CN113162170A - 一种无线充电电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线充电电路，包括：发射端电路、接收端电路及倍压启动电路，其中，发射端电路的输入端用于与直流电连接，发射端电路的输出端与接收端电路的输入端以电磁耦合的方式连接；接收端电路的输出端与无线接收芯片连接，用于感应发射端电路发送的磁能，将磁能转换为直流供电电压并为无线接收芯片供电；倍压启动电路的第一端与接收端电路的输入端连接，倍压启动电路的第二端与接收端电路的输出端连接，倍压启动电路的控制端用于外接控制信号。本发明避免了由于使用低电感量线圈的接收端电路启动电压不足的情况，以导致无线接收芯片不能正常工作的情况。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种无线充电电路。
背景技术
无线充电技术使人们在对电子产品充电时，摆脱了线路的束缚，在灵活性和方便性上显示出比传统有线充电方式更好的优势。在科学技术飞速发发展的时代，人们对电子设备快充的需求日趋明显，因此无线充电技术也在大功率快充方向进行不断升级。手机等可移动设备，体积小，要实现大功率快充对功率器件的功耗处理要求较高，为了降低无线电能接收端线圈的发热，需要选取低交流电阻的线圈，而降低线圈的电感量很容易获得低的交流电阻。
但是低电感量的接收端线圈，在放置在无线充电发射装置上时，耦合到的能量相比大感量的线圈要少的多。因此使用低电感量线圈的接收器存在全桥整流器整流后的电压不足的情况，无线接收芯片不能正常工作。
发明内容
基于此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的使用低电感量线圈的接收器存在全桥整流器整流后的电压不足的情况，无线接收芯片不能正常工作的缺陷，从而提供一种无线充电电路。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明实施例提供一种无线充电电路，包括：发射端电路、接收端电路及倍压启动电路，其中，所述发射端电路的输入端用于与直流电连接，所述发射端电路的输出端与所述接收端电路的输入端以电磁耦合的方式连接；所述接收端电路的输出端与无线接收芯片连接，用于感应所述发射端电路发送的磁能，将所述磁能转换为直流供电电压并为所述无线接收芯片供电；所述倍压启动电路的第一端与所述接收端电路的输入端连接，所述倍压启动电路的第二端与所述接收端电路的输出端连接，所述倍压启动电路的控制端用于外接控制信号；在所述无线充电电路初始为所述无线接收芯片供电时，所述倍压启动电路保持关断状态，当所述接收端电路输出的直流供电电压从零缓慢上升至所述倍压启动电路的导通电压阈值时，所述控制信号控制所述倍压启动电路导通。
可选地，无线充电电路，还包括：控制电路，所述控制电路的第一端与所述发射端电路的控制端连接，所述控制电路的第二端与所述接收端电路的控制端连接，所述控制电路的第三端与所述倍压启动电路的控制端连接，用于控制所述发射端电路及所述接收端电路执行电能转换工作，还用于输出所述控制信号以控制所述倍压启动电路的通断。
可选地，所述倍压启动电路，包括：第一可控开关及限压电路，其中，所述第一可控开关的第一端与所述接收端电路的输入端连接，所述第一可控开关的第二端与所述限压电路的第一端连接后接地，所述第一可控开关的控制端与所述控制电路的第三端连接；所述限压电路的第二端与所述接收端电路的输出端连接。
可选地，所述倍压启动电路还包括稳压电路，所述稳压电路的第一端与所述第一可控开关的第二端连接，所述稳压电路的第二端与所述限压电路的第一端连接。
可选地，所述接收端电路包括：接收端磁耦合电路及整流电路，其中，所述接收端磁耦合电路的输入端以电磁耦合的方式与所述发射端电路的输出端连接，用于感应所述磁能，得到交流电；所述整流电路的输入端与所述接收端磁耦合电路的输出端连接，所述整流电路的输出端与无线接收芯片连接，所述整流电路的控制端与所述控制电路的第二端连接，用于将所述交流电转换为直流供电电压。
可选地，所述接收端磁耦合电路包括：第二电感、第二电容、第三电容，其中，所述第二电感的第一端分别与所述第三电容的第一端及所述整流电路的第一输入端连接，所述第二电感的第二端通过第二电容分别与所述第一可控开关的第一端、所述第三电容的第二端及所述整流电路的第二输入端连接。
