CN111381107A - 一种无线充电高精度q值检测方法和电路 - Google Patents

一种无线充电高精度q值检测方法和电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线充电高精度Q值检测方法和电路，所述方法包括：使无线充电线圈的LC谐振电路产生自激振荡；对LC谐振电路中的电容电压进行采样得到采样电压信号；对采样电压信号进行峰值保持输出峰值电压信号，并同步将采样电压信号转换为方波信号；对峰值电压信号和方波信号进行模数转换并同步采样，得到每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数；根据每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数计算Q值。本发明能够实现不用扫描频率，仅通过测量自激振荡的任意两个峰值电压就可以快速得到需要检测的Q值，相比现有技术对起始峰值和结束峰值测量来计算Q值具有速度更快、精度更高的优势。

Description

一种无线充电高精度Q值检测方法和电路
技术领域
本发明涉及无线充电异物检测技术领域，尤其是一种无线充电高精度Q值检测方法和电路。
背景技术
在无线充电系统中，发射模块(TX)通过线圈耦合给接收模块(RX)发送能量，如果TX与RX之间存在异物（这里指金属异物），在充电过程中会导致异物温度升高，这会给无线充电设备带来损伤。
TX设备自身的串联谐振回路具有固定的Q值，且该Q值与串联回路的RLC三个参数有关。如果存在异物，等效于在TX线圈上并联了电阻负载R，导致Q值降低。因此快速检测出TX谐振回路的Q值，就可以判断异物是否存在。具体地：TX线圈构成的串联谐振电路如图1所示。当输入交流电压V1的频率等于电路的谐振频率
Figure 897254DEST_PATH_IMAGE001
时，电容的阻抗和电感的阻抗相互抵消，流过谐振回路的电流达到最大，此时TX线圈两端的电压达到最大，如图2所示。如果金属异物存在，谐振回路的阻尼系数变大，谐振频率点V2幅值的最大值减小，则Q值减小。
现有技术采用检测振荡电路的起始点与终点的值来计算Q值，其存在以下问题：
（1）起始点与终点的值的精度会影响最终Q值的精度；
（2）Q值比较低的时候，LC产生自激振荡的脉冲数比较少的情况下检测精度很差；
（3）激励振荡一次只能计算一组Q值，如果想用平均的算法来提高精度需要激励很多次，影响检测效率并且对精度的提升也不太大。
以上几个问题都会导致实际应用中Q值检测的精度降低，实际想达到5%以内的精度是很困难的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种无线充电高精度Q值检测方法和电路。
本发明提供的一种无线充电高精度Q值检测方法，包括：
使无线充电线圈的LC谐振电路产生自激振荡；
对LC谐振电路中的电容电压进行采样得到采样电压信号；
对采样电压信号进行峰值保持输出峰值电压信号，并同步将采样电压信号转换为方波信号；
对峰值电压信号和方波信号进行模数转换并同步采样，得到每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数；
根据每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数计算Q值。
进一步地，所述使无线充电线圈的LC谐振电路产生自激振荡的方法为：
将LC谐振电路的一端通过选择开关连接充电电源或接地；
在t0时刻，通过选择开关使LC谐振电路连接充电电源，将电容电压充电到充电电源的电压；
在t1时刻，通过选择开关使LC谐振电路接地，构成LC串联谐振回路，产生自激振荡。
作为优选，所述充电电源为低压电源。
进一步地，所述对LC谐振电路中的电容电压进行采样得到采样电压信号的方法为：采用串联的两个电阻构成电容电压采样电路，其中一个电阻的一端连接在LC谐振电路的电感和电容之间的电性连接点，另一个电阻的一端接地；两个电阻之间的电性连接点输出采样电压信号。
进一步地，，所述对采样电压信号进行峰值保持输出峰值电压信号，并同步将采样电压信号转换为方波信号的方法为：
将采样电压信号输入峰值电压采样保持电路，得到峰值电压信号；
同步将采样电压信号输入比较器的正输入端，通过在比较器的负输入端配置一个控制信号来调节采样电压信号的占空比，将采样电压信号转换为方波信号。
进一步地，通过ADC采样转换模块对峰值电压信号和方波信号进行模数转换并同步采样，得到每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数。
进一步地，所述根据每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数计算Q值的方法为：
Figure 847892DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 792715DEST_PATH_IMAGE004
为任意两个相邻波峰的峰值电压。
另一种根据每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数计算Q值的方法为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 145199DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 87747DEST_PATH_IMAGE004
为任意两个间隔时间为N个振荡周期的波峰的峰值电压。
