CN110829553B - 无源长距离无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无源长距离无线充电系统，该无线充电系统由发射电磁波信号的发射单元和接收电磁波信号的接收单元构成；接收单元包括接收天线、第一阻抗匹配电路、射频整流电路、第二阻抗匹配电路、电源存储电路以及升压电路；接收单元通过接收天线接收发射单元发射的电磁波信号，接收天线的输出端经第一阻抗匹配电路连接至射频整流电路的输入端，射频整流电路的输出端经第二阻抗匹配电路连接至电源存储电路的输入端，电源存储电路的输出端连接升压电路的输入端，升压电路的输出端连接负载为负载供电。本发明使得待充电设备能够通过接收天线实现较远距离的无线充电，解决了现有可穿戴设备无线充电距离有限，充电位置存在限制的问题。

Description

无源长距离无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种无源长距离无线充电系统。

背景技术

现行的可穿戴设备因功能强大受到越来越多的用户的青睐。对可穿戴设备来说，最大的挑战是如何恰当、方便地为它们持续供电，而对于目前很多的手环和手表设计来说，用户都必须先把它们脱下来，插到有线充电器上才能充电，充电较为麻烦。

为了解决上述问题，很多产品采用了电磁感应式充电方案。该方案利用共振线圈传导电能。具体的，在充电器中设置发送线圈，在可穿戴设备上设置接收线圈，通过在发送线圈施加变化的电流以产生电磁场变化，变化的电磁场耦合至接收线圈，使得接收线圈产生充电电流或者充电电压，从而实现对可穿戴设备的无线充电。例如，iWatch即采用了电磁感应式充电方案。

但是电磁感应能够作用的距离十分有限，一般为毫米级或者厘米级，因此用户也仍然需要将可穿戴设备脱下来，放到充电器上去充电，使得可穿戴设备的充电位置具有很大的限制性。

发明内容

本发明提供一种无源长距离无线充电系统，以解决现有可穿戴设备无线 充电距离有限，充电位置存在限制的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种无源长距离无线充电系统，该无线充电系统由发射电磁波信号的发射单元和接收电磁波信号的接收单元构成；所述接收单元包括接收天线、射频整流模块、电源存储电路以及升压电路；所述射频整流模块包括第一阻抗匹配电路、射频整流电路、第二阻抗匹配电路；所述接收单元通过接收天线接收发射单元发射的电磁波信号；所述接收天线的输出端经第一阻抗匹配电路连接至射频整流电路的输入端，所述射频整流电路的输出端经第二阻抗匹配电路连接至电源存储电路的输入端，所述电源存储电路的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接负载为负载供电；所述射频整流电路用于将所述电磁波信号转换为直流信号，通过在所述射频整流电路的输入端和输出端分别连接第一阻抗匹配电路和第二阻抗匹配电路使得进入射频整流电路的电磁波信号具有最大传输能量；所述电源存储电路用于存储经射频整流模块整流后的电能；所述升压电路用于将所述电源存储电路存储的所述直流信号进行放大以供负载使用。

上述技术方案进一步改进的技术方案如下：

1.上述技术方案中，所述射频整流模块至少包括一组射频整流电路，所述射频整流电路包括射频整流芯片和电感。

2.上述技术方案中，所述第一阻抗匹配电路和所述第二阻抗匹配电路由电感和电容构成或由单独的电容构成。

3.上述技术方案中，所述射频整流模块包括第一射频整流电路和第二射频整流电路，所述第一射频整流电路包括电感L2和射频整流芯片D1，所述第二射频整流电路包括电感L8和射频整流芯片D2；所述第一阻抗匹配电路包括电感L1和电容C5；所述第二阻抗匹配电路包括电容C6和C3；所述射频整流模块的结构为：所述电感L1的引脚1作为射频整流模块的输入端，并与接收天线的引脚1相连，所述电感L1的引脚2与电感L2的引脚1、电感L8的引脚1及电容C5的一端相连，所述电感L2的引脚2连接射频整流芯片D1的引脚1，所述射频整流芯片D1的引脚2与电容C6的一端及射频整流模块的输出端相连，所述电感L8的引脚2连接射频整流芯片D2的引脚1，所述射频整流芯片D2的引脚2与电容C3的一端及射频整流模块的输出端相连，所述射频整流芯片D1的引脚3、射频整流芯片D2的引脚3、电容C3的另一端、电容C5的另一端及电容C6的另一端皆接地。

