CN111313523B - 一种恒电流无线能量发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种恒电流无线能量发射系统属于电子设备的技术领域。结构有电源管理电路(1)、电压调节电路(2)、能量发射电桥(3)、取样电路(4)、电流判断电路(5)、空载检测电路(6)、输出自动控制电路(7)、电桥驱动电路(8)和PWM产生电路(9)。本发明能够自动调节能量发射电桥的工作电压，使发射系统始终工作在最佳的电压，提高了发射系统的效率，且能够空载自动断电，有载自动启动，系统安全可靠且使用方便。

Description

一种恒电流无线能量发射系统

技术领域

本发明属于无线能量传输技术领域。特别涉及一种充电电流恒定的无线能量发射系统。

背景技术

自电力进入人类生活后，电线作为传输电能的媒质几乎无处不在，为我们的生活带来很多便利。但有线能量传输方式会受限于空间占用、用电设备接触带来潜在的安全隐患等问题。而无线能量传输系统中不存在直接电气连接，可实现无线设备不受空间限制的能量供给，且具有无接插环节、无裸露导体、无漏电触电危险等优势。毫无疑问，无线电能传输正逐渐在诸如电动汽车、手机、平板电脑、生物医学等用电设备的充电或供电中发挥着越来越重要的作用。

与本申请最接近的现有技术是申请号为2018108887219的中国专利“一种电抗自适应无线能量发射系统”，该专利通过将220V/50Hz的市电整流成直流稳压电，再由高频逆变电路逆变成50kHz的高频交流电，发射线圈(呈电感性)配合适当的电容进行选频谐振，将电能转换成磁能，再通过磁耦合共振的方式由接收线圈接收能量，以实现无线充电，同时该专利通过补偿电抗，使系统给不同负载充电时均能保持最佳的谐振状态，有效扩大了对负载的适应范围。

但上述专利也存在一定的缺点：其核心的高频逆变电路采用固定电压进行供电，而接收端反射到发射系统的等效阻抗则是千变万化的，当反射阻抗变小时，会导致逆变电流增大，从而对系统构成威胁甚至造成损坏，反之当反射阻抗变大时，则会导致逆变电流减小，造成充电功率过小，减慢充电速度。另一方面，当负载完全消失(如充满或将充电的设备移开)时系统不会自动停止发射能量，根据互感耦合理论，发射系统反而会最大功率发射能量，造成能量的损失和系统的损坏。

综上，为了进一步提高发射系统的安全性和可靠性，现有的无线能量传输系统还需要进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺点，提供一种恒电流无线能量发射系统，以适应充电时负载的变化、提高系统的安全性。

本发明的具体的技术方案是：

一种恒电流无线能量发射系统，结构有电源管理电路1、能量发射电桥3、电桥驱动电路8和PWM产生电路9，其特征在于，结构还有电压调节电路2、取样电路4、电流判断电路5、空载检测电路6和输出自动控制电路7；所述的电源管理电路1的输入端与市电相连，输出端为系统中其它各模块提供所需的电源；电压调节电路2的输出端分别与空载检测电路6的输入端和能量发射电桥3的输入端相连，能量发射电桥3的输出端与取样电路4的输入端相连，取样电路4的输出端与电流判断电路5的输入端相连，电流判断电路5的输出端与电压调节电路2的输入端相连，空载检测电路6的输出端与输出自动控制电路7的输入端相连，输出自动控制电路7的输出端与电桥驱动电路8的一个输入端相连，PWM产生电路9的输出端与电桥驱动电路8的另一个输入端相连，电桥驱动电路8的输出端与能量发射电桥3的输入端相连；

所述的电压调节电路2的结构为：电容C5的一端、电阻R3的一端接电源VCC/2，电容C5的另一端与运放U1B的反相输入端、电阻R4的一端及运放U2A的同相输入端相连，电阻R3的另一端与运放U1B的同相输入端、电阻R5的一端相连，运放U1B的输出端与电阻R4的另一端、电阻R5的另一端相连，运放U2A的反相输入端作为所述的电压调节电路2的第二输入端，记为端口P2_in2，与电流判断电路5的输出端相连，运放U2A的输出端与场效应管Q1的栅极相连，场效应管Q1的漏极作为所述的电压调节电路2的第一输入端，记为端口P2_in1，与电源管理电路1的端口P1_out1相连，场效应管Q1的源极与电感L1的一端、二极管D3的负极相连，电感L1的另一端与电解电容C6的正极相连，并作为电压调节电路2的输出端，记为端口P2_out，电解电容C6的负极与二极管D3的正极相连并接地；

所述的能量发射电桥3的结构为：场效应管Q2、Q3、Q4、Q5的栅极分别记为端口P3_in1、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in6，场效应管Q2的漏极与场效应管Q4的漏极相连，记为端口P3_in7，场效应管Q2的源极与场效应管Q3的源极、电容C7的一端相连，记为端口P3_in2，电容C7的另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与场效应管Q4、Q5的源极相连，记为端口P3_in5，场效应管Q3的漏极与场效应管Q5的漏极、电阻R6的一端相连，记为端口P3_out，电阻R6的另一端接地；其中，端口P3_in1、端口P3_in2、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in5、端口P3_in6、端口P3_in7、作为所述能量发射电桥3的7个输入端，端口P3_in1、端口P3_in2、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in5、端口P3_in6均与电桥驱动电路8相连，端口P3_in7与电压调节电路2的端口P2_out相连；端口P3_out作为所述能量发射电桥的输出端，与取样电路4相连；