本发明还提供一种无线充电高精度Q值检测电路，包括：充电电源、选择开关、电容电压采样电路、比较器、峰值采样保持电路、ADC采样转换模块和MCU；选择开关将LC谐振电路连接至充电电源或接地；电容电压采样电路的采样端连接在LC谐振电路的电感L和电容C之间的电性连接点，并输出采样电压信号至比较器和峰值采样保持电路；比较器和峰值采样保持电路的输出端经ADC采样转换模块连接MCU。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明能够实现不用扫描频率，仅通过测量自激振荡的任意两个峰值电压就可以快速得到需要检测的Q值，相比现有技术对起始峰值和结束峰值测量来计算Q值具有速度更快、精度更高的优势。
2、本发明由于通过测量自激振荡的任意两个峰值电压就可以快速得到需要检测的Q值，则可以在一次自激振荡中进行多次计算并取平均处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为无线充电线圈中的串联谐振电路结构示意图。
图2为无线充电线圈中的串联谐振增益曲线图。
图3为本发明的无线充电高精度Q值检测方法的实现流程图。
图4为本发明的无线充电高精度Q值检测电路的结构示意图。
具体实施方式
如图3所示，本发明的一种无线充电高精度Q值检测方法，包括：
使无线充电线圈的LC谐振电路产生自激振荡；
对LC谐振电路中的电容电压进行采样得到采样电压信号；
对采样电压信号进行峰值保持输出峰值电压信号，并同步将采样电压信号转换为方波信号；
对峰值电压信号和方波信号进行模数转换并同步采样，得到每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数；
根据每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数计算Q值。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
如图4所示，本实施例设计了用于实现上述的无线充电高精度Q值检测方法的电路结构，包括：充电电源Vdd3p3、选择开关S、电容电压采样电路、比较器COMP、峰值采样保持电路Peak_derector、ADC采样转换模块和MCU；选择开关S将LC谐振电路连接至充电电源Vdd3p3或接地；电容电压采样电路的采样端连接在LC谐振电路的电感L和电容C之间的电性连接点，并输出采样电压信号Fod_in至比较器COMP和峰值采样保持电路Peak_derector；比较器COMP和峰值采样保持电路Peak_derector的输出端经ADC采样转换模块连接MCU。
具体地，采用该电路结构实现无线充电高精度Q值检测方法的原理如下：
（1）使无线充电线圈的LC谐振电路产生自激振荡
将LC谐振电路的一端通过选择开关S连接充电电源Vdd3p3或接地；即，选择开关S为单刀双掷开关，其端口1连接低压电源Vdd3p3，端口2连接LC谐振电路的电感L的一端，端口3接地（GND）；
在t0时刻，通过选择开关S使LC谐振电路连接充电电源（即，连接选择开关的端口1和端口2），将电容C电压充电到充电电源Vdd3p3的电压，如3.3V；
在t1时刻，通过选择开关使LC谐振电路接地（即，连接选择开关的端口2和端口3，构成LC串联谐振回路，产生自激振荡；该产生的自激振荡等效于向LC谐振电路注入了一个阶跃信号。
在本实施例中，所述充电电源Vdd3p3选择为低压电源，可以防止LC谐振电路谐振时产生很高的电压，对TX（无线充电端）设备造成损坏，且此时如果放置RX（无线接收端）不会开始传输能量。
（2）对LC谐振电路中的电容电压进行采样得到采样电压信号
采用串联的两个电阻R1和R2构成电容电压采样电路，其中一个电阻R1的一端连接在LC谐振电路的电感L和电容C之间的电性连接点，另一个电阻R2的一端接地；两个电阻R1和R2之间的电性连接点输出采样电压信号Fod_in；
（3）对采样电压信号进行峰值保持输出峰值电压信号，并同步将采样电压信号转换为方波信号
将采样电压信号Fod_in输入峰值电压采样保持电路Peak_derector，得到峰值电压信号；
同步将采样电压信号Fod_in输入比较器COMP的正输入端，通过在比较器COMP的负输入端配置一个控制信号Vref来调节采样电压信号Fod_in的占空比，将采样电压信号Fod_in转换为方波信号。
（4）对峰值电压信号和方波信号进行模数转换并同步采样，得到每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数
通过ADC采样转换模块可以直接对峰值电压信号和方波信号进行模数转换并同步采样，得到每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数；需要说明的是，此峰值电压信信号和方波信号与原来的采样电压信号Fod_in具有相同的周期，因此在进行模数转换和采样后，通过采样到的方波信号的周期数就是采样电压信号的周期数，并能够对应相应波峰的峰值电压。
（5）根据每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数计算Q值
从前述可知，LC谐振电路产生的自激振荡等效于向LC谐振电路注入了一个阶跃信号，根据串联谐振阶跃响应公式可以得到：
Figure 587998DEST_PATH_IMAGE006
（1）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
