CN111366782A - 一种高频无线充电效率及损耗测试系统及方法 - Google Patents

一种高频无线充电效率及损耗测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频无线充电效率及损耗测试系统及方法，包括信号发生器1、功率放大器2、测试电路板3和示波器4，信号发生器1与功率放大器2的输入端连接，信号发生器1用于产生测试所需的高频信号，功率放大器2的输出端与测试电路板3连接，功率放大器2用于将信号发生器1产生的高频信号转换成高频功率电源，测试电路板3与示波器4连接，示波器4用于显示测试电路板3上的电流波形和大小以及电压波形和大小。本发明通过采用不同的材料制作成的磁片线圈，计算该材料的充电转换效率，选取出更加合适的无线充电材料；通过精确测试高频下的无线充电效率及损耗，为高频无线充电性能测试提供了方法，为无线充电效率的提高提供了基础。

Description

一种高频无线充电效率及损耗测试系统及方法
技术领域
本发明涉及无线充电领域，尤其是涉及一种高频无线充电效率及损耗测试系统及方法。
背景技术
电子设备一直在往小型化、轻薄化和高效率方向发展，人们使用电子设备越来越频繁，更快更高效地给电子设备充电显得尤为重要，无线充电技术可以让电子设备的充电变得更加方便快捷，而无线充电的效率是影响无线充电的主要因素。
因此，准确地测量无线充电的效率和损耗，尤其是高频条件下的无线充电效率和损耗可以定量地评价无线充电的优劣，从而选择出高性能的无线充电材料，提供给电子产品使用。
例如，一种在中国专利文献上公开的“无线充电系统及其控制方法”，其公告号CN104716747B，其申请号2017年12月08日，包括对天线进行阻抗匹配，使无线充电系统的共振频率点落在一操作频率范围内；进行最佳频率点追踪，先以一设定的发射频率传送测试信号，并计算其传输效率；判断传输效率是否符合要求，若不符合要求，重复上述“进行最佳频率点追踪，先以一设定的发射频率传送测试信号，并计算其传输效率”步骤，直到传输效率符合要求；若传输效率符合要求，将所述发射频率设定为最佳频率点；以所述最佳频率点作为系统操作频率进行充电；其中，进行最佳频率点追踪时，由以下两种步骤的其中一种步骤决定传输效率是否符合要求：步骤一：判断其效率变化与频率变化的比值是否小于或等于零；若比值大于零，即在原设定的发射频率上累加一频率值，随即重新设定发射频率、传送测试信号、计算所述测试信号的传输效率，并重新判断其效率变化与频率变化的比值是否小于或等于零；当所述比值小于或等于零，即将所述发射频率设定为最佳频率点；步骤二：判断其效率变化与频率变化的比值是否大于或等于零；若比值小于零，即在原设定的发射频率上递减一频率值，随即重新设定发射频率、传送测试信号、计算所述测试信号的传输效率，并重新判断其效率变化与频率变化的比值是否大于或等于零；当所述比值大于或等于零，即将所述发射频率设定为最佳频率点。通过选取最佳频率点，提高无线充电的充电效率，但是没有从充电材料的方面进行考虑，提高的充电效率受到材料的限制，无法有效的提高充电效率。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的无线充电受到材料限制导致充电效率低的问题，提供一种高频无线充电效率及损耗测试系统及方法，可以精确测试高频下的无线充电效率及损耗，为高频无线充电性能测试提供了方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高频无线充电效率及损耗测试系统，包括信号发生器、功率放大器、测试电路板和示波器，所述信号发生器与所述功率放大器的输入端连接，所述信号发生器用于产生测试所需的高频信号，所述功率放大器的输出端与所述测试电路板连接，所述功率放大器用于将所述信号发生器产生的高频信号转换成高频功率电源，所述测试电路板与所述示波器连接，所述示波器用于显示测试电路板上的电流波形和大小以及电压波形和大小。