4.上述技术方案中，所述电源存储电路由并联的超级电容C9和超级电容C10构成，所述超级电容C9的正极和超级电容C10的正极并联后分别作为电源存储电路的输入端和输出端，所述超级电容C9的负极和超级电容C10的负极并联后接地。

5.上述技术方案中，所述升压电路包括升压芯片U1、电容C1、电感L4、电阻R1和电阻R2；所述升压电路的结构为：所述电容C1的一端、电感L4的一端及升压芯片的引脚6相连作为所述升压芯片的输入端，所述电感L4的另一端连接升压芯片的引脚1，所述升压芯片的引脚4与电阻R1的一端及电阻R2的一端相连，所述电容C1的另一端、升压芯片的引脚2及电阻R1的另一端皆接地，所述电阻R2的另一端与升压芯片的引脚5相连作为升压芯片的输出端DC_OUT。

6.上述技术方案中，所述升压电路还包括用于存储电源的超级电容C4，所述超级电容C4的一端连接升压电路的输出端DC_OUT，其另一端接地。

7.上述技术方案中，所述电源存储电路和升压电路之间还设有保护电路，所述保护电路为电源存储电路工作时提供过压断路保护；所述保护电路包括NMOS管Q2、PMOS管Q3、NMOS管Q4、电阻R10、电阻R11、电阻R12，所述PMOS管Q3的漏极、NMOS管Q4的漏极及电阻R12的一端相连作为保护电路的输入端，所述保护电路的输入连接电源存储电路的输出端，所述电阻R12的另一端与NMOS管Q2的漏极相连，所述NMOS管Q2的源极与电阻R11的一端、电阻R10的一端、PMOS管Q3的源极、NMOS管Q4的源极相连，所述NMOS管Q2的栅极接地，所述电阻R10的另一端和电阻R11的另一端连接后接地，所述PMOS管Q3的源极为该保护电路的输出端，所述保护电路的输出端连接升压电路的输入端。

8.上述技术方案中，还包括复位电路，所述复位电路包括复位芯片U3、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、NMOS管Q1，所述复位芯片U3的引脚1与电阻R8的一端相连作为复位电路的输入端，所述复位芯片的引脚2和引脚3连接后接地，所述复位芯片的引脚5经电阻R7后连接至复位芯片的引脚4，所述复位芯片的引脚4与电阻R8的另一端、电阻R9的一端、NMOS管Q1的漏极相连，所述NMOS管Q1的源极及电阻R9的另一端皆接地，所述NMOS管Q1的栅极经电阻R6后接地。

9.上述技术方案中，所述接收单元位于所述发射单元9米半径范围内。

10.上述技术方案中，所述发射单元与所述接收单元采用一对一或一对多的配合方式传输电磁波信号。

11.上述技术方案中，当所述接收天线接收到的电磁波信号其输出端电压低至100mV，则经过射频整流模块后仍能保证射频整流电路的输出端电压为1.2-1.5V。

12.上述技术方案中，所述升压电路的输出端电压为5V。

13.上述技术方案中，所述接收天线的型号为433MHz、868 MHz、915 MHz 、2.4 GHz或5.8 GHz中的一种或多种。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明通过由接收天线、射频整流模块、电源存储电路以及升压电路构成的无线充电系统的接收单元，其中接收天线用于接收电磁波信号，射频整流模块用于将接收天线接收到的电磁波信号转换成直流信号，电源存储电路用于存储经射频整流模块整流升压的电能，升压电路用于放大存储于电源存储电路的电压以供负载使用，使得待充电设备能够通过接收天线实现较远距离的无线充电，解决了现有可穿戴设备无线充电距离有限，充电位置存在限制的问题。

