CN111371159B - 具有恒功率恒流工作模式的手机无线充电发射系统 - Google Patents

具有恒功率恒流工作模式的手机无线充电发射系统 Download PDF

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Abstract

本发明的具有恒功率恒流工作模式的手机无线充电发射系统属于电子设备的技术领域。其结构有其结构有电源管理电路(1)、能量发射电路(3)、单片机(12),其特征在于,结构还有电压调节电路(2)、电流检测放大电路(4)、信号整形电路(5)、输出自动控制电6、电压检测电路(7)、第二A/D转换电路(8)、第一D/A转换电路(9)、第一A/D转换电路(10)、第二D/A转换电路(11)。本发明能够自动调节能量发射电路的工作电压,使发射系统始终工作在最佳的电压,且系统具有安全可靠、使用方便等特点。

Description

具有恒功率恒流工作模式的手机无线充电发射系统
技术领域
本发明属于电子设备的技术领域。特别涉及一种具有恒功率恒流工作模式的手机无线充电发射系统。
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,手机充电方式将逐渐朝着无线充电的方向发展。
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,现有的无线充电技术还需要进行改进。
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,提供一种具有恒功率恒流工作模式的手机无线充电发射系统,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:
一种具有恒功率恒流工作模式的手机无线充电发射系统,其结构有电源管理电路1、能量发射电路3、单片机12,其特征在于,结构还有电压调节电路2、电流检测放大电路4、信号整形电路5、输出自动控制电6、电压检测电路7、第二A/D转换电路8、第一D/A转换电路9、第一A/D转换电路10、第二D/A转换电路11;所述的电源管理电路1将USB连接线输入的+5V电压转换成系统所需要的不同电压,为系统中其它各模块提供所需的电源;单片机12分别与第一A/D转换电路10、第二A/D转换电路8的输出端以及第一D/A转换电路9、第二D/A转换电路11、能量发射电路3的输入端相连,第二D/A转换电路11的输出端与电压调节电路2的输入端相连,电压调节电路2的输出端与能量发射电路3、电压检测电路7和输出自动控制电路6的输入端相连,能量发射电路3的输出端与电流检测放大电路4的输入端相连,电流放大检测电路4的输出端与信号整形电路5的输入端相连,信号整形电路5的输出端与第二A/D转换电路8的输入端相连,电压检测电路7的输出端与第一A/D转换电路10的输入端相连,第一D/A转换电路9的输出端与输出自动控制电路6的输入端相连,输出自动控制电路6的输出端与电流检测放大电路4的输入端相连;
所述的电源管理电路1的结构为:USB 3.1TYPE C接口J1的A1、A12,B1、B12、G1、G2、S1、S2、S3、S4端接地,A4、A9端接电源VDD,B4、B9端接电源VDD并与电阻R1的一端、R5的一端、升压控制芯片U1的6脚和电解电容C1的正极相连,并作为电源管理电路1的第一个输出端,记为端口P-out1,电解电容C1的负极接地,电阻R5的另一端与R6的一端和运放U2A的同向输入端相连,电阻R6的另一端接地,运放U2A的输出端与运放U2A的反相输入端相连并作为电源管理电路1的第二个输出端,记为端口P-out2,电阻R1的另一端与电阻R2的一端、电感L1的一端和升压控制芯片U1的7脚相连,电阻R2的另一端与升压控制芯片U1的8脚相连,升压控制芯片U1的5脚与R3的一端和滑动变阻器的滑线端相连,电阻R3的另一端与升压控制芯片升压控制芯片的4脚和地相连,电感L1的另一端与升压控制芯片U1的1脚和场效应管Q1的漏极、二极管的D1的正极相连,场效应管Q1的栅极与升压控制芯片U1的2脚相连,场效应管Q2的源极与电容C2的一端和地相连,电容C2的另一端和升压控制芯片U1的3脚相连,滑动变阻器的另一端与电阻R4的一端相连,电阻R4的另一端与二极管D1的负极相连并作为电源管理电路的第三个输出端,记为端口HV-out;
所述的电压调节电路2的结构为:电阻R8的一端和电容C3的一端接电源VDD/2,电阻R8的另一端与电阻R9的一端和运放U3B的同向输入端相连,电容C3的另一端与电阻R7的一端和运放U3A的反相输入端相连,电阻R7的另一端与电阻R9的另一端和运放U3B的输出端相连,单片机的一端与第二D/A转换器的一端相连,第二D/A转换器的另一端与运放U3A的同向输入端相连,运放U3A的输出端与场效应管Q2的栅极相连,场效应管Q2的漏极作为电压调节电路模块的第一个输入端,记为端口HV-in,与电源管理电路模块1的端口HV-out相连,场效应管Q2的源极与电感L2的一端和二极管D2的负极相连,电感L2的另一端与电解电容C4的正极相连并作为电压调节电路的第一个输出端,记为端口ADV-out,电解电容C4的负极与二极管的负极相连并接地;