通过信号发生器产生测试所用的高频信号，经功率放大器放大后形成一高频功率电源，通过导线与测试电路板连接，当做测试电路板的充电电源，通过示波器显示电压和电流的波形，调节测试电路板输入电流与输出电流以及输入电压与输出电压之间的相位差，减小测试误差，系统简易方便，成本低。
作为优选，所述的测试电路板包括电流探头A1、电流探头A2、电压探头V1、电压探头V2、谐振电容C1、谐振电容C2、带有磁片的线圈N1、带有磁片的线圈N2和负载，所述电流探头A1的第一端与高频功率电源的第一端连接，所述电流探头A1的第二端与带有磁片的线圈N1的一端连接，所述高频功率电源的第二端与谐振电容C1的第一端连接，所述谐振电容C1的第二端与带有磁片的线圈N1的另一端连接，所述电压探头V1并联在带有磁片的线圈N1的两端，所述电压探头V2并联在带有磁片的线圈N2的两端，所述电流探头A2的第一端与带有磁片的线圈N2的一端连接，所述电流探头A2的第二端与负载第一端连接，所述谐振电容C2的第一端与带有磁片的线圈N2的另一端连接，所述谐振电容C2的第二端与负载的第二端连接。通过电流探头A1和电流探头A2对测试电路板的电流进行检测，通过电压探头V1和电压探头V2对测试电路板的电压进行检测，便于后续计算测试电路板的无线充电效率，线圈为磁片线圈，通过对不同材料的磁片线圈进行测试，比较其无线充电转换效率以及损耗，通过损耗分析影响无线充电转换效率的原因，选取合适的无线充电材料，提高无线充电效率的同时为高频无线充电性能测试提供了方法。
本发明还提供一种高频无线充电效率及损耗测试方法，包括以下步骤：S01：启动信号发生器使其产生测试所需频率的电压信号，调节功率放大器使其输出稳定的高频功率电压；S02：选取并调节谐振电容C1和谐振电容C2，使带有磁片的线圈N1和带有磁片的线圈N2上的电压和电流之间的相位差都为0°；S03：计算测试时的磁感应强度；S04：计算磁片的转换效率。
作为优选，所述的步骤S03中，测试时的磁感应强度计算式为：
Figure BDA0002312955960000021
其中N1是输入端线圈匝数，Ae是磁片的有效横截面积，f是测试频率，uout为电压探头V2测得的输出端电压，B为磁感应强度。对测试时的磁感应强度进行计算，在选取无线充电材料时将磁感应强度纳入分析中，防止出现磁感应强度过高造成污染或损害人体的情况，保证选取的无线充电材料是安全无污染的材料。
作为优选，所述的步骤S04中，所述磁片的转换效率通过计算输入功率和输出功率获得，输入功率的计算式为：
Figure BDA0002312955960000031
其中，Pin为输入功率，f是测试频率，uin是电压探头V1测得的输入端电压，iin是电流探头A1测得的输入端电流；输出功率的计算式为：
Figure BDA0002312955960000032
其中，Pout是输出功率，uout是电压探头V2测得的输出端电压，iout是电流探头A2测得的输出端电流；磁片的转换效率为：
Figure BDA0002312955960000033
其中，μ是磁片的转换效率。通过电压以及电流计算测试电路板的输入功率和输出功率，通过输入功率和输出功率计算磁片的无线充电转换效率。
作为优选，决定所述磁片转换效率的因素包括磁滞损耗、涡流损耗以及铜线损耗，其中，涡流损耗的计算式为：
