CN110850158A - 一种用于充电器主板的充电效率计算及校准电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种成本低、操作便捷、精度高且效率高的用于充电器主板的充电效率计算及校准电路，以及利用该电路进行无线充电器主板的充电效率计算和校准的方法。该电路包括采样电路（1）、整流电路（2）、电子负载（3）和信号处理电路（4），采样电路实现充电发送端电压电流检测，并作为基准对充电器主板进行校准，整流电路实现将接收线圈的AC电流整流变为DC直流电流；电子负载模拟被充设备提供电流可调的电子负载；信号处理电路完成充电器效率计算；该方法包括以下步骤：获取无线充电发送端的功率，检测所述接收线圈（71）端的功率，充电器主板的充电效率计算，对待测充电器主板进行校准。本发明用于主板测试领域。

Description

一种用于充电器主板的充电效率计算及校准电路和方法

技术领域

本发明涉及主板测试领域，尤其涉及一种用于充电器主板的充电效率计算及校准电路和方法。

背景技术

当前，无线充电主要有四种方式实现：电磁感应、磁场共振、电场耦合和无线电波。其中，应用最广泛、技术最成熟的当属第一种方式——利用电磁感应的原理，通过供电设备与被充设备之间相互靠近的线圈，实现电信号-磁信号-电信号的转化，并依据收发双方的协议，完成供电与通信的功能。相较于有线充电，电磁感应方式实现无线充电有着一定的限制，比如传输距离太短，通常在几毫米到几厘米之间，且充电效率不高。目前，针对传输距离和效率提升的研究仍是无线充电的关键所在。为节省资源、提升效率以及满足现代化测试的要求，一种有效快捷的无线充电效率计算方案在为提高无线充电效率的研发过程中显得尤为重要。

当前，对交流信号的测量多针对三相交流电或是单相交流电，涉及无线充电的功率测量基本以仪器测量为主导，其存在着成本高、不易推广、人工带来的误差大等不足。为此，需设计一种成本低、操作便捷、精度高、效率高的测试方案，以提高无线充电器测试的效率，提升测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种成本低、操作便捷、精度高且效率高的用于充电器主板的充电效率计算及校准电路，以及利用该电路对无线充电器主板进行充电效率计算和校准的方法。

本发明所述用于充电器主板的充电效率计算及校准电路所采用的技术方案是：本发明包括采样电路、整流电路、电子负载和信号处理电路，

所述采样电路连接在无线充电发送端的升压芯片与待测充电器主板之间，所述采样电路的输出端连接至所述信号处理电路，用于对无线充电发送端电压和电流的检测，并作为基准发送至所述信号处理电路与待测充电器主板读得的电压电流进行比较，对待测充电器主板进行校准；

所述整流电路连接在收发线圈的接收线圈与所述电子负载之间，用于将所述接收线圈的交流电流整流成直流并向所述电子负载供电；

所述电子负载连接在所述整流电路与所述信号处理电路之间，用于模拟电流可调的被充设备负载；

所述信号处理电路分别与所述采样电路所述整流电路及所述电子负载连接，用于接收来自无线充电发送端的电压电流值和所述接收线圈端的电压电流值，分别计算两端的功率，通过比较得到充电效率。

上述方案可见，通过采样电路对无线充电发送端电压和电流检测，将检测到的电压和电流发送至所述信号处理电路进行无线充电发送端功率计算并作为基准与待测充电器主板读得的电压电流进行比较，通过曲线拟合实现对待测充电器主板进行校准，在方便地检测到无线发送端的功率的同时，能够通过发送端功率与待测充电器主板获得的功率进行对比，进行最小二乘法和曲线拟合处理，得到校准西系数和偏置值，进而快速实现充电器主板功率因数校准，提高充电器的充电精度，实现无线充电的精准控制；而整流电路将接收线圈的交流电流整流成直流并向所述电子负载供电，以便于对接收线圈端的功率进行计算，实现功率获取，整流电路在这里起到转换的作用；电子负载则是为了模拟无线充电设备，无线充电器通过收发线圈实现充电输出，快速实现检测接收线圈端的电流和电压，便于接收线圈端的功率计算；信号处理电路则自动实现充电器主板的功率计算，提高测试效率；与现有的采用昂贵的标准仪器等组件而成的充电器测试设备相比，大大地降低了成本，且测试效率大大地提高了，整个电路能够实现自动化运行，减少了人为因素的引入，提高了操作便捷性，也极大地提高了功率计算的精确度，还保证了校准的速度和校准精度。