所述的能量发射电路3的结构为:单片机分别与电阻R14,R15,R16,R17的一端相连,电阻R14的另一端与低位MOS管驱动芯片U4的1脚相连,电阻R15的另一端与低位MOS管驱动芯片U4的4脚相连,电阻R16的另一端与低位MOS管驱动芯片U5的1脚相连,电阻R17的另一端与低位MOS管驱动芯片U5的4脚相连,低位MOS管驱动芯片U4的2脚和3脚接地,低位MOS管驱动芯片U5的2脚和3脚接地,低位MOS管驱动芯片U4的8脚与电阻R18的一端、电阻R19的一端、电容C5的一端相连并接电源VDD,低位MOS管驱动芯片U4的7脚与电阻R18的另一端和高位MOS管驱动芯片U6的2脚相连,低位MOS管驱动芯片U4的6脚和电阻R19的另一端和高位MOS管驱动芯片U6的3脚相连,低位MOS管驱动芯片U4的5脚与电容C5的另一端相连并接地,低位MOS管驱动芯片U5的8脚与电阻R20的一端、电阻R21的一端、电容C7的一端相连并接电源VDD,低位MOS管驱动芯片U5的7脚与电阻R20的另一端和高位MOS管驱动芯片U7的2脚相连,低位MOS管驱动芯片U5的6脚和电阻R21的另一端和高位MOS管驱动芯片U7的3脚相连,低位MOS管驱动芯片U5的5脚与电容C7的另一端相连并接地,高位MOS管驱动芯片U6的1脚与电容C6的一端相连并接电源VDD,高位MOS管驱动芯片U6的4脚与电容C6的另一端相连并接地,高位MOS管驱动芯片U7的1脚与电容C8的一端相连并接电源VDD,高位MOS管驱动芯片U7的4脚与电容C8的另一端相连并接地,高位MOS管驱动芯片U6的8脚与二极管D3的负极和电容C9的一端相连,二极管D3的另一端与电阻R22的一端相连,电阻R22的另一端与电源VDD相连,高位MOS管驱动芯片U6的7脚与R24的一端相连,高位MOS管驱动芯片U6的6脚与电容C9的另一端、电阻R25的一端、场效应管Q3的源极、场效应管Q4的漏极和电容C11的一端相连,电阻R24的另一端与电阻R25的另一端和场效应管Q3的栅极相连,高位MOS管驱动芯片U6的5脚与电阻R26的一端相连,电阻R26的另一端与电阻R27的一端和场效应管Q4的栅极相连,高位MOS管驱动芯片U7的8脚与二极管D4的负极和电容C10的一端相连,二极管D4的正极与电阻R23的一端相连,电阻R23的另一端接电源VDD,高位MOS管驱动芯片U7的7脚与电阻R28的一端相连,高位MOS管驱动芯片U7的6脚与电容C10的另一端和电阻R29的一端、场效应管Q5的源极、电感L3的一端和场效应管Q6的漏极相连,高位MOS管驱动芯片U7的5脚与电阻R30的一端相连,高位MOS管驱动芯片U7的7脚与电阻R28的一端相连,电阻R28的另一端与电阻R29的另一端和场效应管Q5的栅极相连,场效应管Q3的漏极和场效应管Q5的漏极相连并作为能量发射电路模块3的第一个输入端,记为端口ADV-in1,与电压调节电路模块2的输出端ADV-out相连,电容C11的另一端与电感L3的另一端相连,电阻R27的另一端与场效应管的Q4的源极、电阻R31的另一端和场效应管Q6的源极相连并作为能量发射电路模块3的第一个输出端,记为端口SampV-out;
所述的电流检测放大电路4的结构为:场效应管Q7的源极接地,场效应管Q7的栅极作为电流检测放大电路模块4的第一个输入端,记为端口CtrlV-in,与输出自动控制电路模块6的CtrlV-out端口相连,场效应管Q7的漏极与运放U8B的同向输入端和电阻Rs的一端相连,运放U8B的反相输入端与电阻R35的一端、滑动变阻器W2的一端和电阻R34的一端相连,电阻R35的另一端与电源VDD/2相连,运放U8B的输出端与电阻R34的另一端和电阻R33的一端相连,电阻R33的另一端与滑动变阻器W2的滑线端、电阻R32的一端和运放U8A的反相输入端相连,电阻Rs的另一端与运放U8A的同相输入端相连并作为电流检测放大电路模块4的第二个输入端,记为:SampV-in与能量发射电路模块3的SampV-out端口相连,运放U8A的输出端与电阻R32的另一端相连并作为电流检测放大电路模块4的第一个输出端,记为AmpV-out;
所述的信号整形电路5的结构为:电阻R36的一端作为信号整形电路模块5的第一个输入端,记为端口AmpV-in,与电流检测放大电路模块4的输出端口AmpV-out相连,电阻R36的另一端与电容C12、电阻R37的一端、电阻R38的一端相连,电容C12的另一端与运放U9A的同向输入端相连并接电源VDD/2,电阻R37的另一端与电容C13的一端和运放U9A的反相输入端相连,电阻R38的另一端与电容C13、运放U9A的输出端和电阻R39相连,电阻R39的另一端与电阻R41的一端、电阻R40的一端和电容C14的一端相连,电容C14的另一端和运放U9B的同相输入端相连并接电源VDD/2,电阻R40的另一端与电容C15的一端和运放U9B的反相输入端相连,电阻R41的另一输入端与电容C15的另一端、运放U9B的输出端和第二A/D转换电路相连,第二转换电路与单片机相连;