Figure BDA0002312955960000034
其中，σ是材料的电导率，μ是材料的磁导率，d是材料的宽度，f是测试频率，Pcl是涡流损耗功率。通过涡流损耗的计算，对材料本身以及材料的宽度进行选取，选取出涡流损耗较小的无线充电材料。
作为优选，通过万用表测得铜线的电阻RCu，所述铜线损耗的计算式为：
Figure BDA0002312955960000041
其中，PCul是铜线损耗功率，f是测试频率，iin是电流探头A1测得的输入端电流，iout是电流探头A2测得的输出端电流，RCu是铜线的电阻。通过铜线损耗的计算，将测试电路板的导线对无线充电效率的影响进行排除，减小测试误差。
作为优选，所述的磁滞损耗的计算式为：
Phl＝(Pin-Pout)-Pcl-PCul (7)
其中，Phl为磁滞损耗功率，Pin为输入功率，Pout是输出功率，PCul是铜线损耗功率。
作为优选，所述的磁片的材料和形状是可以任意替换的。
因此，本发明具有如下有益效果：(1)通过简单的电路搭建无线充电效率测试系统，简易方便，节约成本；(2)通过采用不同的材料制作成的磁片线圈，计算该材料的充电转换效率，选取出更加合适的无线充电材料；(3)通过精确测试高频下的无线充电效率及损耗，为高频无线充电性能测试提供了方法，为无线充电效率的提高提供了基础。
附图说明
图1是实施例一的测试系统的结构示意图。
图2是实施例一的测试电路板的电路连接原理图。
图3是本发明的几种测试材料的测试结果图。
图中：1、信号发生器，2、功率放大器，3、测试电路板。4、示波器，5、负载。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例一，一种高频无线充电效率及损耗测试系统，如图1所示，包括信号发生器1、功率放大器2、测试电路板3和示波器4，信号发生器1与功率放大器2的输入端连接，信号发生器1用于产生测试所需的高频信号，功率放大器2的输出端与测试电路板3连接，功率放大器2用于将信号发生器1产生的高频信号转换成高频功率电源，测试电路板3与示波器4连接，示波器4用于显示测试电路板3上的电流波形和大小以及电压波形和大小。
如图2所示，测试电路板3包括电流探头A1、电流探头A2、电压探头V1、电压探头V2、谐振电容C1、谐振电容C2、带有磁片的线圈N1、带有磁片的线圈N2和负载5，电流探头A1的第一端与高频功率电源的第一端连接，电流探头A1的第二端与带有磁片的线圈N1的一端连接，高频功率电源的第二端与谐振电容C1的第一端连接，谐振电容C1的第二端与带有磁片的线圈N1的另一端连接，电压探头V1并联在带有磁片的线圈N1的两端，电压探头V2并联在带有磁片的线圈N2的两端，电流探头A2的第一端与带有磁片的线圈N2的一端连接，电流探头A2的第二端与负载5第一端连接，谐振电容C2的第一端与带有磁片的线圈N2的另一端连接，谐振电容C2的第二端与负载5的第二端连接。磁片的材料和形状是可以任意替换的。
一种高频无线充电效率及损耗测试方法，包括以下步骤：S01：启动信号发生器1使其产生测试所需频率的电压信号，调节功率放大器2使其输出稳定的高频功率电压；S02：选取并调节谐振电容C1和谐振电容C2，使带有磁片的线圈N1和带有磁片的线圈N2上的电压和电流之间的相位差都为0°。
S03：计算测试时的磁感应强度；测试时的磁感应强度计算式为：
Figure BDA0002312955960000051
其中N1是输入端线圈匝数，Ae是磁片的有效横截面积，f是测试频率，uout为电压探头V2测得的输出端电压，B为磁感应强度。