进一步地，所述信号处理电路包括MCU、数模转换器、模数转换器和存储器，所述数模转换器接收来自所述电子负载的DAC输入，所述模数转换器接收来自无线充电发送端的电压输入、所述采样电路的电流输入、所述整流电路的电压输入以及所述电子负载的电流输入。由此可见，通过数模转换器和模数转换器的设置，能够实现快速的数模转换和模数转换，并对采集电路输入的电压和电流值进行快速乘积计算，对整流电路输入的电压和电流进行快速乘积计算，进而快速计算得到充电器的充电效率；信号处理电路的设置提高了效率计算速度和计算精度，保证了测试稳定性和准确性。

再进一步地，所述采样电路包括第一采样电阻以及第一仪表运放器，所述第一仪表运放器的同向和反向输入端分别连接在所述第一采样电阻的两端，所述第一仪表运放器的输出直流电流信号至所述模数转换器。由此可见，采样电路的结构简单，能够对无线充电发送端的的电压和电流快速实现检测，且检测效率高，检测精度高。

又进一步地，所述整流电路包括连接在所述接收线圈两端的第一继电器开关、与所述第一继电器开关相连接的桥式整流器、分压电阻以及第二继电器开关，在所述桥式整流器的输出端连接有由第十电阻构成的启动电路。由此可见，通过桥式整流器的设置，实现交流转直流，且通过启动电路的设置能够提高效应速度和输出精度，分压电阻则能够实现过压保护。

此外，所述电子负载包括MOS管、第二采样电阻、第二仪表运放器以及比较器，所述第二仪表运放器连接在所述第二采样电阻的两端，所述第二采样电阻、所述MOS管和所述比较器之间通过场效应管连接，其中第二采样电阻连接所述场效应管的源极，所述MOS管连接所述场效应管的漏极，所述比较器连接所述场效应管的栅极，所述比较器的正向输入端提供设置目标电流值，所述第二仪表运放器将所述第二采样电阻两端的电压放大后输出到所述比较器的反向输入端，所述比较器输出信号到所述MOS管进行控制。由此可见，电子负载能够模拟不同规格的被充设备，实现对充电器主板的全功能测试，通过MOS管、第二采样电阻、第二仪表运放器、比较器以及场效应管的配合，最终实现需要的电流和电压输出，充电器的充电效率测试提供保证。

进一步地，所述桥式整流器由第七二极管、第八二极管、第九二极管及第十二极管组成。由此可见，该桥式整流器结构简单，成本低。

又进一步地，所述数模转换器的型号为AD5663，所述模数转换器的型号为AD7172。由此可见，选择选择精度高、质量好的模数转换器和数模转换器，能够保证效率技术精度和校准精度，提高整个电路的可靠性。