将公式（1）进行运算变换可以得到所述根据每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数计算Q值的方法：
Figure 8615DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 481185DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 719268DEST_PATH_IMAGE009
为任意两个相邻波峰的峰值电压。
如果以两个间隔时间为任意两个间隔时间为N个振荡周期的波峰的峰值电压来计算Q值，则根据每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数计算Q值的方法为：
Figure 644499DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 868807DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 992621DEST_PATH_IMAGE009
为任意两个间隔时间为N个振荡周期的波峰的峰值电压。
通过上述可知，本发明具有的有益效果如下：
1、本发明能够实现不用扫描频率，仅通过测量自激振荡的任意两个峰值电压就可以快速得到需要检测的Q值，相比现有技术对起始峰值和结束峰值测量来计算Q值具有速度更快、精度更高的优势。
2、本发明由于通过测量自激振荡的任意两个峰值电压就可以快速得到需要检测的Q值，则可以在一次自激振荡中进行多次计算并取平均处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线充电高精度Q值检测方法，其特征在于，包括：
使无线充电线圈的LC谐振电路产生自激振荡；
对LC谐振电路中的电容电压进行采样得到采样电压信号；
对采样电压信号进行峰值保持输出峰值电压信号，并同步将采样电压信号转换为方波信号；
对峰值电压信号和方波信号进行模数转换并同步采样，得到每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数；
根据每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数计算Q值。
2.根据权利要求1所述的无线充电高精度Q值检测方法，其特征在于，所述使无线充电线圈的LC谐振电路产生自激振荡的方法为：
将LC谐振电路的一端通过选择开关连接充电电源或接地；
在t0时刻，通过选择开关使LC谐振电路连接充电电源，将电容电压充电到充电电源的电压；
在t1时刻，通过选择开关使LC谐振电路接地，构成LC串联谐振回路，产生自激振荡。
3.根据权利要求2所述的无线充电高精度Q值检测方法，其特征在于，所述充电电源为低压电源。
4.根据权利要求1所述的无线充电高精度Q值检测方法，其特征在于，所述对LC谐振电路中的电容电压进行采样得到采样电压信号的方法为：采用串联的两个电阻构成电容电压采样电路，其中一个电阻的一端连接在LC谐振电路的电感和电容之间的电性连接点，另一个电阻的一端接地；两个电阻之间的电性连接点输出采样电压信号。
5.根据权利要求1所述的无线充电高精度Q值检测方法，其特征在于，所述对采样电压信号进行峰值保持输出峰值电压信号，并同步将采样电压信号转换为方波信号的方法为：
将采样电压信号输入峰值电压采样保持电路，得到峰值电压信号；
同步将采样电压信号输入比较器的正输入端，通过在比较器的负输入端配置一个控制信号来调节采样电压信号的占空比，将采样电压信号转换为方波信号。
6.根据权利要求1所述的无线充电高精度Q值检测方法，其特征在于，通过ADC采样转换模块对峰值电压信号和方波信号进行模数转换并同步采样，得到每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数。
7.根据权利要求1所述的无线充电高精度Q值检测方法，其特征在于，所述根据每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数计算Q值的方法为：
Figure 711312DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 354783DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 689950DEST_PATH_IMAGE003
为任意两个相邻波峰的峰值电压。
8.根据权利要求1所述的无线充电高精度Q值检测方法，其特征在于，所述根据每个波峰的峰值电压以及对应所在周期数计算Q值的方法为：
Figure 418871DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 560003DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 57980DEST_PATH_IMAGE003
为任意两个间隔时间为N个振荡周期的波峰的峰值电压。
9.一种无线充电高精度Q值检测电路，其特征在于，包括：充电电源、选择开关、电容电压采样电路、比较器、峰值采样保持电路、ADC采样转换模块和MCU；选择开关将LC谐振电路连接至充电电源或接地；电容电压采样电路的采样端连接在LC谐振电路的电感L和电容C之间的电性连接点，并输出采样电压信号至比较器和峰值采样保持电路；比较器和峰值采样保持电路的输出端经ADC采样转换模块连接MCU。
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