所述的输出自动控制电路6的结构为:单片机与第一D/A转换电路相连,第一D/A转换电路与运放U10A的反相输入端相连,电阻R42的一端与稳压二极管D5的负极和运放U10A的同相输入端相连,稳压二极管D5的正极接地,电阻R42的另一端作为自动控制电路模块6的第一个输入端,记为端口ADV-in2,与电压调节电路模块2的ADV-out端口相连,运放U10A的输出端与三极管Q8的基极相连,三极管Q8的集电极接电源VDD,三极管Q8的发射极与电阻R44的一端、电阻R43的一端和三极管Q9的发射极相连,电阻R44的另一端接地,电阻R43的另一端与电容C16的一端和反相施密特触发器U11A的输入端相连,电容C16的另一端接地,反相施密特触发器U11A的输出端与D触发器U12A的3脚相连,D触发器U12A的1脚与2脚和电容C17的一端相连并接地,D触发器U12A的4脚与电容C17的另一端、电容R45的一端和二极管D6的正极相连,D触发器U12A的6脚与电阻R45的另一端和二极管的负极相连,D触发器U12A的5脚与D触发器U12B的11脚相连,并作为输出自动控制电路模块6的第一个输出端,记为Ctrl-out,D触发器U12B的12脚与电容C18的一端和13脚相连并接地,D触发器U12B的10脚与电容C18的另一端和电阻R46的一端和二极管D7的正极相连,D触发器U12B的8脚与电阻R46的另一端和二极管D7的负极相连,D触发器U12B的9脚与反相施密特触发器U11B的输入端相连,反相施密特触发器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VDD;
所述的电压检测电路7的结构为:电阻R48的一端与电容C19的一端相连并接地,电阻R48的另一端与电容C19的另一端、电阻R47的一端和运放U2B的同相输入端相连,电阻R47的另一端作为电压检测电路模块7的第一个输入端,记为端口ADV-in3,与电压调节电路模块2的ADV-out端口相连,运放U2B的输出端与反相输入端和第一A/D转换电路相连,第一A/D转换电路与单片机相连。
在所述的输出自动控制电路7中,电阻R45的值为1MΩ,电阻R46的值为100kΩ,电容C17的值为1uF,电容C18的值为100nF。
有益效果:
1、本发明能够自动调节能量发射电路的工作电压,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、本发明能够防止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。
4、本发明同时通过两路A/D转换电路同时采集能量发射电路的电压和电流,为单片机提供电压、电流数据,工作过程中可根据需要通过单片机控制系统工作在恒流或恒功率模式。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图。
图2是电源管理电路的原理框图。
图3是电压调节电路的原理电路图。
图4是能量发射电路的原理电路图。
图5是电流检测放大电路的原理电路图。
图6是信号整形电路的原理电路图。
图7是输出自动控制电路的原理电路图。
图8是电压检测电路的原理电路图。
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,本发明的一种具有恒功率恒流工作模式的手机无线充电发射系统,其结构有电源管理电路1、电压调节电路2、能量发射电路3、电流检测放大电路4、信号整形电路5、输出自动控制电6、电压检测电路7、第二A/D转换电路8、第一D/A转换电路9、第一A/D转换电路10、第二D/A转换电路11、单片机12;所述的电源管理电路1将USB连接线输入的+5V电压转换成系统所需要的不同电压,为系统中其它各模块提供所需的电源;单片机12分别与第一A/D转换电路10、第二A/D转换电路8的输出端以及第一D/A转换电路9、第二D/A转换电路11、能量发射电路3的输入端相连,第二D/A转换电路11的输出端与电压调节电路2的输入端相连,电压调节电路2的输出端与能量发射电路3、电压检测电路7和输出自动控制电路6的输入端相连,能量发射电路3的输出端与电流检测放大电路4的输入端相连,电流放大检测电路4的输出端与信号整形电路5的输入端相连,信号整形电路5的输出端与第二A/D转换电路8的输入端相连,电压检测电路7的输出端与第一A/D转换电路10的输入端相连,第一D/A转换电路9的输出端与输出自动控制电路6的输入端相连,输出自动控制电路6的输出端与电流检测放大电路4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:USB 