另外，利用上述电路进行无线充电器主板的充电效率计算和校准的方法包括以下步骤：

a. 获取无线充电发送端的功率：所述升压芯片将输入电压提升后输入到待测充电器主板上，转换成交流，所述采样电路通过所述第一采样电阻采集无线充电发送端的电压值Vboost和电流值Iboost，经所述第一仪表运放器放大后输入所述信号处理电路进行电压与电流的乘积，得到无线充电发送端的功率；

b. 检测所述接收线圈端的功率：所述整流电路将所述接收线圈的交流电流整流成直流并向所述电子负载供电，所述信号处理电路的模数转换器检测到所述接收线圈端的电压值Vrect，所述电子负载将获得的电流值输入所述信号处理电路的模数转换器，检测到流经所述接收线圈端的电流值Irect，将检测到的电压值Vrect和电流值Irect进行乘积，得到所述接收线圈端的功率；

c.充电器主板的充电效率计算：所述信号处理电路将步骤b中得到的所述接收线圈端的功率与步骤a中得到的无线充电发送端的功率进行除法运算，得到待测充电器主板的充电效率，其计算公式如下：

；

d. 对待测充电器主板进行校准：将所述步骤a中检测得到的无线充电发送端的功率Vboost×Iboost作为参考标准，在所述升压芯片向待测充电器主板上电后，待测充电器主板读取自身的电压值Vsns和电流值Isns，得到待测充电器主板的功率，将无线充电发送端的功率与待测充电器主板的功率做对比，进行最小二乘法，将两者拟合直线，得出校准系数与偏置值，实现对待测充电器主板内的ADC的校准。

上述方案可见，本发明方法操作简单，测试方便，测试精度高，与传统仪器直接测量的方式不同，本发明采用无线充电发送端直流采样、接收线圈端采用桥式整流器整流后通过信号处理电路，巧妙地实现充电器主板与被充设备功率的计算，将两者比值从而得出充电效率；在舍弃庞大的标准仪器后，极大节约了人力物力成本，集成度高，可移植性强，仅需在操作界面端操作即可自动完成目标功能的测试，提高了测试效率和测试精度，减少了人为因素的影响。

进一步地，将无线充电发送端的功率与待测充电器主板的功率作对比，进行最小二乘法，将两者拟合直线，得出校准系数与偏置值的具体步骤如下：

1）设拟合直线的公式为：y=k*x+b；

2)其中，拟合直线的斜率为：

；

计算出斜率后，根据

,和已经确定的斜率k，利用待定系数法求出截距b，y表示无线充电发送端的功率，x表示待测充电器主板的功率。

由此可见，采用该方法进行充电器效率计算，能够满足各种不同规格的充电器的效率测试，扩展测试范围和测试功能，此外，该方法简单，操作便捷，成本低，测试精度高。

附图说明

图1是本发明的原理结构框图；

图2是所述采样电路的电路原理图；

图3是所述整流电路的电路原理图；

图4是所述电子负载的电路原理图；

图5是所述信号处理电路的MCU的电路原理图；

图6是所述信号处理电路的数模转换器DAC的电路原理图；

图7是所述信号处理电路的模数转换器ADC的电路原理图；

图8是所述信号处理电路的存储器的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括采样电路1、整流电路2、电子负载3和信号处理电路4。在本发明中，待测的无线充电器主板的无线充电发送端主要由BOOST升压芯片和功率全桥电路组成，主板通过BOOST芯片，实现电压抬升，充电器端则将BOOST电压通过功率全桥电路，由DC信号转变为AC交流信号，送到收发线圈7中的发送线圈72。采样电路1连接在BOOST升压芯片和无线充电端的功率全桥电路之间。

所述信号处理电路4分别与所述采样电路1所述整流电路2及所述电子负载3连接，用于接收来自无线充电发送端的电压电流值和所述接收线圈71端的电压电流值，分别计算两端的功率，通过比较得到充电效率。所述信号处理电路4包括MCU、数模转换器DAC、模数转换器ADC和存储器，所述数模转换器DAC接收来自所述电子负载3的DAC输入，所述模数转换器ADC接收来自无线充电发送端的电压输入、所述采样电路1的电流输入、所述整流电路2的电压输入以及所述电子负载3的电流输入。在本实施例中，所述数模转换器DAC的型号为AD5663，所述模数转换器ADC的型号为AD7172。