所述的取样电路4的结构为：运放U2B的同相输入端作为取样电路4的输入端，记为端口P4_in，与能量发射电桥3的端口P3_out相连；运放U2B的输出端与二极管D4的正极、电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与运放U2B的反相输入端、电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端接地，二极管D4的负极与电容C8的一端、电阻R9的一端相连，作为取样电路4的输出端，记为端口P4_out，与电流判断电路5的输入端相连；电容C8的另一端、电阻R9的另一端接地；

所述的电流判断电路5的结构为：电阻R11的一端接电源VCC，另一端与二极管D5的负极、运放U3A的同相输入端相连，运放U3A的输出端与电阻R12的一端、可变电阻器R20的一端相连，可变电阻器R20的另一端与运放U3A的反相输入端、电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端、二极管D5的正极接地；电阻R12的另一端与运放U3B的反相输入端、电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端与运放U3B的输出端相连，作为电流判断电路5的输出端，记为端口P5_out，与电压调节电路2的端口P2_in2相连，运放U3B的同相输入端与电阻R15、电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端接电源VCC/2，电阻R15的另一端作为电流判断电路5的输入端，记为端口P5_in，与取样电路4的端口P4_out相连；

所述的空载检测电路6的结构为：电阻R17的一端接电源VCC，另一端与二极管D6的负极、滑动变阻器W2的一端相连，二极管D6的正极与滑动变阻器W2的另一端接地；滑动变阻器W2的滑线端与运放U5A的反相输入端相连，运放U5A的同相输入端与电阻R18的一端、二极管D7的正极相连，电阻R18的另一端作为空载检测电路6的输入端，记为端口P6_in，与电压调节电路2的端口P2_out相连，二极管D7的负极与滑动变阻器W1的滑线端相连，滑动变阻器W1的一端接电源VCC，另一端接地；运放U5A的输出端作为空载检测电路6的输出端，记为端口P6_out，与输出自动控制电路7的输入端相连；

所述的输出自动控制电路7的结构为：三极管Q6的集电极接电源VCC，基极作为输出自动控制电路7的输入端，记为端口P7_in，与空载检测电路6的端口P6_out相连，三极管Q6的发射端与电阻R19的一端、电阻R20的一端、三极管Q9的发射极相连，电阻R19的另一端接地，电阻R20的另一端与电容C9的一端、反相器U11A的输入端相连，电容C9的另一端接地，反相器U11A的输出端与D触发器U10A的CK端相连，D触发器U10A的D端、CLR端与电容C11的一端接地，D触发器U10A的PR端与电容C11的另一端、电阻R21的一端、二极管D8的正极相连，D触发器U10A的端与二极管D8的负极、电阻R21的另一端、场效应管Q7、Q8的栅极相连，场效应管Q7、Q8的源极接地，漏极分别作为输出自动控制电路7的两个输出端，记为端口P7_out1和端口P7_out2，与电桥驱动电路8相连，D触发器U10A的Q端与D触发器U10B的CK端相连，D触发器U10B的D端、CLR端与电容C10的一端接地，电容C10的另一端与二极管D9的正极、电阻R22的一端、D触发器U10B的PR端相连，D触发器U10B的/>端与二极管D9的负极、电阻R22的另一端相连，D触发器U10B的Q端与反相器U11B的输入端相连，反相器U11B的输出端与三极管Q9的基极相连，三极管Q9的集电极接电源VCC；

所述的电桥驱动电路8的结构为：芯片U8的2端口与芯片U9的3端口相连，记为端口P8_in1，芯片U8的3端口与芯片U9的2端口相连，记为端口P8_in2，端口P8_in1、端口P8_in2作为所述电桥驱动电路8的两个输入端，分别与输出自动控制电路7的端口P7_out1、端口P7_out2相连，还与PWM产生电路9的输出端相连；芯片U8的1端口与电容C12的一端接电源VCC，电容C12的另一端与芯片U8的4端口接地，芯片U8的5端口接电阻R26的一端，电阻R26的另一端记为端口P8_out3，芯片U8的6端口接电容C14的一端和电阻R29的一端，记为端口P8_out2，芯片U8的7端口接电阻R25的一端，电阻R25的另一端与电阻R29的另一端相连，记为端口P8_out1，芯片U8的8端口接电容C14的另一端和二极管D10的负极，二极管D10的正极接电阻R23的一端，电阻R23的另一端接电源VCC；芯片U9的1端口与电容C13的一端接电源VCC，电容C13的另一端与芯片U9的4端口接地，芯片U9的5端口接电阻R28的一端，电阻R28的另一端记为端口P8_out6，芯片U8的6端口接电容C15的一端和电阻R30的一端，记为端口P8_out5，芯片U8的7端口接电阻R27的一端，电阻R27的另一端与电阻R30的另一端相连，记为端口P8_out4，芯片U8的8端口接电容C15的另一端和二极管D11的负极，二极管D11的正极接电阻R24的一端，电阻R24的另一端接电源VCC；所述的芯片U8和芯片U9是MOS管驱动芯片，型号均为IR2101；其中，端口P8_out1、端口P8_out2、端口P8_out3、端口P8_out4、端口P8_out5、端口P8_out6作为所述电桥驱动电路8的6个输出端，分别依次与能量发射电桥3的端口P3_in1、端口P3_in2、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in5、端口P3_in6相连。