3.1TYPE C接口J1的A1、A12,B1、B12、G1、G2、S1、S2、S3、S4端接地,A4、A9端接电源VDD,B4、B9端接电源VDD并与电阻R1的一端、R5的一端、升压控制芯片U1的6脚和电解电容C1的正极相连,并作为电源管理电路1的第一个输出端,记为端口P-out1,电解电容C1的负极接地,电阻R5的另一端与R6的一端和运放U2A的同向输入端相连,电阻R6的另一端接地,运放U2A的输出端与运放U2A的反相输入端相连并作为电源管理电路1的第二个输出端,记为端口P-out2,电阻R1的另一端与电阻R2的一端、电感L1的一端和升压控制芯片U1的7脚相连,电阻R2的另一端与升压控制芯片U1的8脚相连,升压控制芯片U1的5脚与R3的一端和滑动变阻器的滑线端相连,电阻R3的另一端与升压控制芯片升压控制芯片的4脚和地相连,电感L1的另一端与升压控制芯片U1的1脚和场效应管Q1的漏极、二极管的D1的正极相连,场效应管Q1的栅极与升压控制芯片U1的2脚相连,场效应管Q2的源极与电容C2的一端和地相连,电容C2的另一端和升压控制芯片U1的3脚相连,滑动变阻器的另一端与电阻R4的一端相连,电阻R4的另一端与二极管D1的负极相连并作为电源管理电路的第三个输出端,记为端口HV-out。
电源管理电路1将USB接口的+5V电源转换成本发明各模块所需的不同电压:用于给电压调节电路提供大功率的48V电压,通过端口HV-out输出;用于给各模块提供电源VDD(+5V)供电的,通过端口P-out1输出;用于给各模块提供电源VDD/2(+2.5V)供电的,通过端口P-out2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:电阻R8的一端和电容C3的一端接电源VDD/2,电阻R8的另一端与电阻R9的一端和运放U3B的同向输入端相连,电容C3的另一端与电阻R7的一端和运放U3A的反相输入端相连,电阻R7的另一端与电阻R9的另一端和运放U3B的输出端相连,单片机的一端与第二D/A转换器的一端相连,第二D/A转换器的另一端与运放U3A的同向输入端相连,运放U3A的输出端与场效应管Q2的栅极相连,场效应管Q2的漏极作为电压调节电路模块的第一个输入端,记为端口HV-in,与电源管理电路模块1的端口HV-out相连,场效应管Q2的源极与电感L2的一端和二极管D2的负极相连,电感L2的另一端与电解电容C4的正极相连并作为电压调节电路的第一个输出端,记为端口ADV-out,电解电容C4的负极与二极管的负极相连并接地。
电压调节电路2受第二D/A转换电路11的控制,在恒流工作模式时,单片机12将第二A/D转换电路8采样的数字信号(该信号是能量发射电路3的工作电流,实际上反应了负载的大小)与预设的参考电流值进行比较求差,差值由第二D/A转换电路11转换成模拟信号后输入至电压调节电路2的控制端,电压调节电路2则根据此信号将电源管理模块1提供的48V电压转换成与实际负载匹配的电压;在恒功率模式时,区别在于单片机先将第二A/D转换电路8采样的数字信号与第一A/D转换电路10采样的数字信号进行相乘得出发射功率后,再将该功率值与预设的功率值进行比较求差。
实施例4能量发射电路
所述的能量发射电路3的结构如图4所示:单片机分别与电阻R14,R15,R16,R17的一端相连,电阻R14的另一端与低位MOS管驱动芯片U4的1脚相连,电阻R15的另一端与低位MOS管驱动芯片U4的4脚相连,电阻R16的另一端与低位MOS管驱动芯片U5的1脚相连,电阻R17的另一端与低位MOS管驱动芯片U5的4脚相连,低位MOS管驱动芯片U4的2脚和3脚接地,低位MOS管驱动芯片U5的2脚和3脚接地,低位MOS管驱动芯片U4的8脚与电阻R18的一端、电阻R19的一端、电容C5的一端相连并接电源VDD,低位MOS管驱动芯片U4的7脚与电阻R18的另一端和高位MOS管驱动芯片U6的2脚相连,低位MOS管驱动芯片U4的6脚和电阻R19的另一端和高位MOS管驱动芯片U6的3脚相连,低位MOS管驱动芯片U4的5脚与电容C5的另一端相连并接地,低位MOS管驱动芯片U5的8脚与电阻R20的一端、电阻R21的一端、电容C7的一端相连并接电源VDD,低位MOS管驱动芯片U5的7脚与电阻R20的另一端和高位MOS管驱动芯片U7的2脚相连,低位MOS管驱动芯片U5的6脚和电阻R21的另一端和高位MOS管驱动芯片U7的3脚相连,低位MOS管驱动芯片U5的5脚与电容C7的另一端相连并接地,高位MOS管驱动芯片U6的1脚与电容C6的一端相连并接电源VDD,高位MOS管驱动芯片U6的4脚与电容C6的另一端相连并接地,高位MOS管驱动芯片U7的1脚与电容C8的一端相连并接电源VDD,高位MOS管驱动芯片U7的4脚与电容C8的另一端相连并接地,高位MOS管驱动芯片U6的