所述采样电路1连接在无线充电发送端的升压芯片5与待测充电器主板6之间，所述采样电路1的输出端连接至所述信号处理电路4，用于对无线充电发送端电压和电流的检测，并作为基准发送至所述信号处理电路4与待测充电器主板6读得的电压电流进行比较，对待测充电器主板6进行校准。所述采样电路1包括第一采样电阻R6以及第一仪表运放器U2，所述第一仪表运放器U2的同向和反向输入端分别连接在所述第一采样电阻R6的两端，所述第一仪表运放器U2的输出直流电流信号至所述模数转换器ADC。在所述采样电路中，电压电流均为DC直流信号，可以方便地测出发送功率，如图2所示，利用采样电阻R6和仪表运放U2，可以将Iboost通过BOOST_CURRENT发送入信号处理电路4的ADC中；无线充电发送端电压同样送入信号处理电路4的ADC中，二者乘积即为发送功率。

所述整流电路2连接在收发线圈7的接收线圈71与所述电子负载3之间，用于将所述接收线圈71的交流电流整流成直流并向所述电子负载3供电。所述整流电路2包括连接在所述接收线圈71两端的第一继电器开关K7、与所述第一继电器开关K7相连接的桥式整流器8、分压电阻R8、R11以及第二继电器开关K8，在所述桥式整流器8的输出端连接有由第十电阻R10构成的启动电路。所述桥式整流器8由第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9及第十二极管D10组成。接收线圈71接收到来自发送线圈72的交流信号后，经二极管桥式整流器实现将交流电流整流为直流信号。直流电压可以经分压第吧电阻R8和第十一电阻R11后送入信号处理电路4的模数转换器ADC中读取，同时搭载电子负载实现既定电流的抽取，从而乘积得出接收功率。

所述电子负载3连接在所述整流电路2与所述信号处理电路4之间，用于模拟电流可调的被充设备负载。所述电子负载3包括MOS管Q11、第二采样电阻R45、第二仪表运放器U3以及比较器U11A，它们共同组成恒流电阻电路。所述第二仪表运放器U3连接在所述第二采样电阻R45的两端，所述第二采样电阻R45、所述MOS管Q11和所述比较器U11A之间通过场效应管Q12连接，其中第二采样电阻R45连接所述场效应管Q12的源极，所述MOS管Q11连接所述场效应管Q12的漏极，所述比较器U11A连接所述场效应管Q12的栅极，所述比较器U11A的正向输入端提供设置目标电流值，所述第二仪表运放器U3将所述第二采样电阻R45两端的电压放大后输出到所述比较器U11A的反向输入端，所述比较器U11A输出信号到所述MOS管Q11进行控制。如图4所示，比较器U11A的正向输入端为外部设置，即设定的目标电流值，通过对电流通路上的第二采样电阻R45的两端电压采样放大，进而在第二仪表运放器U3输出端得到一个可以表征电流的电压值，将该值送回反向输入端，从而使比较器U11A产生输出，控制MOS管Q12的内部沟道宽窄，在达到动态平衡时，Q12内部沟道不再变化，从而电流达到目标值。

本发明利用上述电路对待测充电器主板进行充电效率计算和校准的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a. 获取无线充电发送端的功率：所述升压芯片5将输入电压提升后输入到待测充电器主板6上，转换成交流，所述采样电路1通过所述第一采样电阻R6采集无线充电发送端的电压值Vboost和电流值Iboost，经所述第一仪表运放器U2放大后输入所述信号处理电路进行电压与电流的乘积，得到无线充电发送端的功率；

b. 检测所述接收线圈71端的功率：所述整流电路2将所述接收线圈71的交流电流整流成直流并向所述电子负载3供电，所述信号处理电路4的模数转换器ADC检测到所述接收线圈71端的电压值Vrect，所述电子负载3将获得的电流值输入所述信号处理电路4的模数转换器ADC，检测到流经所述接收线圈71端的电流值Irect，将检测到的电压值Vrect和电流值Irect进行乘积，得到所述接收线圈71端的功率；

c.充电器主板的充电效率计算：所述信号处理电路4将步骤b中得到的所述接收线圈71端的功率与步骤a中得到的无线充电发送端的功率进行除法运算，得到待测充电器主板的充电效率，其计算公式如下：

