CN113517764B - 发射端谐振频率实时校准的无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，包括功放驱动器、耦合线圈、稳压整流器、电压调节器和谐振频率校准模块，功放驱动器的输入端接0‑20V电源输入，功放驱动器的输出端与耦合线圈的输入端电性连接，耦合线圈的输出端与稳压整流器的输入端电性连接，稳压整流器的输出端与电压调节器的输入端电性连接。本发明提出的发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，谐振频率校准模块只是由一个校准功放，一个比较器，一个电荷泵，一个三角波发生器以及一些简单的逻辑组成，构造简单，制造成本低，功耗小，芯片面积占用小，设计复杂度低，可以用于一些fsw可以不固定的无线能量传输系统。

Description

发射端谐振频率实时校准的无线充电系统

技术领域

本发明涉及断路器技术领域，具体为发射端谐振频率实时校准的无线充电系统。

背景技术

目前比较普遍的基于线圈耦合的无线充电系统架构，如图7所示，发射线圈由功放驱动（D类功放），负责把直流能量转换为交流能量并且耦合到接收线圈，在接收端，整流器再把交流能量转换为直流能量，然后经过电压调节器得到比较稳定的5V电压为后面的充电芯片和电池供电，在几乎所有的无线充电里，发射/接收线圈都带有磁屏蔽材料来避免对系统中其他电路的干扰，磁屏蔽在一定距离内可以改善耦合系数，但是也会直接影响发射/接收线圈的电感，在平常无线充电应用中，当发射线圈和接收线圈靠近的时候，发射线圈和接收线圈的电感值都会由于磁屏蔽材料而明显增加；电感改变值取决于实际应用中发射和接收的相对位置，这种电感值的变化直接导致发射/接收线圈工作点的变化（比如电压增益，线圈效率等等），在这些变化中，发射端谐振频率（fres_tx）的变化对于系统性能而言尤为重要，特别是A4WP的系统需要工作在谐振频率点，发射端开关频率（fsw）和fres_tx的失配会大大降低电压增益和效率，为克服上述存在的缺陷，提出发射端谐振频率实时校准的无线充电系统。

发明内容

本发明的目的在于提供发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，构造简单，制造成本低，功耗小，芯片面积占用小，设计复杂度低，可以用于一些fsw可以不固定的无线能量传输系统，解决了现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，包括功放驱动器、耦合线圈、稳压整流器、电压调节器和谐振频率校准模块，功放驱动器的输入端接0-20V电源输入，功放驱动器的输出端与耦合线圈的输入端电性连接，耦合线圈的输出端与稳压整流器的输入端电性连接，稳压整流器的输出端与电压调节器的输入端电性连接；所述谐振频率校准模块的输入端接在功放驱动器的输出端，谐振频率校准模块的输出端接在功放驱动器fsw端子上;所述谐振频率校准模块包括能量传输功放模块和freq_tx校准功放模块，能量传输功放模块包括开关TP、开关TN、开关BP、开关BN，freq_tx校准功放模块包括开关TCP、开关TCN、开关BCP、开关BCN、开关TCS和开关TCB，开关TP和开关TN的输入端相连后接Vbus电源端输入，开关BP和开关BN的输出端相连后接地，开关TP的输出端与开关BP的输入端相连后接到耦合线圈的一端，开关TN的输出端与开关BN的输入端相连后连接到耦合线圈的另一端，开关TCS的输入端连接到Vlow电源端输入，开关TCB的输入端连接到Vbus电源端输入，开关TCS的输出端与开关TCB的输出端相连后连接到开关TCP的输入端，并连接到开关TCN的输入端，开关BCP和开关BCN的输出端相连后接地，开关TCP的输出端与开关BCP的输入端相连后连接到耦合线圈的一端，开关TCN的输出端与开关BCN的输入端相连后连接到耦合线圈的另一端。