本发明的一种恒电流无线能量发射系统中，所述的电源管理电路1可以是任何能够将220V交流电变换成所需直流稳压电源的电路，也可以参照以下结构：变压器T1的输入端与市电相连，三个输出端分别与整流桥D1、整流桥D2的输入端相连；整流桥D1的输出端负极接电解电容C1的负极并接地，整流桥D1的输出端正极接电解电容C1的正极并作为所述的电源管理电路1的第一输出端，记为端口P1_out1，为电压调节电路2供电；整流桥D2的输出端负极接电解电容C2的负极并接地，整流桥D2的输出端正极接电解电容C2的正极并与芯片LM7812的1端口相连，还与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与芯片LM7812的2端口相连并接地，电容C4的一端接地，另一端与芯片LM7812的3端口相连，并与电阻R2的一端相连，作为所述的电源管理电路1的第二输出端，记为端口P1_out2，为系统中各模块提供电源VCC，电阻R2的另一端与电阻R1的一端及运放U1A的同相输入端相连，电阻R1的另一端接地，运放U1A的反相输入端与输出端相连，作为所述的电源管理电路1的第三输出端，记为端口P1_out3，为电压调节电路2和电流判断电路5提供电源VCC/2。

本发明的一种恒电流无线能量发射系统中，所述的PWM产生电路9可以是任何能够产生两路互补PWM信号的电路，更优选的是能产生带“死区”的互补PWM信号的电路，具体结构如下：电阻R31的一端接电源VCC，另一端与电阻R32以及555定时器U7的7端口相连，电阻R32的另一端与电容C19的一端以及555定时器U7的2端口、6端口相连，电容C19的另一端接地，555定时器U7的4端口、8端口接电源VCC，1端口接地，5端口通过电容C16接地，3端口接反相器U13的和反相器U13B的输入端，反相器U13B的输出端记为端口P9_out1，反相器U13A的输出端与电阻R34相连，电阻R34的另一端与反相器U13C的输入端及电容C17的一端相连，电容C17的另一端接地，反相器U13C的输出端接D触发器U12A的CK端，D触发器U12A的D端和CLR端接地，PR端接电容C18的一端、电阻R33的一端和二极管D12的正极，电容C18的另一端接地，D触发器U12A的端与电阻R33的另一端、二极管D12的负极相连，D触发器U12A的Q端与反相器U13D的输入端相连，反相器U13D的输出端记为端口P9_out2；端口P9_out1、端口P9_out2作为所述PWM产生电路9的两个输出端，分别与电桥驱动电路8的端口P8_in1、端口P8_in2相连。

本发明一种恒电流无线能量发射系统有以下有益效果：

1、本发明通过取样电路、电流判断电路和电压调节电路相配合，自动调节能量发射电桥的工作电压，使发射系统始终工作在最佳的电压，提高了发射系统的效率。

2、本发明通过空载检测电路和输出自动控制电路相配合，有效防止了发射系统在空载时进行大功率能量发射，使发射系统能够安全可靠地工作。

3、本发明通过输出自动控制电路实现有负载时自启动，使系统使用更方便。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图。

图2是电源管理电路1的原理框图。

图3是电压调节电路2的原理电路图。

图4是能量发射电桥3的原理电路图。

图5是取样电路4的原理电路图。

图6是电流判断电路5的原理电路图。

图7是空载检测电路6的原理电路图。

图8是输出自动控制电路7的原理电路图。

图9是电桥驱动电路8的原理电路图。

图10是PWM产生电路9的原理电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，附图中所标示的参数为实施例中各元件的优参数。

实施例1本发明的整体结构

如图1所示，本发明的一种恒电流无线能量发射系统的结构有电源管理电路1、电压调节电路2、能量发射电桥3、取样电路4、电流判断电路5、空载检测电路6、输出自动控制电路7、电桥驱动电路8和PWM产生电路9；所述的电源管理电路1的输入端与市电相连，输出端为系统中其它各模块提供所需的电源；电压调节电路2的输出端分别与空载检测电路6的输入端和能量发射电桥3的输入端相连，能量发射电桥3的输出端与取样电路4的输入端相连，取样电路4的输出端与电流判断电路5的输入端相连，电流判断电路5的输出端与电压调节电路2的输入端相连，空载检测电路6的输出端与输出自动控制电路7的输入端相连，输出自动控制电路7的输出端与电桥驱动电路8的一个输入端相连，PWM产生电路9的输出端与电桥驱动电路8的另一个输入端相连，电桥驱动电路8的输出端与能量发射电桥3的输入端相连。