使用方便，非接触式供电，可以方便的对一些低功耗的无线传感器网络节点设备进行充电。

接收距离远，射频能量发射基站覆盖范围可达9m，即在该距离范围内的节点设备都可以接收到无线能量进行充电。

安全性高，本发明设计了保护电路，避免过压对电源存储模块的危害，为负载提供稳定的充电电压。

通过射频整流模块的电路设计，能够实现对接收天线接收到的微弱的视频能量进行整流放大，当所述接收天线接收到的电磁波信号低至100mV，射频整流模块仍能持续采集且经过射频整流模块后仍能保证射频整流模块的输出端电压为1.2-1.5V。

附图说明

图1本发明实施例中接收单元的结构示意图。

图2是本发明实施例中射频整流模块与接收天线连接的结构示意图。

图3是本发明实施例中提供的升压电路的结构示意图。

图4是本发明实施例中保护电路的结构示意图。

图5是本发明实施例中复位电路的结构示意图。

其中：1、接收天线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述：

实施例1

参阅图1，本实施例提供一种无源长距离无线充电系统，该无线充电系统由发射电磁波信号的发射单元和接收电磁波信号的接收单元构成；接收单元包括接收天线、射频整流模块、电源存储电路以及升压电路；其中射频整流模块包括第一阻抗匹配电路、射频整流电路、第二阻抗匹配电路；接收单元通过接收天线接收发射单元发射的电磁波信号；接收天线的输出端经第一阻抗匹配电路连接至射频整流电路的输入端，射频整流电路的输出端经第二阻抗匹配电路连接至电源存储电路的输入端，电源存储电路的输出端连接升压电路的输入端，升压电路的输出端连接负载为负载供电；射频整流电路用于将所述电磁波信号转换为直流信号，通过在射频整流电路的输入端和输出端分别连接第一阻抗匹配电路和第二阻抗匹配电路使得进入射频整流电路的电磁波信号具有最大传输能量；升压电路用于将直流信号进行放大以供负载使用。

射频整流模块至少包括一组射频整流电路，射频整流电路包括射频整流芯片和电感。所述第一阻抗匹配电路和所述第二阻抗匹配电路由电感和电容构成或由单独的电容构成。

具体地，射频整流模块包括第一射频整流电路和第二射频整流电路，第一射频整流电路包括电感L2和射频整流芯片D1，第二射频整流电路包括电感L8和射频整流芯片D2；第一阻抗匹配电路包括电感L1和电容C5；第二阻抗匹配电路包括电容C6和C3。

优选地，本实施例中射频整流模块的结构（可参阅图2中给出的实施例2的第一射频整流模块的电路图）为：电感L1的引脚1作为射频整流模块的输入端，并与接收天线的引脚1相连，电感L1的引脚2与电感L2的引脚1、电感L8的引脚1及电容C5的一端相连，电感L2的引脚2连接射频整流芯片D1的引脚1，射频整流芯片D1的引脚2与电容C6的一端及射频整流模块的输出端相连，电感L8的引脚2连接射频整流芯片D2的引脚1，射频整流芯片D2的引脚2与电容C3的一端及射频整流模块的输出端相连，射频整流芯片D1的引脚3、射频整流芯片D2的引脚3、电容C3的另一端、电容C5的另一端及电容C6的另一端皆接地。

具体地，电源存储电路由并联的超级电容C9和超级电容C10构成，超级电容C9的正极和超级电容C10的正极并联后分别作为电源存储电路的输入端和输出端，超级电容C9的负极和超级电容C10的负极并联后接地。

具体地，参阅图3，升压电路包括升压芯片U1、电容C1、电感L4、电阻R1和电阻R2；本实施例中升压电路的结构为：电容C1的一端、电感L4的一端及升压芯片的引脚6相连作为所述升压芯片的输入端，电感L4的另一端连接升压芯片的引脚1，升压芯片的引脚4与电阻R1的一端及电阻R2的一端相连，电容C1的另一端、升压芯片的引脚2及电阻R1的另一端皆接地，电阻R2的另一端与升压芯片的引脚5相连作为升压芯片的输出端DC_OUT。