可选地，无线充电电路还包括：电压转换电路，所述电压转换电路的输入端与所述整流电路的输出端连接，所述电压转换电路的输出端与无线接收芯片连接，用于对直流供电电压进行稳压，为无线接收芯片供电。
可选地，所述电压转换电路，包括：运算放大器、第二可控开关及第四电容，其中，所述第二可控开关的第一端与所述整流电路的第一输出端连接，所述第二可控开关的第二端与所述运算放大器的反相输入端连接，并通过第四电容与所述整流电路的第二输出端连接，所述第二可控开关的控制端与所述运算放大器的输出端连接。
可选地，所述发射端电路包括：逆变电路及发射端磁耦合电路，其中，所述逆变电路的输入端用于与直流电连接，用于将直流电转变为交流电；所述发射端磁耦合电路的输入端与所述逆变电路的输出端连接，用于将交流电转化为磁能，并发送至所述接收端电路。
可选地，所述发射端磁耦合电路包括：第一电感、第一电容，其中，所述第一电感与所述第一电容串联连接之后的两端分别与所述逆变电路的两个输出端连接。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的无线充电电路，发射端电路将直流电转换为交流电，并将交流电转换为磁能。接收端耦合电路感应磁能，并将其依次转换为直流供电电压之后为无线接收芯片供电。在所述无线充电电路初始为所述无线接收芯片供电时，所述倍压启动电路保持关断状态，当所述接收端电路输出的直流供电电压从零缓慢上升至所述倍压启动电路的导通电压阈值时，所述倍压启动电路开通。如此在接收端电路输出的直流电电压不足时，倍压启动电路被触发导通，从而调整无线充电电路的电路结构，实现倍压启动无线接收芯片。进而避免了由于使用低电感量线圈的接收端电路启动电压不足，导致无线接收芯片不能正常工作的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明实施例提供的无线充电电路的一个具体示例的组成图；
图2为本发明实施例提供的无线充电电路的另一个具体示例的组成图；
图3为本发明实施例提供的无线充电电路的一个具体电路结构图；
图4为本发明实施例提供的无线充电电路启动时的等效电路图；
图5为本发明实施例提供的无线充电电路启动时的Boost等效电路图；
图6为本发明实施例提供的Boost等效电路图的PWM开关管模型；
图7为本发明实施例提供的Boost等效电路图的等效图；
图8为本发明实施例提供的传统无线充电电路的等效电路图；
图9为本发明实施例提供的无线充电电路启动时的等效模型。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
在现有技术中，由于手机、无线蓝牙等可移动设备体积小，在实现大功率快充时，对功率器件的功耗处理要求较高。因此，为了降低可移动设备无线电能接收端线圈的发热，需要选取低交流电阻的线圈。而降低线圈的电感量很容易获得低的交流电阻。
但是低电感量的接收端线圈，在放置在无线充电发射装置上时，耦合到的能量相比大感量的线圈要少的多。因此使用低电感量线圈的接收器存在全桥整流器整流后的电压不足的情况，无线接收芯片不能正常工作的缺陷。
因此，为解决上述缺陷，本发明实施例提供一种无线充电电路，应用于需要倍压启动无线接收芯片的场合。如图1所示，无线充电电路包括：发射端电路1。其中，发射端电路1的输入端用于与直流电连接。发射端电路1的输出端与接收端电路2的输入端以电磁耦合的方式连接。接收端电路2的输出端与无线接收芯片连接。接收端电路2用于感应发射端电路1发送的磁能。接收端电路2将磁能转换为直流供电电压并为无线接收芯片供电。倍压启动电路3的第一端与接收端电路2的输入端连接。倍压启动电路3的第二端与接收端电路2的输出端连接。倍压启动电路3的控制端用于外接控制信号。在无线充电电路初始为无线接收芯片供电时，倍压启动电路3保持关断状态。当接收端电路2输出的直流供电电压从零缓慢上升至倍压启动电路3的导通电压阈值时，控制信号控制倍压启动电路3导通。
在一具体实施例中，发射端电路1的输出端与接收端电路2的输入端以电磁耦合的方式连接。发射端电路1在将直流电转换为交流电后。发射端电路1将交流电转化为磁能发送至接收端电路2。接收端电路2耦合感应发射端电路1发送的磁能。接收端电路2将耦合感应到的磁能依次转换为直流供电电压之后为无线接收芯片供电。当接收端电路2输出的直流电电压达到倍压启动电路3的导通电压阈值时，且在外部控制信号作用下触发倍压启动电路3导通。倍压启动电路3在导通后，反向作用于接收端电路2，用于调整接收端电路2的电路结构。电路结构调整后的无线充电电路将接收端电路2输出的直流电电压进行升压处理。由于接收端电路2选取的为低交流电阻的线圈，因此，在接收端电路2输出的直流电电压不足时，无线充电电路触发倍压启动电路3导通。无线充电电路将接收端电路2耦合得到的电压进行升压处理，使得直流供电电压快速达到无线接收芯片的预设供电电压，维持无线接收芯片的正常工作。