实施例2电源管理电路

所述的电源管理电路1的结构如图2所示。变压器T1的输入端与市电相连，三个输出端分别与整流桥D1、整流桥D2的输入端相连；整流桥D1的输出端负极接电解电容C1的负极并接地，整流桥D1的输出端正极接电解电容C1的正极并作为所述的电源管理电路1的第一输出端，记为端口P1_out1，为电压调节电路2供电；整流桥D2的输出端负极接电解电容C2的负极并接地，整流桥D2的输出端正极接电解电容C2的正极并与芯片LM7812的1端口相连，还与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与芯片LM7812的2端口相连并接地，电容C4的一端接地，另一端与芯片LM7812的3端口相连，并与电阻R2的一端相连，作为所述的电源管理电路1的第二输出端，记为端口P1_out2，为系统中各模块提供电源VCC，电阻R2的另一端与电阻R1的一端及运放U1A的同相输入端相连，电阻R1的另一端接地，运放U1A的反相输入端与输出端相连，作为所述的电源管理电路1的第三输出端，记为端口P1_out3，为电压调节电路2和电流判断电路5提供电源VCC/2。

电源管理电路1将220V市电转换成3种不同的直流电压提供给系统各模块：用于给电压调节电路提供大功率的48V电压，通过端口P1_out1输出；用于给各模块中模拟电路提供12V供电的VCC，通过端口P1_out2输出；用于给电压调节电路2和电流判断电路5提供6V供电的VCC/2，通过端口P1_out3输出。

实施例3电压调节电路

所述的电压调节电路2的结构如图3所示：电容C5的一端、电阻R3的一端接电源VCC/2，电容C5的另一端与运放U1B的反相输入端、电阻R4的一端及运放U2A的同相输入端相连，电阻R3的另一端与运放U1B的同相输入端、电阻R5的一端相连，运放U1B的输出端与电阻R4的另一端、电阻R5的另一端相连，运放U2A的反相输入端作为所述的电压调节电路2的第二输入端，记为端口P2_in2，与电流判断电路5的输出端相连，运放U2A的输出端与场效应管Q1的栅极相连，场效应管Q1的漏极作为所述的电压调节电路2的第一输入端，记为端口P2_in1，与电源管理电路1的端口P1_out1相连，场效应管Q1的源极与电感L1的一端、二极管D3的负极相连，电感L1的另一端与电解电容C6的正极相连，并作为电压调节电路2的输出端，记为端口P2_out，电解电容C6的负极与二极管D3的正极相连并接地。

电压调节电路2根据电流判断电路5反馈的信号(该信号反应了负载的大小)将电源管理模块提供的48V电压转换成与实际负载匹配的电压，输出至能量发射电桥3，为能量发射电桥3提供合适的功率。

实施例4能量发射电桥

所述的能量发射电桥3的结构如图4所示：场效应管Q2、Q3、Q4、Q5的栅极分别记为端口P3_in1、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in6，场效应管Q2的漏极与场效应管Q4的漏极相连，记为端口P3_in7，场效应管Q2的源极与场效应管Q3的源极、电容C7的一端相连，记为端口P3_in2，电容C7的另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与场效应管Q4、Q5的源极相连，记为端口P3_in5，场效应管Q3的漏极与场效应管Q5的漏极、电阻R6的一端相连，记为端口P3_out，电阻R6的另一端接地；其中，端口P3_in1、端口P3_in2、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in5、端口P3_in6、端口P3_in7、作为所述能量发射电桥3的7个输入端，端口P3_in1、端口P3_in2、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in5、端口P3_in6均与电桥驱动电路8相连，端口P3_in7与电压调节电路2的端口P2_out相连；端口P3_out作为所述能量发射电桥的输出端，与取样电路4相连。

能量发射电桥3在电桥驱动电路8的控制下将电压调节电路提供的电压转换成振荡的正弦波电流流过电感L2(即发射线圈)，发射线圈将电流转换成变化的磁场能量进行发射，由汽车接收端的接收线圈接收，实现对电动汽车的无线充电。

实施例5取样电路

所述的取样电路4的结构如图5所示：运放U2B的同相输入端作为取样电路4的输入端，记为端口P4_in，与能量发射电桥3的端口P3_out相连；运放U2B的输出端与二极管D4的正极、电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与运放U2B的反相输入端、电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端接地，二极管D4的负极与电容C8的一端、电阻R9的一端相连，作为取样电路4的输出端，记为端口P4_out，与电流判断电路5的输入端相连；电容C8的另一端、电阻R9的另一端接地。