；

d. 对待测充电器主板进行校准：将所述步骤a中检测得到的无线充电发送端的功率Vboost×Iboost作为参考标准，在所述升压芯片5向待测充电器主板6上电后，待测充电器主板6读取自身的电压值Vsns和电流值Isns，得到待测充电器主板6的功率，将无线充电发送端的功率与待测充电器主板6的功率做对比，进行最小二乘法，将两者拟合直线，得出校准系数与偏置值，实现对待测充电器主板内的ADC的校准。

在步骤d中，将无线充电发送端的功率与待测充电器主板6的功率作对比，进行最小二乘法，将两者拟合直线，得出校准系数与偏置值的具体步骤如下：

1）设拟合直线的公式为：y=k*x+b；

2）其中，拟合直线的斜率为：

；

计算出斜率后，根据

,和已经确定的斜率k，利用待定系数法求出截距b，y表示无线充电发送端的功率，x表示待测充电器主板的功率。

本发明通过设计无线充电功率测量电路，准确地测量出被充设备端的使用功率，并测出充电设备端的发送功率，与发送端自身回读的功率作对比，校准充电端的测量，实现节约成本，方便操作，易于移植，计算准确的多方面优化，省去人工使用仪器测量的烦恼和不便，给测试测量带来便利。

Claims (9)

1.一种用于充电器主板的充电效率计算及校准电路，其特征在于：它包括采样电路（1）、整流电路（2）、电子负载（3）和信号处理电路（4），

所述采样电路（1）连接在无线充电发送端的升压芯片（5）与待测充电器主板（6）之间，所述采样电路（1）的输出端连接至所述信号处理电路（4），用于对无线充电发送端电压和电流的检测，并作为基准发送至所述信号处理电路（4）与待测充电器主板（6）读得的电压电流进行比较，对待测充电器主板（6）进行校准；

所述整流电路（2）连接在收发线圈（7）的接收线圈（71）与所述电子负载（3）之间，用于将所述接收线圈（71）的交流电流整流成直流并向所述电子负载（3）供电；

所述电子负载（3）连接在所述整流电路（2）与所述信号处理电路（4）之间，用于模拟电流可调的被充设备负载；

所述信号处理电路（4）分别与所述采样电路（1）所述整流电路（2）及所述电子负载（3）连接，用于接收来自无线充电发送端的电压电流值和所述接收线圈（71）端的电压电流值，分别计算两端的功率，通过比较得到充电效率。

2.根据权利要求1所述的一种用于充电器主板的充电效率计算及校准电路，其特征在于：所述信号处理电路（4）包括MCU、数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）和存储器，所述数模转换器（DAC）接收来自所述电子负载（3）的DAC输入，所述模数转换器（ADC）接收来自无线充电发送端的电压输入、所述采样电路（1）的电流输入、所述整流电路（2）的电压输入以及所述电子负载（3）的电流输入。

3.根据权利要求2所述的一种用于充电器主板的充电效率计算及校准电路，其特征在于：所述采样电路（1）包括第一采样电阻（R6）以及第一仪表运放器（U2），所述第一仪表运放器（U2）的同向和反向输入端分别连接在所述第一采样电阻（R6）的两端，所述第一仪表运放器（U2）的输出直流电流信号至所述模数转换器（ADC）。

4.根据权利要求3所述的一种用于充电器主板的充电效率计算及校准电路，其特征在于：所述整流电路（2）包括连接在所述接收线圈（71）两端的第一继电器开关（K7）、与所述第一继电器开关（K7）相连接的桥式整流器（8）、分压电阻（R8、R11）以及第二继电器开关（K8），在所述桥式整流器（8）的输出端连接有由第十电阻（R10）构成的启动电路。