在本发明实施例中，倍压启动电路3的导通电压阈值可根据实际需要进行设定，在此不作限制。另外输送至发射端电路1的直流电应满足无线充电发射端线圈需要的工作电压、电流等要求。倍压启动电路3可设置在接收端电路2内部，仅以此为例，不以此为限。
本发明实施例提供的无线充电电路，发射端电路将直流电转换为交流电，并将交流电转换为磁能。接收端耦合电路感应磁能，并将其依次转换为直流供电电压之后为无线接收芯片供电。在所述无线充电电路初始为所述无线接收芯片供电时，所述倍压启动电路保持关断状态，当所述接收端电路输出的直流供电电压从零缓慢上升至所述倍压启动电路的导通电压阈值时，所述倍压启动电路开通。如此在接收端电路输出的直流电电压不足时，倍压启动电路被触发导通，从而调整无线充电电路的电路结构，实现倍压启动无线接收芯片。进而避免了由于使用低电感量线圈的接收端电路启动电压不足，导致无线接收芯片不能正常工作的情况。
在一实施例中，如图2所示，无线充电电路还包括：控制电路4。控制电路4的第一端与发射端电路1的控制端连接。控制电路4的第二端与接收端电路2的控制端连接。控制电路4用于控制发射端电路1及接收端电路2执行电能转换工作。控制电路4的第三端与倍压启动电路3的控制端连接。控制电路4用于输出控制信号以控制倍压启动电路3的通断。
在一具体实施例中，当接收端电路2输出的直流电压达到倍压启动电路3的导通电压阈值时，控制电路4同时向倍压启动电路3发送控制信号。控制电路4控制倍压启动电路3导通。倍压启动电路3导通，可将接收端电路2调整为Boost升压电路。Boost升压电路将接收端电路2耦合得到的电压进行升压处理。Boost升压电路使得直流供电电压快速达到无线接收芯片的预设供电电压，维持无线接收芯片的正常工作。
在一实施例中，如图3所示，倍压启动电路3，包括：第一可控开关31及限压电路32。其中，第一可控开关31的第一端与接收端电路2的输入端连接。第一可控开关31的第二端与限压电路32的第一端连接后接地。第一可控开关31的控制端与控制电路4的第三端连接。限压电路32的第二端与接收端电路2的输出端连接。
在一具体实施例中，倍压启动电路3还包括稳压电路33。稳压电路33的第一端与第一可控开关31的第二端连接。稳压电路33的第二端与限压电路32的第一端连接。在在本发明实施例中，限压电路32为电阻，仅以此为例，不以此为限。稳压电路33为稳压二极管，仅以此为例，不以此为限。第一可控开关31的第一端通过第二电容212与第二电感211的第一端连接。第二电感211的第二端与整流电路22的第一输入端连接。第一可控开关31的第二端通过稳压二极管、限压电阻与整流电路22的输出端连接。
在本发明实施例中，由于接收端电路2使用的为低交流电阻的线圈。在无线充电电路启动过程中，会存在接收端电路2输出的直流电压不足的情况。为避免接收端电路2输出的直流电压无法维持无线接收芯片的正常工作。第一可控开关31在接收端电路2的输出端的电压以及控制电路4输出的控制信号的共同用作下导通。由于第一可控开关31的第二端接地。与第一可控开关31的第二端等电位连接的接收端电路2的输出端同样接地。进而将图3所示的无线充电电路等效为图4所示的无线充电电路。在本发明实施例中，第一可控开关31以MOS管为例，但也可以为IGBT、三极管、晶闸管、继电器等可控开关器件，在此不做限定。
在一实施例中，如图3所示，接收端电路2包括：接收端磁耦合电路21及整流电路22。其中，接收端磁耦合电路21的输入端以电磁耦合的方式与发射端电路1的输出端连接，用于感应磁能，得到交流电。整流电路22的输入端与接收端磁耦合电路21的输出端连接。整流电路22的输出端与无线接收芯片连接。整流电路22的控制端与控制电路4的第二端连接。整流电路22用于将交流电转换为直流供电电压。
在一具体实施例中，接收端磁耦合电路21包括：第二电感211、第二电容212、第三电容213。其中，第二电感211的第一端分别与第三电容213的第一端及整流电路22的第一输入端连接。第二电感211的第二端通过第二电容212分别与第一可控开关31的第一端、第三电容213的第二端及整流电路22的第二输入端连接。