取样电路4对能量发射电桥中的取样电阻R6上的电压(交流信号)进行测量，并转换成直流信号提供给电流判断电路5，该测量结果反应了负载的大小。

实施例6电流判断电路

所述的电流判断电路5的结构如图6所示：电阻R11的一端接电源VCC，另一端与二极管D5的负极、运放U3A的同相输入端相连，运放U3A的输出端与电阻R12的一端、可变电阻器R20的一端相连，可变电阻器R20的另一端与运放U3A的反相输入端、电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端、二极管D5的正极接地；电阻R12的另一端与运放U3B的反相输入端、电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端与运放U3B的输出端相连，作为电流判断电路5的输出端，记为端口P5_out，与电压调节电路2的端口P2_in2相连，运放U3B的同相输入端与电阻R15、电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端接电源VCC/2，电阻R15的另一端作为电流判断电路5的输入端，记为端口P5_in，与取样电路4的端口P4_out相连。

由2.5V稳压二极管D5和运放U3A等器件构成的电路提供参考电压(其大小可通过可变电阻R13调节)，运放U3B构成的减法器电路对取样电路4测量的电压与该参考电压进行求差，差值作为电压调节电路2的控制信号，当系统的实际负载减小时，能量发射电桥3中流过取样电阻R6的电流必然会变大，取样电路4测量的电压值相应变大，该电压在电流判断电路5中与参考电压求差后，结果也相应变大，该结果送至电压调节电路2中作为控制信号，由于电压调节电路2设计成反向调节的特点，因此该信号的变大会导致电压调节电路2的输出电压变小，这样就使得能量发射电桥3接收到的有效电压变小，使其与变小的负载相匹配。同理，当负载变大时，则会进行相反的过程，最终也会使能量发射电路接收的电压与负载匹配。

实施例7空载检测电路

所述的空载检测电路6的结构为：电阻R17的一端接电源VCC，另一端与二极管D6的负极、滑动变阻器W2的一端相连，二极管D6的正极与滑动变阻器W2的另一端接地；滑动变阻器W2的滑线端与运放U5A的反相输入端相连，运放U5A的同相输入端与电阻R18的一端、二极管D7的正极相连，电阻R18的另一端作为空载检测电路6的输入端，记为端口P6_in，与电压调节电路2的端口P2_out相连，二极管D7的负极与滑动变阻器W1的滑线端相连，滑动变阻器W1的一端接电源VCC，另一端接地；运放U5A的输出端作为空载检测电路6的输出端，记为端口P6_out，与输出自动控制电路7的输入端相连。

由实施例6的说明可知，当负载逐渐减小时，电压调节电路2输出的电压会逐渐减小，因此当负载完全消失时(即没有设备充电或电已充满)电压调节电路2则会输出一个非常小的电压，空载检测电路6根据此原理用来判断系统中是否处于空载状态，运放U5A构成比较器，将电压调节电路2输出的电压(经二极管D7与滑动变阻器W1限幅后)与参考电压(通过滑动变阻器W2可以调节)进行比较，当电压调节电路2的输出电压小于参考电压时，则判定系统已处于空载状态，输出一个低电平信号用于触发输出自动控制电路关断输出。由于电压调节电路2输出的电压是变化的，最大可以到48V左右，会超过运放的工作范围，因此利用二极管D7和滑动变阻器W1进行限幅：当P6_in的电压超过W1输出的电压时，运放U5A的同相输入端被限定在W1的电压附近(小于VCC)，当当P6_in的电压超过W1输出的电压时低于W1输出的电压时，运放U5A的同相输入端等于P6_in的电压。

实施例8输出自动控制电路

所述的输出自动控制电路7的如图8所示：三极管Q6的集电极接电源VCC，基极作为输出自动控制电路7的输入端，记为端口P7_in，与空载检测电路6的端口P6_out相连，三极管Q6的发射端与电阻R19的一端、电阻R20的一端、三极管Q9的发射极相连，电阻R19的另一端接地，电阻R20的另一端与电容C9的一端、反相器U11A的输入端相连，电容C9的另一端接地，反相器U11A的输出端与D触发器U10A的CK端相连，D触发器U10A的D端、CLR端与电容C11的一端接地，D触发器U10A的PR端与电容C11的另一端、电阻R21的一端、二极管D8的正极相连，D触发器U10A的端与二极管D8的负极、电阻R21的另一端、场效应管Q7、Q8的栅极相连，场效应管Q7、Q8的源极接地，漏极分别作为输出自动控制电路7的两个输出端，记为端口P7_out1和端口P7_out2，与电桥驱动电路8相连，D触发器U10A的Q端与D触发器U10B的CK端相连，D触发器U10B的D端、CLR端与电容C10的一端接地，电容C10的另一端与二极管D9的正极、电阻R22的一端、D触发器U10B的PR端相连，D触发器U10B的/>端与二极管D9的负极、电阻R22的另一端相连，D触发器U10B的Q端与反相器U11B的输入端相连，反相器U11B的输出端与三极管Q9的基极相连，三极管Q9的集电极接电源VCC。