优选地，所述升压电路还包括用于存储电源的超级电容C4，该超级电容C4的一端连接升压电路的输出端DC_OUT，其另一端接地。

具体地，参阅图4，电源存储电路和升压电路之间还设有保护电路，保护电路为电源存储电路工作时提供过压断路保护；保护电路包括NMOS管Q2、PMOS管Q3、NMOS管Q4、电阻R10、电阻R11、电阻R12，PMOS管Q3的漏极、NMOS管Q4的漏极及电阻R12的一端相连作为保护电路的输入端，保护电路的输入端连接电源存储电路的输出端，电阻R12的另一端与NMOS管Q2的漏极相连，NMOS管Q2的栅极与电阻R11的一端、电阻R10的一端、PMOS管Q3的栅极、NMOS管Q4的栅极相连，NMOS管Q2的源极接地，电阻R10的另一端和电阻R11的另一端连接后接地，PMOS管Q3的源极为该保护电路的输出端，保护电路的输出端连接升压电路的输入端。优选地，本实施例中电源存储电路的超级电容C9和C10的负极并联后连接NMOS管Q2的源极然后接地。

具体地参阅图5，还包括复位电路，复位电路包括复位芯片U3、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、NMOS管Q1，复位芯片U3的引脚1与电阻R8的一端相连作为复位电路的输入端，复位芯片的引脚2和引脚3连接后接地，复位芯片的引脚5经电阻R7后连接至复位芯片的引脚4，复位芯片的引脚4与电阻R8的另一端、电阻R9的一端、NMOS管Q1的漏极相连，NMOS管Q1的源极及电阻R9的另一端皆接地，NMOS管Q1的栅极经电阻R6后接地。

接收单元位于发射单元9米半径范围内；优选地接收单元位于发射单元3-5米半径范围内。

当所述接收天线接收到的电磁波信号低至100mV，则经过射频整流模块后仍能保证射频整流电路的输出端电压为1.2-1.5V。

所述升压电路的输出端电压为5V。

上述接收天线型号为433MHz或868MHz 或915 MHz或2.4 GHz或5.8 GHz中的一种或多种。

实施例2

参阅图2，本实施例提供的一种无源长距离无线充电系统，在上述实施例1的基础上，区别的地方在于：包括第一接收天线、第二接收天线、第一射频整流模块和第二射频整流模块，其中第一射频整流模块包括第一射频整流电路、第二射频整流电路、第一阻抗匹配电路及第二阻抗匹配电路，其中第一射频整流模块的输入端连接第一接收天线的引脚1，第一射频整流模块的电路结构同实施例1的射频整流模块。

本实施例中第三射频整流电路包括电感L6和射频整流芯片D3，第四射频整流电路包括电感L7和射频整流芯片D4；第三阻抗匹配电路包括电感L5和电容C8；第四阻抗匹配电路包括电容C2和C7。本实施例的第二射频整流模块的结构为：电感L5的引脚1作为射频整流模块的输入端，并与第二接收天线的引脚1相连，电感L5的引脚2与电感L6的引脚1、电感L7的引脚1及电容C8的一端相连，电感L6的引脚2连接射频整流芯片D3的引脚1，射频整流芯片D3的引脚2与电容C2的一端及第二射频整流模块的输出端相连，电感L7的引脚2连接射频整流芯片D4的引脚1，射频整流芯片D4的引脚2与电容C7的一端及第二射频整流模块的输出端相连，射频整流芯片D3的引脚3、射频整流芯片D4的引脚3、电容C2的另一端、电容C7的另一端及电容C8的另一端皆接地；所述第二射频整流模块的输出端同第一射频整流模块的输出端皆连接电源存储电路的输入端。