8脚与二极管D3的负极和电容C9的一端相连,二极管D3的另一端与电阻R22的一端相连,电阻R22的另一端与电源VDD相连,高位MOS管驱动芯片U6的7脚与R24的一端相连,高位MOS管驱动芯片U6的6脚与电容C9的另一端、电阻R25的一端、场效应管Q3的源极、场效应管Q4的漏极和电容C11的一端相连,电阻R24的另一端与电阻R25的另一端和场效应管Q3的栅极相连,高位MOS管驱动芯片U6的5脚与电阻R26的一端相连,电阻R26的另一端与电阻R27的一端和场效应管Q4的栅极相连,高位MOS管驱动芯片U7的8脚与二极管D4的负极和电容C10的一端相连,二极管D4的正极与电阻R23的一端相连,电阻R23的另一端接电源VDD,高位MOS管驱动芯片U7的7脚与电阻R28的一端相连,高位MOS管驱动芯片U7的6脚与电容C10的另一端和电阻R29的一端、场效应管Q5的源极、电感L3的一端和场效应管Q6的漏极相连,高位MOS管驱动芯片U7的5脚与电阻R30的一端相连,高位MOS管驱动芯片U7的7脚与电阻R28的一端相连,电阻R28的另一端与电阻R29的另一端和场效应管Q5的栅极相连,场效应管Q3的漏极和场效应管Q5的漏极相连并作为能量发射电路模块3的第一个输入端,记为端口ADV-in1,与电压调节电路模块2的输出端ADV-out相连,电容C11的另一端与电感L3的另一端相连,电阻R27的另一端与场效应管的Q4的源极、电阻R31的另一端和场效应管Q6的源极相连并作为能量发射电路模块3的第一个输出端,记为端口SampV-out。
能量发射电路3在单片机提供的PWM时序(50kHz)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L3(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,由手机接收端的接收线圈接收,实现对手机的无线充电。光耦芯片U4、U5将单片机与功率电路进行电气隔离,以提高电路的稳定性;MOS管驱动芯片U6、U7将PWM时序提升至可驱动MOS管的级别,用于驱动Q3、Q4、Q5、Q6构成的MOS管电桥。
实施例5电流检测放大电路
所述的电流检测放大电路4的结构如图5所示:场效应管Q7的源极接地,场效应管Q7的栅极作为电流检测放大电路模块4的第一个输入端,记为端口CtrlV-in,与输出自动控制电路模块6的CtrlV-out端口相连,场效应管Q7的漏极与运放U8B的同向输入端和电阻Rs的一端相连,运放U8B的反相输入端与电阻R35的一端、滑动变阻器W2的一端和电阻R34的一端相连,电阻R35的另一端与电源VDD/2相连,运放U8B的输出端与电阻R34的另一端和电阻R33的一端相连,电阻R33的另一端与滑动变阻器W2的滑线端、电阻R32的一端和运放U8A的反相输入端相连,电阻Rs的另一端与运放U8A的同相输入端相连并作为电流检测放大电路模块4的第二个输入端,记为:SampV-in与能量发射电路模块3的SampV-out端口相连,运放U8A的输出端与电阻R32的另一端相连并作为电流检测放大电路模块4的第一个输出端,记为AmpV-out。
电流检测放大电路4通过取样电阻Rs对能量发射电路的工作电流进行采样并放大后输入至信号整形电路5。
实施例6信号整形电路
所述的信号整形电路5的结构如图6所示:电阻R36的一端作为信号整形电路模块5的第一个输入端,记为端口AmpV-in,与电流检测放大电路模块4的输出端口AmpV-out相连,电阻R36的另一端与电容C12、电阻R37的一端、电阻R38的一端相连,电容C12的另一端与运放U9A的同向输入端相连并接电源VDD/2,电阻R37的另一端与电容C13的一端和运放U9A的反相输入端相连,电阻R38的另一端与电容C13、运放U9A的输出端和电阻R39相连,电阻R39的另一端与电阻R41的一端、电阻R40的一端和电容C14的一端相连,电容C14的另一端和运放U9B的同相输入端相连并接电源VDD/2,电阻R40的另一端与电容C15的一端和运放U9B的反相输入端相连,电阻R41的另一输入端与电容C15的另一端、运放U9B的输出端和第二A/D转换电路相连,第二转换电路与单片机相连。
信号整形电路5将电流检测放大电路4检测的交流信号整形成适合模数转换的直流信号后送入第二A/D转换电路8。
实施例7电压检测电路
所述的电压检测电路7的结构如图8所示:电阻R48的一端与电容C19的一端相连并接地,电阻R48的另一端与电容C19的另一端、电阻R47的一端和运放U2B的同相输入端相连,电阻R47的另一端作为电压检测电路模块7的第一个输入端,记为端口ADV-in3,与电压调节电路模块2的ADV-out端口相连,运放U2B的输出端与反相输入端和第一A/D转换电路相连,第一A/D转换电路与单片机相连。