当空载检测电路6检测到系统处于空载状态时，输出信号会由高电平变为低电平，当输出自动控制电路7接收到该低电平时，会相应地在D触发器U10A的端产生高电平信号，该信号使得场效应管Q7、Q8导通，进而将端口P7_out1、P7_out2处的电压锁定到0，此2端口为0则进一步使电桥驱动电路8停止工作，以关断能量发射电桥3，使系统进入待机状态，不再发射能量，有效减小了能量损耗。输出自动控制电路7还具备自动启动功能，由D触发器U10B、反相器U11B等构成的延时反相结构会在系统待机时每间隔一定时间产生一个触发信号，使系统尝试上电检测，如果检测到有负载存在，则维持电路正常的发射状态，如果上电尝试后发现系统依然是空载的，则再次控制系统进入断电状态，此过程在待机过程中持续重复。尝试上电检测的持续时间由电阻R22(100k)和电容C10(100nF)决定，而两次尝试所间隔的休眠时间由电阻R21(1M)和电容C11(1uF)，由于R21远大于R22，C11远大于C10，因此在待机过程中系统消耗的功耗大大降低。

实施例9电桥驱动电路

所述的电桥驱动电路8的结构如图9所示：芯片U8的2端口与芯片U9的3端口相连，记为端口P8_in1，芯片U8的3端口与芯片U9的2端口相连，记为端口P8_in2，端口P8_in1、端口P8_in2作为所述电桥驱动电路8的两个输入端，分别与输出自动控制电路7的端口P7_out1、端口P7_out2相连，还与PWM产生电路9的输出端相连；芯片U8的1端口与电容C12的一端接电源VCC，电容C12的另一端与芯片U8的4端口接地，芯片U8的5端口接电阻R26的一端，电阻R26的另一端记为端口P8_out3，芯片U8的6端口接电容C14的一端和电阻R29的一端，记为端口P8_out2，芯片U8的7端口接电阻R25的一端，电阻R25的另一端与电阻R29的另一端相连，记为端口P8_out1，芯片U8的8端口接电容C14的另一端和二极管D10的负极，二极管D10的正极接电阻R23的一端，电阻R23的另一端接电源VCC；芯片U9的1端口与电容C13的一端接电源VCC，电容C13的另一端与芯片U9的4端口接地，芯片U9的5端口接电阻R28的一端，电阻R28的另一端记为端口P8_out6，芯片U8的6端口接电容C15的一端和电阻R30的一端，记为端口P8_out5，芯片U8的7端口接电阻R27的一端，电阻R27的另一端与电阻R30的另一端相连，记为端口P8_out4，芯片U8的8端口接电容C15的另一端和二极管D11的负极，二极管D11的正极接电阻R24的一端，电阻R24的另一端接电源VCC；所述的芯片U8和芯片U9是MOS管驱动芯片，型号均为IR2101；其中，端口P8_out1、端口P8_out2、端口P8_out3、端口P8_out4、端口P8_out5、端口P8_out6作为所述电桥驱动电路8的6个输出端，分别依次与能量发射电桥3的端口P3_in1、端口P3_in2、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in5、端口P3_in6相连。

电桥驱动电路8利用MOS管驱动芯片U8、U9将PWM产生电路输出的信号提升至可驱动MOS管的级别，用于驱动Q2、Q3、Q4、Q5构成的MOS管电桥。

实施例10PWM产生电路

所述的PWM产生电路9的结构如图10所示：电阻R31的一端接电源VCC，另一端与电阻R32以及555定时器U7的7端口相连，电阻R32的另一端与电容C19的一端以及555定时器U7的2端口、6端口相连，电容C19的另一端接地，555定时器U7的4端口、8端口接电源VCC，1端口接地，5端口通过电容C16接地，3端口接反相器U13的和反相器U13B的输入端，反相器U13B的输出端记为端口P9_out1，反相器U13A的输出端与电阻R34相连，电阻R34的另一端与反相器U13C的输入端及电容C17的一端相连，电容C17的另一端接地，反相器U13C的输出端接D触发器U12A的CK端，D触发器U12A的D端和CLR端接地，PR端接电容C18的一端、电阻R33的一端和二极管D12的正极，电容C18的另一端接地，D触发器U12A的端与电阻R33的另一端、二极管D12的负极相连，D触发器U12A的Q端与反相器U13D的输入端相连，反相器U13D的输出端记为端口P9_out2；端口P9_out1、端口P9_out2作为所述PWM产生电路9的两个输出端，分别与电桥驱动电路8的端口P8_in1、端口P8_in2相连。

PWM产生电路利用555定时器和D触发器产生两组相反且带“死区”(用于保护后面所驱动的场效应管)的PWM信号，通过电桥驱动电路8提升功率后用于控制能量发射电桥以产生高频振荡信号。

Claims (1)

1.一种恒电流无线能量发射系统，结构有电源管理电路（1）、能量发射电桥（3）、电桥驱动电路（8）和PWM产生电路（9），其特征在于，结构还有电压调节电路（2）、取样电路（4）、电流判断电路（5）、空载检测电路（6）和输出自动控制电路（7）；所述的电源管理电路（1）的输入端与市电相连，输出端为系统中其它各模块提供所需的电源；电压调节电路（2）的输出端分别与空载检测电路（6）的输入端和能量发射电桥（3）的输入端相连，能量发射电桥（3）的输出端与取样电路（4）的输入端相连，取样电路（4）的输出端与电流判断电路（5）的输入端相连，电流判断电路（5）的输出端与电压调节电路（2）的输入端相连，空载检测电路（6）的输出端与输出自动控制电路（7）的输入端相连，输出自动控制电路（7）的输出端与电桥驱动电路（8）的一个输入端相连，PWM产生电路（9）的输出端与电桥驱动电路（8）的另一个输入端相连，电桥驱动电路（8）的输出端与能量发射电桥（3）的输入端相连；

