等，该电容C1例如是陶瓷电容、极板电容、电解电容、云母电容等，具体本发明不加以限制。
功率放大电路202，用于提供产生磁场能量所需的交流电。该功率放大电路202由两个功率开关M1、M2及驱动电路组成。两个功率开关M1和M2例如是DMOS，具体本发明不加以限制。
零电压开关网络203，包括电感LZ、电容CZ、第一开关MZ1及第二开关MZ2，其中，第二开关MZ2与电感LZ并联，再与第一开关MZ1及电容CZ串联，用于对功率放大电路202的开关节点进行充放电。该电感LZ例如是空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈等，该电容CZ例如是陶瓷电容、极板电容、电解电容、云母电容等，具体本发明不加以限制。
当功率开关M1和M2相互切换时段内(死区时间tDT内)，第一开关MZ1导通，第二开关MZ2断开，当开关节点电压VSW1从低到高变化时，电感CZ通过LZ对VSW1点充电，而当开关节点电压VSW1从高到低变化时，开关节点通过LZ对CZ充电。在其它时间，第二开关MZ2导通，第一开关MZ1关断，Iz的电流变为0。其电流电压曲线图如图4所示，可以清楚的看到，在死区时间tDT内，电感LZ才有电流通过。
零电流检测电路204，用于产生控制信号控制第一开关MZ1及第二开关MZ2的开关状态及检测通过电感LZ的电流。具体的，零电流检测电路204包括电流检测电路及控制第一开关MZ1及第二开关MZ2开关状态的控制信号CLKz1和CLKz2的信号产生电路，在死区时间tDT内信号产生电路控制第一开关MZ1导通，第二开关MZ2断开。当检测电路检测到通过电感LZ的电流为零时，信号产生电路产生控制信号CLKz1和CLKz2，使得在通过电感LZ的电流为零时，第一开关MZ1断开，第二开关MZ2导通。基于该种设计，使得通过电感LZ的电流Iz从传统的连续性电流变为非连续性电流，从而减小电感LZ的值。由于Iz的纹波变小，使得电容CZ上的电压变化也变小，从而可以使用一个更小的电容CZ。
本实施提供了一种第一开关MZ1及第二开关MZ2的具体实现方式，如图5所示，第一开关MZ1和第二开关MZ2均采用了一种由两个N型MOSFET源端相连的方式连接在一起的双向开关。当其栅源电压为高电平时，两个N型MOSFET均开启，此时第一开关MZ1和第二开关MZ2处于导通状态；当其栅源电压为低电平时，两个N型MOSFET均关断，其中至少有一个N型MOSFET的体二极管处于反偏，可以保证第一开关MZ1和第二开关MZ2处于关断状态。
零电压环路控制电路205，用于产生驱动信号控制两个功率开关的切换。具体地，零电压环路控制电路205包括采样电路及开关控制电路，采样电路用于采样功率放大电路202的开关节点电压及电源电压，在零电压开关网络203对功率放大电路202的开关节点充放电过程中，当VSW1从低到高(从高到低)变化结束时，采样电路采样功率放大电路202的开关节点电压VSW1及电源电压VDD(VSS)，并比较开关节点电压与电源电压的电压差；开关控制电路根据该电压差产生合适的信号控制功率开关M1和M2的切换，该合适的信号例如是导通功率开关M1，断开功率开关M2；或者导通功率开关M2，断开功率开关M1。
本实施例提供的一种无线充电发射器，其零电压开关网络203具有更小的电感及电容，降低了器件成本及PCB板的面积。
请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种无线充电发射器的控制方法流程图，该无线充电发射器包括谐振电路201、功率放大电路202、零电压开关网络203、零电流检测电路204及零电压环路控制电路205，其中零电压开关网络203包括电感、电容、第一开关及第二开关，第二开关与电感并联，再与第一开关及电容串联。未尽细节之处请参见前述实施例。该控制方法包括：
S1，在功率放大电路202的两个功率开关切换的时间段内，零电流检测电路204控制第一开关导通，第二开关断开，对功率放大电路202的开关节点进行充放电，产生交流电。
具体地，功率开关切换时，零电压开关网络203的电感CZ通过LZ对功率放大电路202的开关节点VSW1点充放电。
S2，零电流检测电路204检测通过电感的电流，根据电流控制第一开关及第二开关的开关状态。
若检测到通过零电压开关网络203的电感的电流不为0，则零电流检测电路204控制第一开关第二开关保持原有的开关状态。若电流为0，则零电流检测电路204控制第一开关断开，第二开关导通。