在一具体实施例中，第二电感211、第二电容212及第三电容213构成接收端电路2的LC串联谐振电路的关键器件。接收端电路2利用上述LC串联谐振电路感应磁能，得到交流电。接收端电路2在不需要无线电能传输时，接收端电路2会间歇性的发射少量能量去检测第二电感211线圈是否放置到第一电感121线圈上。在第二电感211线圈放置到第一电感121线圈瞬间，接收端电路2接收到交流电。接收端电路2的直流供电电压由0慢慢升高，当其达到第一可控开关31的开启电压后，第一可控开关31导通。
在一实施例中，如图3所示，无线充电电路还包括：电压转换电路5。电压转换电路5的输入端与整流电路22的输出端连接。电压转换电路5的输出端与无线接收芯片连接。电压转换电路5用于对直流供电电压进行稳压，为无线接收芯片供电。
在一具体实施例中，电压转换电路5，包括：运算放大器51、第二可控开关52及第四电容53。其中，第二可控开关52的第一端与整流电路22的第一输出端连接。第二可控开关52的第二端与运算放大器51的反相输入端连接。第二可控开关52的第二端通过第四电容53与整流电路22的第二输出端连接。第二可控开关52的控制端与运算放大器51的输出端连接。
在本发明实施例中，第二开关管62以MOS管为例，但也可以为IGBT、三极管、晶闸管、继电器等可控开关器件，在此不做限定。通过设置电压转换电路5，实现整流电路22输出侧电压的稳压控制，防止电压波动引起后端无线接收芯片异常或者故障。
在一实施例中，如图3所示，发射端电路1包括：逆变电路11及发射端磁耦合电路12。其中，逆变电路11的输入端用于与直流电连接。逆变电路11用于将直流电转变为交流电。发射端磁耦合电路12的输入端与逆变电路11的输出端连接。发射端磁耦合电路12用于将交流电转化为磁能，并发送至接收端电路2。
在一具体实施例中，如图3所示，发射端磁耦合电路12包括：第一电感121、第一电容122。其中，第一电感121与第一电容122串联连接之后的两端分别与逆变电路11的两个输出端连接。第一电感121及第一电容122构成发射端电路1的LC串联谐振电路的关键器件。发射端电路1利用上述LC串联谐振电路将交流电转化为磁能，并发送至接收端电路2。需要说明的是，图3中Vin+、Vin-用于与直流电连接。且图3中的逆变电路11以全桥逆变电路为例，但还可以是半桥逆变电路，或其他逆变电路，在此不再赘述。
在一实施例中，在将图3所示的无线充电电路等效为图4所示的无线充电电路后。将图4所示的半桥整流滤波电路进一步等效，得到如图5所示的Boost电路。由于Boost电路的电感电流为连续的、交变的、正负半周对称的正弦波，因此Boost电路的占空比Duty为50％。
对Boost电路中的PWM开关管模型进行分析，如图6所示，PWM开关的电路方程式为：
Vg(t)＝VRECT(t)*d(t) (1)
Io(t)＝Ig(t)*d(t) (2)
其中，开关函数d(t)，在dTs时，S23闭合，d(t)＝1；在(1-d)Ts时，Q1断开d(t)＝0。其中d为占空比，Ts为开关周期。
由式(1)和式(2)，可将PWM开关的平均模型等效为理想变压器的三端器件，如图7所示。
传统无线充电电路(接收端电路2是全桥整流器)的等效电路模型，如图8所示。图8中，根据基尔霍夫定律和耦合变压器的相量模型，可以得：s域的增益表达式如下：
其中，s＝jω。
本发明实施例的无线充电电路启动(即启动时，接收端电路2是半桥整流器)时的等效电路模型，如图9所示。
同理可得本发明实施例的无线充电电路启动时的增益表达式为：
现假设实例化参数：第一电感121的电感值为13.6uH，R1＝151mΩ，第二电感211的电感值为6.77uH，R2＝169mΩ，RL＝500Ω，M＝6.592uH。代入式(3)和式(4)中，得出Gain_full＝1.01，Gain_half＝1.64。
因此本发明实施例的无线充电电路启动过程中，用半桥整流器能得到比全桥整流器更高的系统增益，能获得更高的直流供电电压，从而有效解决小电感量线圈增益低导致的无线接收芯片不能启动的问题。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种无线充电电路，其特征在于，包括：发射端电路(1)、接收端电路(2)及倍压启动电路(3)，其中，
所述发射端电路(1)的输入端用于与直流电连接，所述发射端电路(1)的输出端与所述接收端电路(2)的输入端以电磁耦合的方式连接；