所述的电源管理电路（1）的结构为：变压器T1的输入端与市电相连，三个输出端分别与整流桥D1、整流桥D2的输入端相连；整流桥D1的输出端负极接电解电容C1的负极并接地，整流桥D1的输出端正极接电解电容C1的正极并作为所述的电源管理电路（1）的第一输出端，记为端口P1_out1，为电压调节电路（2）供电；整流桥D2的输出端负极接电解电容C2的负极并接地，整流桥D2的输出端正极接电解电容C2的正极并与芯片LM7812的1端口相连，还与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与芯片LM7812的2端口相连并接地，电容C4的一端接地，另一端与芯片LM7812的3端口相连，并与电阻R2的一端相连，作为所述的电源管理电路（1）的第二输出端，记为端口P1_out2，为系统中各模块提供电源VCC，电阻R2的另一端与电阻R1的一端及运放U1A的同相输入端相连，电阻R1的另一端接地，运放U1A的反相输入端与输出端相连，作为所述的电源管理电路（1）的第三输出端，记为端口P1_out3，为电压调节电路（2）和电流判断电路（5）提供电源VCC/2；

所述的电压调节电路（2）的结构为：电容C5的一端、电阻R3的一端接电源VCC/2，电容C5的另一端与运放U1B的反相输入端、电阻R4的一端及运放U2A的同相输入端相连，电阻R3的另一端与运放U1B的同相输入端、电阻R5的一端相连，运放U1B的输出端与电阻R4的另一端、电阻R5的另一端相连，运放U2A的反相输入端作为所述的电压调节电路（2）的第二输入端，记为端口P2_in2，与电流判断电路（5）的输出端相连，运放U2A的输出端与场效应管Q1的栅极相连，场效应管Q1的漏极作为所述的电压调节电路（2）的第一输入端，记为端口P2_in1，与电源管理电路（1）的端口P1_out1相连，场效应管Q1的源极与电感L1的一端、二极管D3的负极相连，电感L1的另一端与电解电容C6的正极相连，并作为电压调节电路（2）的输出端，记为端口P2_out，电解电容C6的负极与二极管D3的正极相连并接地；

所述的能量发射电桥（3）的结构为：场效应管Q2、Q3、Q4、Q5的栅极分别记为端口P3_in1、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in6，场效应管Q2的漏极与场效应管Q4的漏极相连，记为端口P3_in7，场效应管Q2的源极与场效应管Q3的源极、电容C7的一端相连，记为端口P3_in2，电容C7的另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与场效应管Q4、Q5的源极相连，记为端口P3_in5，场效应管Q3的漏极与场效应管Q5的漏极、电阻R6的一端相连，记为端口P3_out，电阻R6的另一端接地；其中，端口P3_in1、端口P3_in2、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in5、端口P3_in6、端口P3_in7、作为所述能量发射电桥（3）的7个输入端，端口P3_in1、端口P3_in2、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in5、端口P3_in6均与电桥驱动电路（8）相连，端口P3_in7与电压调节电路（2）的端口P2_out相连；端口P3_out作为所述能量发射电桥的输出端，与取样电路（4）相连；

所述的取样电路（4）的结构为：运放U2B的同相输入端作为取样电路（4）的输入端，记为端口P4_in，与能量发射电桥（3）的端口P3_out相连；运放U2B的输出端与二极管D4的正极、电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与运放U2B的反相输入端、电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端接地，二极管D4的负极与电容C8的一端、电阻R9的一端相连，作为取样电路（4）的输出端，记为端口P4_out，与电流判断电路（5）的输入端相连；电容C8的另一端、电阻R9的另一端接地；

所述的电流判断电路（5）的结构为：电阻R11的一端接电源VCC，另一端与二极管D5的负极、运放U3A的同相输入端相连，运放U3A的输出端与电阻R12的一端、可变电阻器R20的一端相连，可变电阻器R20的另一端与运放U3A的反相输入端、电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端、二极管D5的正极接地；电阻R12的另一端与运放U3B的反相输入端、电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端与运放U3B的输出端相连，作为电流判断电路（5）的输出端，记为端口P5_out，与电压调节电路（2）的端口P2_in2相连，运放U3B的同相输入端与电阻R15、电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端接电源VCC/2，电阻R15的另一端作为电流判断电路（5）的输入端，记为端口P5_in，与取样电路（4）的端口P4_out相连；