优选地，上述各个零部件的规格参数为：电感L1的电感量优选为3.3nH,电感L2的电感量优选为15nH，电感L4的电感量优选为为4.7μH，电感L5的电感量优选为为3.3nH，电感L6的电感量优选为为15nH，电感L8的电感量优选为为15nH；电阻R1的阻值优选为422KΩ，电阻R2的阻值优选为1MΩ，电阻R6的阻值优选为10KΩ，电阻R7的阻值优选为10KΩ，电阻R8的阻值优选为2.2MΩ，电阻R9的阻值优选为422KΩ，电阻R10的阻值优选为1.21MΩ，电阻R11的阻值优选为10KΩ，电阻R12的阻值优选为2.87Ω；电容C1的电容量优选为10μF，电容C2的电容量优选为22nF，电容C3的电容量优选为22nF，电容C4的电容量优选为10μF，电容C5的电容量优选为1.5pF，电容C6的电容量优选为22nF，电容C7的电容量优选为22nF，电容C8的电容量优选为1.5pF；射频整流芯片D1、D2、D3、D4型号优选为SMS7630；升压芯片U1型号优选为PCC150；NMOS管Q1的型号优选为IRLML6344、NMOS管Q2的型号优选为IRLML6344、PMOS管Q3的型号优选为IRLML6344、NMOS管Q4的型号优选为IRLML6344；复位芯片U3的型号优选为MAX9064EUK+。

针对上述实施例1和实施例2，本发明进一步解释及可能产生的变化描述如下：

1.上述实施例中所述发射单元与所述接收单元采用一对一或一对多的配合方式传输电磁波信号，实际应用中可以是一对二、一对三、一对四、一对十、一对二十等等，具体发射单元与接收单元的配合关系，依据实际需要确定。

2.上述实施例中优选地接收单元位于发射单元3-5米半径范围内，只是作为一种较佳方案，但并不限定于此，并不能以此限定本发明的保护范围，实际应用中接收单元可以位于发射单元1米、2米、4米、6米、7米、8.5米等等，只要接收单元在反射装置9米半径范围内都能保证稳定的接收电磁波信号。

3.本发明射频整流模块至少包括一组射频整流电路，上述实施例1中给出了由第一射频整流电路和第二射频整流电路并联而成的射频整流模块；上述实施例2给出了由第一射频整流电路和第二射频整流电路并联而成的第一射频整流模块，由第三射频整流电路和第四射频整流电路并联而成的第二射频整流模块，即由第一射频整流模块和第二射频整流模块构成的射频整流模块；上述实施例1和实施例2只是给出了两种较佳方案，但不限定于此，也不能因此限定本发明的保护范围，实际中还可以是由单一的射频整流电路构成，也可以是三组射频整流电路、还可以是多组射频整流模块每个射频整流模块又可以包括多个射频整流电路，具体选择何种射频整流电路组合而成的射频整流模块依据负载的大小和充电时间而定。

4. 上述接收天线型号为433MHz或868MHz 或915 MHz或2.4 GHz或5.8 GHz中的一种或多种，具体选择哪种频段型号的接收天线可依据实际应用国家或地区的具体公开频段而定。

5. 上述实施例中给出的各个零部件的规格参数值参阅图2至图5只是一种优选方案，并不限定于此，并不能以此限定本发明的保护范围。

本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (9)

1.一种无源长距离无线充电系统，其特征在于：

该无线充电系统由发射电磁波信号的发射单元和接收电磁波信号的接收单元构成；所述接收单元包括接收天线（1）、射频整流模块、电源存储电路以及升压电路；所述射频整流模块包括第一阻抗匹配电路、射频整流电路、第二阻抗匹配电路；

所述接收单元通过接收天线（1）接收发射单元发射的电磁波信号；所述接收天线（1）的输出端经第一阻抗匹配电路连接至射频整流电路的输入端，所述射频整流电路的输出端经第二阻抗匹配电路连接至电源存储电路的输入端，所述电源存储电路的输出端连接升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接负载为负载供电；