S04：计算磁片的转换效率；磁片的转换效率通过计算输入功率和输出功率获得，输入功率的计算式为：
Figure BDA0002312955960000052
其中，Pin为输入功率，f是测试频率，uin是电压探头V1测得的输入端电压，iin是电流探头A1测得的输入端电流；输出功率的计算式为：
Figure BDA0002312955960000053
其中，Pout是输出功率，uout是电压探头V2测得的输出端电压，iout是电流探头A2测得的输出端电流；磁片的转换效率为：
Figure BDA0002312955960000054
其中，μ是磁片的转换效率。
决定磁片转换效率的因素包括磁滞损耗、涡流损耗以及铜线损耗，其中，涡流损耗的计算式为：
Figure BDA0002312955960000061
其中，σ是材料的电导率，μ是材料的磁导率，d是材料的宽度，f是测试频率，Pcl是涡流损耗功率，通过万用表测得铜线的电阻RCu，铜线损耗的计算式为：
Figure BDA0002312955960000062
其中，PCul是铜线损耗功率，f是测试频率，iin是电流探头A1测得的输入端电流，iout是电流探头A2测得的输出端电流，RCu是铜线的电阻，磁滞损耗的计算式为：
Phl＝(Pin-Pout)-Pcl-PCul (7)
其中，PCul是铜线损耗功率。
实施例二，在具体应用中，如图3所示，通过调节信号发生器1，使其输出一频率为1MHZ的信号，经功率放大器2放大后作为测试电路板3的供电电源，通过调节功率放大器2的放大倍数，控制测试电路板3的输入功率大小，选取纳米晶MS700制作的磁片线圈进行测试，调节输入功率为1W，经过测试算出输出功率为0.909W，其转换效率为90.90％，总损耗为0.091，其中，铜线损耗为0.0345，磁滞损耗为0.0188，涡流损耗为0.0376；调节输入功率为13W，经过测试算出输出功率为11.47W，其转换效率为88.23％，总损耗为1.53，其中，铜线损耗为0.4355，磁滞损耗为0.6399，涡流损耗为0.4545。
实施例三，调节信号发生器1，使其输出一频率为1MHZ的信号，选取锰锌铁氧体FS600B制作的磁片线圈进行测试，调节输入功率1W，经过测试算出输出功率为0.938W，其转换效率为93.8％，总损耗为0.062，其中，铜线损耗为0.0319，磁滞损耗为0.0195，涡流损耗为0.0105；调节输入功率为13W，经过测试算出输出功率为11.92W，其转换效率为91.69％，总损耗为1.08，其中，铜线损耗为0.4173，磁滞损耗为0.5264，涡流损耗为0.1362。
实施例四，调节信号发生器1，使其输出一频率为1MHZ的信号，选取镍锌铁氧体FS700制作的磁片线圈进行测试，调节输入功率1W，经过测试算出输出功率为0.922W，其转换效率为92.2％，总损耗为0.078，其中，铜线损耗为0.0334，磁滞损耗为0.0330，涡流损耗为0.0115；调节输入功率为13W，经过测试算出输出功率为11.48W，其转换效率为88.31％，总损耗为1.52，其中，铜线损耗为0.4223，磁滞损耗为0.9541，涡流损耗为0.1435。
通过实施例二、实施例三以及实施例四，可以看出在相同测试频率和相同输入功率的前提下，锰锌铁氧体FS600B制作的磁片线圈的转换效率明显较高，因此，通过本发明可以选取出更加合适的无线充电材料，同时，为高频无线充电性能测试提供了方法，也为无线充电效率的提高提供了基础。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (9)