电压检测电路7实时检测能量发射电路3的实际工作电压,并通过第一A/D转换电路转换成数字信号后送入单片机12,单片机利用此信号与第二A/D转换电路采集的电流信号进行相乘可得到能量发射电路的发射功率,工作在恒功率模式时,该功率作为调节的依据(如实施例3所述)。
实施例8输出自动控制电路
所述的输出自动控制电路6的结构如图7所示:单片机与第一D/A转换电路相连,第一D/A转换电路与运放U10A的反相输入端相连,电阻R42的一端与稳压二极管D5的负极和运放U10A的同相输入端相连,稳压二极管D5的正极接地,电阻R42的另一端作为自动控制电路模块6的第一个输入端,记为端口ADV-in2,与电压调节电路模块2的ADV-out端口相连,运放U10A的输出端与三极管Q8的基极相连,三极管Q8的集电极接电源VDD,三极管Q8的发射极与电阻R44的一端、电阻R43的一端和三极管Q9的发射极相连,电阻R44的另一端接地,电阻R43的另一端与电容C16的一端和反相施密特触发器U11A的输入端相连,电容C16的另一端接地,反相施密特触发器U11A的输出端与D触发器U12A的3脚相连,D触发器U12A的1脚与2脚和电容C17的一端相连并接地,D触发器U12A的4脚与电容C17的另一端、电容R45的一端和二极管D6的正极相连,D触发器U12A的6脚与电阻R45的另一端和二极管的负极相连,D触发器U12A的5脚与D触发器U12B的11脚相连,并作为输出自动控制电路模块6的第一个输出端,记为Ctrl-out,D触发器U12B的12脚与电容C18的一端和13脚相连并接地,D触发器U12B的10脚与电容C18的另一端和电阻R46的一端和二极管D7的正极相连,D触发器U12B的8脚与电阻R46的另一端和二极管D7的负极相连,D触发器U12B的9脚与反相施密特触发器U11B的输入端相连,反相施密特触发器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VDD。
由实施例3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(即没有手机充电或电已充满)电压调节电路2则会输出一个非常小的电压,因此当电压检测电路检测的电压小于某一预设值(由第一D/A转换电路9提供)后,则判定系统处于空载状态,由输出自动控制电路6控制电流检测放大电路4中的场效应管Q7截止,Q7的截止则会切断能量发射电路3中的振荡回路,使其停止发射能量,使系统进入断电状态,不再发射能量,有效减小了能量损耗。自动控制电路8还具备自动启动功能,由D触发器U12B、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R46(100k)和电容C18(100nF)决定,而两次尝试所间隔的休眠时间由电阻R45(1M)和电容C17(1uF),由于R45远大于R46,C17远大于C18,因此在待机过程中系统消耗的功耗大大降低。

Claims (2)

1.一种具有恒功率恒流工作模式的手机无线充电发射系统,其结构有电源管理电路(1)、能量发射电路(3)、单片机(12),其特征在于,结构还有电压调节电路(2)、电流检测放大电路(4)、信号整形电路(5)、输出自动控制电6、电压检测电路(7)、第二A/D转换电路(8)、第一D/A转换电路(9)、第一A/D转换电路(10)、第二D/A转换电路(11);所述的电源管理电路(1)将USB连接线输入的+5V电压转换成系统所需要的不同电压,为系统中其它各模块提供所需的电源;单片机(12)分别与第一A/D转换电路(10)、第二A/D转换电路(8)的输出端以及第一D/A转换电路(9)、第二D/A转换电路(11)、能量发射电路(3)的输入端相连,第二D/A转换电路(11)的输出端与电压调节电路(2)的输入端相连,电压调节电路(2)的输出端与能量发射电路(3)、电压检测电路(7)和输出自动控制电路(6)的输入端相连,能量发射电路(3)的输出端与电流检测放大电路(4)的输入端相连,电流放大检测电路(4)的输出端与信号整形电路(5)的输入端相连,信号整形电路(5)的输出端与第二A/D转换电路(8)的输入端相连,电压检测电路(7)的输出端与第一A/D转换电路(10)的输入端相连,第一D/A转换电路(9)的输出端与输出自动控制电路(6)的输入端相连,输出自动控制电路(6)的输出端与电流检测放大电路(4)的输入端相连;