5.根据权利要求4所述的一种用于充电器主板的充电效率计算及校准电路，其特征在于：所述电子负载（3）包括MOS管（Q11）、第二采样电阻（R45）、第二仪表运放器（U3）以及比较器（U11A），所述第二仪表运放器（U3）连接在所述第二采样电阻（R45）的两端，所述第二采样电阻（R45）、所述MOS管（Q11）和所述比较器（U11A）之间通过场效应管（Q12）连接，其中第二采样电阻（R45）连接所述场效应管（Q12）的源极，所述MOS管（Q11）连接所述场效应管（Q12）的漏极，所述比较器（U11A）连接所述场效应管（Q12）的栅极，所述比较器（U11A）的正向输入端提供设置目标电流值，所述第二仪表运放器（U3）将所述第二采样电阻（R45）两端的电压放大后输出到所述比较器（U11A）的反向输入端，所述比较器（U11A）输出信号到所述MOS管（Q11）进行控制。

6.根据权利要求4所述的一种用于充电器主板的充电效率计算及校准电路，其特征在于：所述桥式整流器（8）由第七二极管（D7）、第八二极管（D8）、第九二极管（D9）及第十二极管（D10）组成。

7.根据权利要求2所述的一种用于充电器主板的充电效率计算及校准电路，其特征在于：所述数模转换器（DAC）的型号为AD5663，所述模数转换器（ADC）的型号为AD7172。

8.一种利用如权利要求5所述的用于充电器主板的充电效率计算及校准电路对待测充电器主板进行充电效率计算和校准的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a. 获取无线充电发送端的功率：所述升压芯片（5）将输入电压提升后输入到待测充电器主板（6）上，转换成交流，所述采样电路（1）通过所述第一采样电阻（R6）采集无线充电发送端的电压值Vboost和电流值Iboost，经所述第一仪表运放器（U2）放大后输入所述信号处理电路进行电压与电流的乘积，得到无线充电发送端的功率；

b. 检测所述接收线圈（71）端的功率：所述整流电路（2）将所述接收线圈（71）的交流电流整流成直流并向所述电子负载（3）供电，所述信号处理电路（4）的模数转换器（ADC）检测到所述接收线圈（71）端的电压值Vrect，所述电子负载（3）将获得的电流值输入所述信号处理电路（4）的模数转换器（ADC），检测到流经所述接收线圈（71）端的电流值Irect，将检测到的电压值Vrect和电流值Irect进行乘积，得到所述接收线圈（71）端的功率；

c.充电器主板的充电效率计算：所述信号处理电路（4）将步骤b中得到的所述接收线圈（71）端的功率与步骤a中得到的无线充电发送端的功率进行除法运算，得到待测充电器主板的充电效率，其计算公式如下：

；

d. 对待测充电器主板进行校准：将所述步骤a中检测得到的无线充电发送端的功率Vboost×Iboost作为参考标准，在所述升压芯片（5）向待测充电器主板（6）上电后，待测充电器主板（6）读取自身的电压值Vsns和电流值Isns，得到待测充电器主板（6）的功率，将无线充电发送端的功率与待测充电器主板（6）的功率做对比，进行最小二乘法，将两者拟合直线，得出校准系数与偏置值，实现对待测充电器主板内的ADC的校准。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤d中，将无线充电发送端的功率与待测充电器主板（6）的功率作对比，进行最小二乘法，将两者拟合直线，得出校准系数与偏置值的具体步骤如下：

1）设拟合直线的公式为：y=k*x+b；

2)其中，拟合直线的斜率为：

；

根据

,和已经确定的斜率k，利用待定系数法求出截距b，y表示无线充电发送端的功率，x表示待测充电器主板的功率。

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