1.一种高频无线充电效率及损耗测试系统，其特征是，包括
信号发生器、功率放大器、测试电路板和示波器，所述信号发生器与所述功率放大器的输入端连接，所述信号发生器用于产生测试所需的高频信号，所述功率放大器的输出端与所述测试电路板连接，所述功率放大器用于将所述信号发生器产生的高频信号转换成高频功率电源，所述测试电路板与所述示波器连接，所述示波器用于显示测试电路板上的电流波形和大小以及电压波形和大小。
2.根据权利要求1所述的一种高频无线充电效率及损耗测试系统，其特征是，所述测试电路板包括电流探头A1、电流探头A2、电压探头V1、电压探头V2、谐振电容C1、谐振电容C2、带有磁片的线圈N1、带有磁片的线圈N2和负载，所述电流探头A1的第一端与高频功率电源的第一端连接，所述电流探头A1的第二端与带有磁片的线圈N1的一端连接，所述高频功率电源的第二端与谐振电容C1的第一端连接，所述谐振电容C1的第二端与带有磁片的线圈N1的另一端连接，所述电压探头V1并联在带有磁片的线圈N1的两端，所述电压探头V2并联在带有磁片的线圈N2的两端，所述电流探头A2的第一端与带有磁片的线圈N2的一端连接，所述电流探头A2的第二端与负载第一端连接，所述谐振电容C2的第一端与带有磁片的线圈N2的另一端连接，所述谐振电容C2的第二端与负载的第二端连接。
3.一种高频无线充电效率及损耗测试方法，采用如权利要求1至2任一项所述的一种高频无线充电效率及损耗测试系统，包括以下步骤：
S01：启动信号发生器使其产生测试所需频率的电压信号，调节功率放大器使其输出稳定的高频功率电压；
S02：选取并调节谐振电容C1和谐振电容C2，使带有磁片的线圈N1和带有磁片的线圈N2上的电压和电流之间的相位差都为0°；
S03：计算测试时的磁感应强度；
S04：计算磁片的转换效率。
4.根据权利要求3所述的一种高频无线充电效率及损耗测试方法，其特征是，所述步骤S03中，测试时的磁感应强度计算式为：
Figure FDA0002312955950000011
其中N1是输入端线圈匝数，Ae是磁片的有效横截面积，f是测试频率，uout为电压探头V2测得的输出端电压，B为磁感应强度。
5.根据权利要求3所述的一种高频无线充电效率及损耗测试方法，其特征是，所述步骤S04中，所述磁片的转换效率通过计算输入功率和输出功率获得，输入功率的计算式为：
Figure FDA0002312955950000021
其中，Pin为输入功率，f是测试频率，uin是电压探头V1测得的输入端电压，iin是电流探头A1测得的输入端电流；
输出功率的计算式为：
Figure FDA0002312955950000022
其中，Pout是输出功率，uout是电压探头V2测得的输出端电压，iout是电流探头A2测得的输出端电流；
磁片的转换效率为：
Figure FDA0002312955950000023
其中，μ是磁片的转换效率。
6.根据权利要求3所述的一种高频无线充电效率及损耗测试方法，其特征是，决定所述磁片转换效率的因素包括磁滞损耗、涡流损耗以及铜线损耗，其中，涡流损耗的计算式为：
Figure FDA0002312955950000024
其中，σ是材料的电导率，μ是材料的磁导率，d是材料的宽度，f是测试频率，Pcl是涡流损耗功率。
7.根据权利要求6所述的一种高频无线充电效率及损耗测试方法，其特征是，通过万用表测得铜线的电阻RCu，所述铜线损耗的计算式为：
Figure FDA0002312955950000025
其中，PCul是铜线损耗功率，f是测试频率，iin是电流探头A1测得的输入端电流，iout是电流探头A2测得的输出端电流，RCu是铜线的电阻。
8.根据权利要求6所述的一种高频无线充电效率及损耗测试方法，其特征是，所述磁滞损耗的计算式为：
Phl＝(Pin-Pout)-Pcl-PCul (7)
其中，Phl为磁滞损耗功率，Pin为输入功率，Pout是输出功率，PCul是铜线损耗功率。
9.根据权利要求2所述的一种高频无线充电效率及损耗测试系统，其特征是，所述磁片的材料和形状是可以任意替换的。
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Denomination of invention: A high frequency wireless charging efficiency and loss test system and method

Effective date of registration: 20220622

Granted publication date: 20210917

Pledgee: Dongyang Branch of China Construction Bank Co.,Ltd.

Pledgor: HENGDIAN GROUP DMEGC MAGNETICS Co.,Ltd.

Registration number: Y2022330001026