所述的空载检测电路（6）的结构为：电阻R17的一端接电源VCC，另一端与二极管D6的负极、滑动变阻器W2的一端相连，二极管D6的正极与滑动变阻器W2的另一端接地；滑动变阻器W2的滑线端与运放U5A的反相输入端相连，运放U5A的同相输入端与电阻R18的一端、二极管D7的正极相连，电阻R18的另一端作为空载检测电路（6）的输入端，记为端口P6_in，与电压调节电路（2）的端口P2_out相连，二极管D7的负极与滑动变阻器W1的滑线端相连，滑动变阻器W1的一端接电源VCC，另一端接地；运放U5A的输出端作为空载检测电路（6）的输出端，记为端口P6_out，与输出自动控制电路（7）的输入端相连；

所述的输出自动控制电路（7）的结构为：三极管Q6的集电极接电源VCC，基极作为输出自动控制电路（7）的输入端，记为端口P7_in，与空载检测电路（6）的端口P6_out相连，三极管Q6的发射端与电阻R19的一端、电阻R20的一端、三极管Q9的发射极相连，电阻R19的另一端接地，电阻R20的另一端与电容C9的一端、反相器U11A的输入端相连，电容C9的另一端接地，反相器U11A的输出端与D触发器U10A的CK端相连，D触发器U10A的D端、CLR端与电容C11的一端接地，D触发器U10A的PR端与电容C11的另一端、电阻R21的一端、二极管D8的正极相连，D触发器U10A的端与二极管D8的负极、电阻R21的另一端、场效应管Q7、Q8的栅极相连，场效应管Q7、Q8的源极接地，漏极分别作为输出自动控制电路（7）的两个输出端，记为端口P7_out1和端口P7_out2，与电桥驱动电路（8）相连，D触发器U10A的Q端与D触发器U10B的CK端相连，D触发器U10B的D端、CLR端与电容C10的一端接地，电容C10的另一端与二极管D9的正极、电阻R22的一端、D触发器U10B的PR端相连，D触发器U10B的端与二极管D9的负极、电阻R22的另一端相连，D触发器U10B的Q端与反相器U11B的输入端相连，反相器U11B的输出端与三极管Q9的基极相连，三极管Q9的集电极接电源VCC；

所述的电桥驱动电路（8）的结构为：芯片U8的2端口与芯片U9的3端口相连，记为端口P8_in1，芯片U8的3端口与芯片U9的2端口相连，记为端口P8_in2，端口P8_in1、端口P8_in2作为所述电桥驱动电路（8）的两个输入端，分别与输出自动控制电路（7）的端口P7_out1、端口P7_out2相连，还与PWM产生电路（9）的输出端相连；芯片U8的1端口与电容C12的一端接电源VCC，电容C12的另一端与芯片U8的4端口接地，芯片U8的5端口接电阻R26的一端，电阻R26的另一端记为端口P8_out3，芯片U8的6端口接电容C14的一端和电阻R29的一端，记为端口P8_out2，芯片U8的7端口接电阻R25的一端，电阻R25的另一端与电阻R29的另一端相连，记为端口P8_out1，芯片U8的8端口接电容C14的另一端和二极管D10的负极，二极管D10的正极接电阻R23的一端，电阻R23的另一端接电源VCC；芯片U9的1端口与电容C13的一端接电源VCC，电容C13的另一端与芯片U9的4端口接地，芯片U9的5端口接电阻R28的一端，电阻R28的另一端记为端口P8_out6，芯片U8的6端口接电容C15的一端和电阻R30的一端，记为端口P8_out5，芯片U8的7端口接电阻R27的一端，电阻R27的另一端与电阻R30的另一端相连，记为端口P8_out4，芯片U8的8端口接电容C15的另一端和二极管D11的负极，二极管D11的正极接电阻R24的一端，电阻R24的另一端接电源VCC；所述的芯片U8和芯片U9是MOS管驱动芯片，型号均为IR2101；其中，端口P8_out1、端口P8_out2、端口P8_out3、端口P8_out4、端口P8_out5、端口P8_out6作为所述电桥驱动电路（8）的6个输出端，分别依次与能量发射电桥（3）的端口P3_in1、端口P3_in2、端口P3_in3、端口P3_in4、端口P3_in5、端口P3_in6相连；

所述的PWM产生电路（9）的具体结构如下：电阻R31的一端接电源VCC，另一端与电阻R32以及555定时器U7的7端口相连，电阻R32的另一端与电容C19的一端以及555定时器U7的2端口、6端口相连，电容C19的另一端接地，555定时器U7的4端口、8端口接电源VCC，1端口接地，5端口通过电容C16接地，3端口接反相器U13的和反相器U13B的输入端，反相器U13B的输出端记为端口P9_out1，反相器U13A的输出端与电阻R34相连，电阻R34的另一端与反相器U13C的输入端及电容C17的一端相连，电容C17的另一端接地，反相器U13C的输出端接D触发器U12A的CK端，D触发器U12A的D端和CLR端接地，PR端接电容C18的一端、电阻R33的一端和二极管D12的正极，电容C18的另一端接地，D触发器U12A的端与电阻R33的另一端、二极管D12的负极相连，D触发器U12A的Q端与反相器U13D的输入端相连，反相器U13D的输出端记为端口P9_out2；端口P9_out1、端口P9_out2作为所述PWM产生电路（9）的两个输出端，分别与电桥驱动电路（8）的端口P8_in1、端口P8_in2相连。