所述射频整流电路用于将所述电磁波信号转换为直流信号，通过在所述射频整流电路的输入端和输出端分别连接第一阻抗匹配电路和第二阻抗匹配电路使得进入射频整流电路的电磁波信号具有最大传输能量；所述电源存储电路用于存储经射频整流模块整流后的电能；所述升压电路用于将所述电源存储电路存储的所述直流信号进行放大以供负载使用；

所述射频整流电路包括第一射频整流电路和第二射频整流电路，所述第一射频整流电路包括电感L2和射频整流芯片D1，所述第二射频整流电路包括电感L8和射频整流芯片D2；所述第一阻抗匹配电路包括电感L1和电容C5；所述第二阻抗匹配电路包括电容C6和C3；

所述射频整流模块的结构为：所述电感L1的引脚1作为射频整流模块的输入端，并与接收天线的引脚1相连；所述电感L1的引脚2与电感L2的引脚1、电感L8的引脚1及电容C5的一端相连，所述电感L2的引脚2连接射频整流芯片D1的引脚1，所述射频整流芯片D1的引脚2与电容C6的一端及射频整流模块的输出端相连，所述电感L8的引脚2连接射频整流芯片D2的引脚1，所述射频整流芯片D2的引脚2与电容C3的一端及射频整流模块的输出端相连，所述射频整流芯片D1的引脚3、射频整流芯片D2的引脚3、电容C3的另一端、电容C5的另一端及电容C6的另一端皆接地；

所述升压电路包括升压芯片U1、电容C1、电感L4、电阻R1和电阻R2；所述升压电路的结构为：所述电容C1的一端、电感L4的一端及升压芯片U1的引脚6相连作为所述升压芯片U1的输入端，所述电感L4的另一端连接升压芯片U1的引脚1，所述升压芯片U1的引脚4与电阻R1的一端及电阻R2的一端相连，所述电容C1的另一端、升压芯片U1的引脚2及电阻R1的另一端皆接地，所述电阻R2的另一端与升压芯片U1的引脚5相连作为升压芯片U1的输出端DC_OUT；

所述无线充电系统至少包含一组所述射频整流模块。

2.根据权利要求1所述的无源长距离无线充电系统，其特征在于：所述电源存储电路由并联的超级电容C9和超级电容C10构成，所述超级电容C9的正极和超级电容C10的正极并联后分别作为电源存储电路的输入端和输出端，所述超级电容C9的负极和超级电容C10的负极并联后接地。

3.根据权利要求1所述的无源长距离无线充电系统，其特征在于：所述升压电路还包括用于存储电源的超级电容C4，所述超级电容C4的一端连接升压电路的输出端DC_OUT，其另一端接地。

4.根据权利要求1所述的无源长距离无线充电系统，其特征在于：还包括复位电路，所述复位电路包括复位芯片U3、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、NMOS管Q1，所述复位芯片U3的引脚1与电阻R8的一端相连作为复位电路的输入端，所述复位芯片U3的引脚2和引脚3连接后接地，所述复位芯片U3的引脚5经电阻R7后连接至复位芯片U3的引脚4，所述复位芯片U3的引脚4与电阻R8的另一端、电阻R9的一端、NMOS管Q1的漏极相连，所述NMOS管Q1的源极及电阻R9的另一端皆接地，所述NMOS管Q1的栅极经电阻R6后接地。

5.根据权利要求1所述的无源长距离无线充电系统，其特征在于：所述接收单元位于所述发射单元9米半径范围内。

6.根据权利要求1所述的无源长距离无线充电系统，其特征在于：所述发射单元与所述接收单元采用一对一或一对多的配合方式传输电磁波信号。

7.根据权利要求1所述的无源长距离无线充电系统，其特征在于：当所述接收天线接收到的电磁波信号低至100mV，则经过射频整流模块后仍能保证射频整流电路的输出端电压为1.2-1.5V。

8.根据权利要求1所述的无源长距离无线充电系统，其特征在于：所述升压电路的输出端电压为5V。

9.根据权利要求1所述的无源长距离无线充电系统，其特征在于：所述接收天线的型号为433MHz、868 MHz、915 MHz 、2.4 GHz 或5.8 GHz中的一种或多种。

Images