所述的电源管理电路(1)的结构为:USB 3.1 TYPE C接口J1的A1、A12,B1、B12、G1、G2、S1、S2、S3、S4端接地,A4、A9端接电源VDD,B4、B9端接电源VDD并与电阻R1的一端、R5的一端、升压控制芯片U1的6脚和电解电容C1的正极相连,并作为电源管理电路(1)的第一个输出端,记为端口P-out1,电解电容C1的负极接地,电阻R5的另一端与R6的一端和运放U2A的同向输入端相连,电阻R6的另一端接地,运放U2A的输出端与运放U2A的反相输入端相连并作为电源管理电路(1)的第二个输出端,记为端口P-out2,电阻R1的另一端与电阻R2的一端、电感L1的一端和升压控制芯片U1的7脚相连,电阻R2的另一端与升压控制芯片U1的8脚相连,升压控制芯片U1的5脚与R3的一端和滑动变阻器的滑线端相连,电阻R3的另一端与升压控制芯片升压控制芯片的4脚和地相连,电感L1的另一端与升压控制芯片U1的1脚和场效应管Q1的漏极、二极管的D1的正极相连,场效应管Q1的栅极与升压控制芯片U1的2脚相连,场效应管Q2的源极与电容C2的一端和地相连,电容C2的另一端和升压控制芯片U1的3脚相连,滑动变阻器的另一端与电阻R4的一端相连,电阻R4的另一端与二极管D1的负极相连并作为电源管理电路的第三个输出端,记为端口HV-out;
所述的电压调节电路(2)的结构为:电阻R8的一端和电容C3的一端接电源VDD/2,电阻R8的另一端与电阻R9的一端和运放U3B的同向输入端相连,电容C3的另一端与电阻R7的一端和运放U3A的反相输入端相连,电阻R7的另一端与电阻R9的另一端和运放U3B的输出端相连,单片机的一端与第二D/A转换器的一端相连,第二D/A转换器的另一端与运放U3A的同向输入端相连,运放U3A的输出端与场效应管Q2的栅极相连,场效应管Q2的漏极作为电压调节电路的第一个输入端,记为端口HV-in,与电源管理电路(1)的端口HV-out相连,场效应管Q2的源极与电感L2的一端和二极管D2的负极相连,电感L2的另一端与电解电容C4的正极相连并作为电压调节电路的第一个输出端,记为端口ADV-out,电解电容C4的负极与二极管的负极相连并接地;
所述的能量发射电路(3)的结构为:单片机分别与电阻R14,R15,R16,R17的一端相连,电阻R14的另一端与低位MOS管驱动芯片U4的1脚相连,电阻R15的另一端与低位MOS管驱动芯片U4的4脚相连,电阻R16的另一端与低位MOS管驱动芯片U5的1脚相连,电阻R17的另一端与低位MOS管驱动芯片U5的4脚相连,低位MOS管驱动芯片U4的2脚和3脚接地,低位MOS管驱动芯片U5的2脚和3脚接地,低位MOS管驱动芯片U4的8脚与电阻R18的一端、电阻R19的一端、电容C5的一端相连并接电源VDD,低位MOS管驱动芯片U4的7脚与电阻R18的另一端和高位MOS管驱动芯片U6的2脚相连,低位MOS管驱动芯片U4的6脚和电阻R19的另一端和高位MOS管驱动芯片U6的3脚相连,低位MOS管驱动芯片U4的5脚与电容C5的另一端相连并接地,低位MOS管驱动芯片U5的8脚与电阻R20的一端、电阻R21的一端、电容C7的一端相连并接电源VDD,低位MOS管驱动芯片U5的7脚与电阻R20的另一端和高位MOS管驱动芯片U7的2脚相连,低位MOS管驱动芯片U5的6脚和电阻R21的另一端和高位MOS管驱动芯片U7的3脚相连,低位MOS管驱动芯片U5的5脚与电容C7的另一端相连并接地,高位MOS管驱动芯片U6的1脚与电容C6的一端相连并接电源VDD,高位MOS管驱动芯片U6的4脚与电容C6的另一端相连并接地,高位MOS管驱动芯片U7的1脚与电容C8的一端相连并接电源VDD,高位MOS管驱动芯片U7的4脚与电容C8的另一端相连并接地,高位MOS管驱动芯片U6的8脚与二极管D3的负极和电容C9的一端相连,二极管D3的另一端与电阻R22的一端相连,电阻R22的另一端与电源VDD相连,高位MOS管驱动芯片U6的7脚与R24的一端相连,高位MOS管驱动芯片U6的6脚与电容C9的另一端、电阻R25的一端、场效应管Q3的源极、场效应管Q4的漏极和电容C11的一端相连,电阻R24的另一端与电阻R25的另一端和场效应管Q3的栅极相连,高位MOS管驱动芯片U6的5脚与电阻R26的一端相连,电阻R26的另一端与电阻R27的一端和场效应管Q4的栅极相连,高位MOS管驱动芯片U7的8脚与二极管D4的负极和电容C10的一端相连,二极管D4的正极与电阻R23的一端相连,电阻R23的另一端接电源VDD,高位MOS管驱动芯片U7的7脚与电阻R28的一端相连,高位MOS管驱动芯片U7的6脚与电容C10的另一端和电阻R29的一端、场效应管Q5的源极、电感L3的一端和场效应管Q6的漏极相连,高位MOS管驱动芯片U7的5脚与电阻R30的一端相连,高位MOS管驱动芯片U7的7脚与电阻R28的一端相连,电阻R28的另一端与电阻R29的另一端和场效应管Q5的栅极相连,场效应管Q3的漏极和场效应管Q5的漏极相连并作为能量发射电路(3)的第一个输入端,记为端口ADV-in1,与电压调节电路(2)的输出端ADV-out相连,电容C11的另一端与电感L3的另一端相连,电阻R27的另一端与场效应管的Q4的源极、电阻R31的另一端和场效应管Q6的源极相连并作为能量发射电路(3)的第一个输出端,记为端口SampV-out;
能量发射电路3在单片机提供的PWM时序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L3,发射线圈将电流转换成变化的磁场能量进行发射,由手机接收端的接收线圈接收,实现对手机的无线充电;