S3，当零电压开关网络203对功率放大电路202的开关节点进行充放电结束时，采样开关节点电压及功率放大电路202电源电压，计算两者电压差，零电压环路控制电路205根据电压差控制功率放大电路202的功率开关的切换。
S4，谐振电路201根据功率开关的切换产生磁场能量。
谐振电路201由电感和电容组成，构成LC振荡电路，当功率放大电路202通过功率开关的切换，产生电磁振荡，从而产生磁场能量。
因无线充电发射器工作是一个循环的过程，因控制方法不仅限于上述步骤顺序。
本发明实施例提出一种无线充电发射器的控制方法，由于可通过第一开关及第二开关的导通与断开，使得零电压开关网络的电感仅在死区时间内有电流，提高了发射效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无线充电发射器，其特征在于，包括：
谐振电路(201)，用于产生磁场能量；
功率放大电路(202)，用于提供产生所述磁场能量所需的交流电；
零电压开关网络(203)，包括电感、电容、第一开关及第二开关，其中，所述第二开关与所述电感并联，再与所述第一开关及所述电容串联，用于对所述功率放大电路(202)的开关节点进行充放电；
零电流检测电路(204)，用于产生控制信号控制所述第一开关及第二开关的开关状态及检测通过所述电感的电流。
2.根据权利要求1所述的无线充电发射器，其特征在于，所述零电流检测电路(204)包括信号产生电路，所述功率放大电路(202)包括两个功率开关，在所述两个功率开关相互切换的时间段内，所述信号产生电路产生控制信号控制所述第一开关导通，所述第二开关断开。
3.根据权利要求2所述的无线充电发射器，其特征在于，所述零电流检测电路(204)还包括检测电路，用于检测通过所述电感的电流；
若所述检测电路检测到通过所述电感的电流为0，则所述信号产生电路产生控制信号控制所述第一开关断开，所述第二开关导通。
4.根据权利要求1所述的无线充电发射器，其特征在于，所述功率放大电路(202)包括两个功率开关，所述无线充电发射器还包括：
零电压环路控制电路(205)，用于产生驱动信号控制所述两个功率开关的切换。
5.根据权利要求4所述的无线充电发射器，其特征在于，所述零电压环路控制电路(205)包括采样电路和开关控制电路；
所述采样电路采样所述功率放大电路(202)的开关节点电压及电源电压，比较所述开关节点电压与所述电源电压的电压差；
所述开关控制电路根据所述电压差产生驱动信号控制所述两个功率开关的切换。
6.根据权利要求5所述的无线充电发射器，其特征在于，所述采样电路在所述零电压开关网络(203)对所述功率放大电路(202)的开关节点充放电结束时，采样所述开关节点电压及电源电压。
7.根据权利要求1所述的无线充电发射器，其特征在于，所述电容通过所述电感对所述功率放大电路(202)的开关节点进行充放电。
8.一种无线充电发射器的控制方法，其特征在于，所述无线充电发射器包括谐振电路(201)、功率放大电路(202)、零电压开关网络(203)、零电流检测电路(204)及零电压环路控制电路(205)，其中所述零电压开关网络(203)包括电感、电容、第一开关及第二开关，所述第二开关与所述电感并联，再与所述第一开关及所述电容串联，控制方法包括：
S1，在所述功率放大电路(202)的两个功率开关切换的时间段内，所述零电流检测电路(204)控制所述第一开关导通，第二开关断开，对所述功率放大电路(202)的开关节点进行充放电，产生交流电；
S2，所述零电流检测电路(204)检测通过所述电感的电流，根据所述电流控制所述第一开关及所述第二开关的开关状态。
9.根据权利要求8所述的控制方法，所述控制方法还包括：
S3，当所述零电压开关网络(203)对所述功率放大电路(202)的开关节点进行充放电结束时，采样开关节点电压及所述功率放大电路(202)电源电压，计算两者电压差，零电压环路控制电路(205)根据所述电压差控制所述功率放大电路(202)的功率开关的切换；
S4，所述谐振电路(201)根据所述功率开关的切换产生磁场能量。
10.根据权利要求9所述的控制方法，所述S2包括：若所述电流为0，则所述零电流检测电路(204)控制所述第一开关断开，所述第二开关导通。
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