所述接收端电路(2)的输出端与无线接收芯片连接，用于感应所述发射端电路(1)发送的磁能，将所述磁能转换为直流供电电压并为所述无线接收芯片供电；
所述倍压启动电路(3)的第一端与所述接收端电路(2)的输入端连接，所述倍压启动电路(3)的第二端与所述接收端电路(2)的输出端连接，所述倍压启动电路(3)的控制端用于外接控制信号；
在所述无线充电电路初始为所述无线接收芯片供电时，所述倍压启动电路(3)保持关断状态，当所述接收端电路(2)输出的直流供电电压从零缓慢上升至所述倍压启动电路(3)的导通电压阈值时，所述控制信号控制所述倍压启动电路(3)导通。
2.根据权利要求1所述的无线充电电路，其特征在于，还包括：控制电路(4)，所述控制电路(4)的第一端与所述发射端电路(1)的控制端连接，所述控制电路(4)的第二端与所述接收端电路(2)的控制端连接，所述控制电路(4)的第三端与所述倍压启动电路(3)的控制端连接，用于控制所述发射端电路(1)及所述接收端电路(2)执行电能转换工作，还用于输出所述控制信号以控制所述倍压启动电路(3)的通断。
3.根据权利要求2所述的无线充电电路，其特征在于，所述倍压启动电路(3)，包括：第一可控开关(31)及限压电路(32)，其中，
所述第一可控开关(31)的第一端与所述接收端电路(2)的输入端连接，所述第一可控开关(31)的第二端与所述限压电路(32)的第一端连接后接地，所述第一可控开关(31)的控制端与所述控制电路(4)的第三端连接；
所述限压电路(32)的第二端与所述接收端电路(2)的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的无线充电电路，其特征在于，所述倍压启动电路(3)还包括稳压电路(33)，所述稳压电路(33)的第一端与所述第一可控开关(31)的第二端连接，所述稳压电路(33)的第二端与所述限压电路(32)的第一端连接。
5.根据权利要求3所述的无线充电电路，其特征在于，所述接收端电路(2)包括：接收端磁耦合电路(21)及整流电路(22)，其中，
所述接收端磁耦合电路(21)的输入端以电磁耦合的方式与所述发射端电路(1)的输出端连接，用于感应所述磁能，得到交流电；
所述整流电路(22)的输入端与所述接收端磁耦合电路(21)的输出端连接，所述整流电路(22)的输出端与无线接收芯片连接，所述整流电路(22)的控制端与所述控制电路(4)的第二端连接，用于将所述交流电转换为直流供电电压。
6.根据权利要求5所述的无线充电电路，其特征在于，所述接收端磁耦合电路(21)包括：第二电感(211)、第二电容(212)、第三电容(213)，其中，
所述第二电感(211)的第一端分别与所述第三电容(213)的第一端及所述整流电路(22)的第一输入端连接，所述第二电感(211)的第二端通过第二电容(212)分别与所述第一可控开关(31)的第一端、所述第三电容(213)的第二端及所述整流电路(22)的第二输入端连接。
7.根据权利要求5所述的无线充电电路，其特征在于，还包括：电压转换电路(5)，所述电压转换电路(5)的输入端与所述整流电路(22)的输出端连接，所述电压转换电路(5)的输出端与无线接收芯片连接，用于对直流供电电压进行稳压，为无线接收芯片供电。
8.根据权利要求7所述的无线充电电路，其特征在于，所述电压转换电路(5)，包括：运算放大器(51)、第二可控开关(52)及第四电容(53)，其中，
所述第二可控开关(52)的第一端与所述整流电路(22)的第一输出端连接，所述第二可控开关(52)的第二端与所述运算放大器(51)的反相输入端连接，并通过第四电容(53)与所述整流电路(22)的第二输出端连接，所述第二可控开关(52)的控制端与所述运算放大器(51)的输出端连接。
9.根据权利要求1所述的无线充电电路，其特征在于，所述发射端电路(1)包括：逆变电路(11)及发射端磁耦合电路(12)，其中，
所述逆变电路(11)的输入端用于与直流电连接，用于将直流电转变为交流电；
所述发射端磁耦合电路(12)的输入端与所述逆变电路(11)的输出端连接，用于将交流电转化为磁能，并发送至所述接收端电路(2)。
10.根据权利要求9所述的无线充电电路，其特征在于，所述发射端磁耦合电路(12)包括：第一电感(121)、第一电容(122)，其中，
所述第一电感(121)与所述第一电容(122)串联连接之后的两端分别与所述逆变电路(11)的两个输出端连接。
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