所述的电流检测放大电路(4)的结构为:场效应管Q7的源极接地,场效应管Q7的栅极作为电流检测放大电路(4)的第一个输入端,记为端口CtrlV-in,与输出自动控制电路(6)的CtrlV-out端口相连,场效应管Q7的漏极与运放U8B的同向输入端和电阻Rs的一端相连,运放U8B的反相输入端与电阻R35的一端、滑动变阻器W2的一端和电阻R34的一端相连,电阻R35的另一端与电源VDD/2相连,运放U8B的输出端与电阻R34的另一端和电阻R33的一端相连,电阻R33的另一端与滑动变阻器W2的滑线端、电阻R32的一端和运放U8A的反相输入端相连,电阻Rs的另一端与运放U8A的同相输入端相连并作为电流检测放大电路(4)的第二个输入端,记为:SampV-in与能量发射电路(3)的SampV-out端口相连,运放U8A的输出端与电阻R32的另一端相连并作为电流检测放大电路(4)的第一个输出端,记为AmpV-out;
所述的信号整形电路(5)的结构为:电阻R36的一端作为信号整形电路(5)的第一个输入端,记为端口AmpV-in,与电流检测放大电路(4)的输出端口AmpV-out相连,电阻R36的另一端与电容C12、电阻R37的一端、电阻R38的一端相连,电容C12的另一端与运放U9A的同向输入端相连并接电源VDD/2,电阻R37的另一端与电容C13的一端和运放U9A的反相输入端相连,电阻R38的另一端与电容C13、运放U9A的输出端和电阻R39相连,电阻R39的另一端与电阻R41的一端、电阻R40的一端和电容C14的一端相连,电容C14的另一端和运放U9B的同相输入端相连并接电源VDD/2,电阻R40的另一端与电容C15的一端和运放U9B的反相输入端相连,电阻R41的另一输入端与电容C15的另一端、运放U9B的输出端和第二A/D转换电路相连,第二转换电路与单片机相连;
所述的输出自动控制电路(6)的结构为:单片机与第一D/A转换电路相连,第一D/A转换电路与运放U10A的反相输入端相连,电阻R42的一端与稳压二极管D5的负极和运放U10A的同相输入端相连,稳压二极管D5的正极接地,电阻R42的另一端作为自动控制电路(6)的第一个输入端,记为端口ADV-in2,与电压调节电路(2)的ADV-out端口相连,运放U10A的输出端与三极管Q8的基极相连,三极管Q8的集电极接电源VDD,三极管Q8的发射极与电阻R44的一端、电阻R43的一端和三极管Q9的发射极相连,电阻R44的另一端接地,电阻R43的另一端与电容C16的一端和反相施密特触发器U11A的输入端相连,电容C16的另一端接地,反相施密特触发器U11A的输出端与D触发器U12A的3脚相连,D触发器U12A的1脚与2脚和电容C17的一端相连并接地,D触发器U12A的4脚与电容C17的另一端、电容R45的一端和二极管D6的正极相连,D触发器U12A的6脚与电阻R45的另一端和二极管的负极相连,D触发器U12A的5脚与D触发器U12B的11脚相连,并作为输出自动控制电路(6)的第一个输出端,记为Ctrl-out,D触发器U12B的12脚与电容C18的一端和13脚相连并接地,D触发器U12B的10脚与电容C18的另一端和电阻R46的一端和二极管D7的正极相连,D触发器U12B的8脚与电阻R46的另一端和二极管D7的负极相连,D触发器U12B的9脚与反相施密特触发器U11B的输入端相连,反相施密特触发器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VDD;
所述的电压检测电路(7)的结构为:电阻R48的一端与电容C19的一端相连并接地,电阻R48的另一端与电容C19的另一端、电阻R47的一端和运放U2B的同相输入端相连,电阻R47的另一端作为电压检测电路(7)的第一个输入端,记为端口ADV-in3,与电压调节电路(2)的ADV-out端口相连,运放U2B的输出端与反相输入端和第一A/D转换电路相连,第一A/D转换电路与单片机相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有恒功率恒流工作模式的手机无线充电发射系统,其特征在于,所述的输出自动控制电路(6)中,电阻R27的值为1MΩ,电阻R28的值为100kΩ,电容C11的值为1uF,电容C12的值为100nF。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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基于MSP430F169单片机的直流电子负载的设计;邵建设;郜文华;向云;熊文君;;黄冈师范学院学报;20121215(第06期);全文 *

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