优选地，所述freq_tx校准功放模块包括放大器Set、与非门CLK2X1、与非门CLK2X2、三角波振荡器U1和分频器U2，放大器Set的负极接Vlow电源端输入，并连接到开关TCS的输入端，放大器Set的正极接VCS电源端输入，并连接到开关TCB的输入端，放大器Set的输出端连接到与非门CLK2X1和与非门CLK2X2的输入端，与非门CLK2X1的输出端连接到phase_early端子，与非门CLK2X2的输出端连接到phase_late端子；所述三角波振荡器U1的输入端连接到开关K1的输出端，并连接到开关K2的输入端，开关K1的输入端接电流源Io1的输出端，电流源Io1的输入端接电源输入，开关K2的输出端接电流源Io2的输入端，电流源Io2的输出端接地，三角波振荡器U1的输出端与分频器U2的输入端相连，分频器U2的一端连接到开关TCP和开关BCN上，分频器U2的另一端连接到开关TCN和开关BCP上。

优选地，所述与非门CLK2X1与与非门CLK2X2的型号相同。

优选地，所述freq_tx校准功放模块的发射端包括两个工作阶段，第一：能量传输阶段；第二：校准阶段；能量传输阶段时能量传输功放驱动耦合线圈的发射线圈并传输能量，校准功放关闭。

优选地，所述freq_tx校准功放模块在工作阶段具有两个极点，分别为主极点和次极点，主极点位于VH端，次极点来自于三角波振荡器U1。

优选地，所述开关BCP、开关BCN和开关TCS采用5V电压驱动，开关TCP、开关TCN和开关TCB采用自举电容驱动。

优选地，所述开关TN的输出端连接到电容C1的输入端，电容C1的输出端连接到发射线圈L1的输入端，发射线圈L1的输出端连接到开关TP的输出端以及连接到开关TCP的输出端，开关TCN的输出端连接到电容C1的输入端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，实施例1中谐振频率校准模块只是由一个校准功放，一个比较器，一个电荷泵，一个三角波发生器以及一些简单的逻辑组成，构造简单，制造成本低，功耗小，芯片面积占用小，设计复杂度低，可以用于一些fsw可以不固定的无线能量传输系统；实施例2中只需要两个比较器和简单的逻辑电路即可实现，降低了生产成本，可以应用于fsw固定的无线充电系统，比如A4WP，发射线圈L1可以实时的调节谐振频率到6.78MHz以保障高效率传输。

附图说明

图1为本发明的整体工作框图；

图2为本发明的能量传输模式和fres_tx校准模式周期性交替状态图；

图3为本发明的谐振频率校准模块图；

图4为本发明的fres_tx<fsw时的校准波形图；

图5为本发明的fres_tx>fsw时的校准波形图；

图6为本发明的freq_tx校准环路原理图；

图7为本发明的三角波振荡频率；

图8为本发明的现有无线充电系统架构图；

图9为本发明的fres_tx调节方式原理图；

图10为本发明的fres_tx=fsw时工作波形图；

图11为本发明的fres_tx>fsw时工作波形图；

图12为本发明的fres_tx<fsw时工作波形图；

图13为本发明的fres_tx调节环路原理图；

图14为本发明的fres_tx调节环路波形图。

图中：1、功放驱动器；2、耦合线圈；3、稳压整流器；4、电压调节器；5、谐振频率校准模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例1：

请参阅图1-7，发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，包括功放驱动器1、耦合线圈2、稳压整流器3、电压调节器4和谐振频率校准模块5，功放驱动器1的输入端接0-20V电源输入，功放驱动器1的输出端与耦合线圈2的输入端电性连接，耦合线圈2的输出端与稳压整流器3的输入端电性连接，稳压整流器3的输出端与电压调节器4的输入端电性连接；所述谐振频率校准模块5的输入端接在功放驱动器1的输出端，谐振频率校准模块5的输出端接在功放驱动器1的fsw端子上。

作为本发明的进一步方案，谐振频率校准模块5包括能量传输功放模块和freq_tx校准功放模块，能量传输功放模块包括开关TP、开关TN、开关BP、开关BN，freq_tx校准功放模块包括开关TCP、开关TCN、开关BCP、开关BCN、开关TCS和开关TCB，开关TP和开关TN的输入端相连后接Vbus电源端输入，开关BP和开关BN的输出端相连后接地，开关TP的输出端与开关BP的输入端相连后接到耦合线圈2的一端，开关TN的输出端与开关BN的输入端相连后连接到耦合线圈2的另一端，开关TCS的输入端连接到Vlow电源端输入，开关TCB的输入端连接到Vbus电源端输入，开关TCS的输出端与开关TCB的输出端相连后连接到开关TCP的输入端，并连接到开关TCN的输入端，开关BCP和开关BCN的输出端相连后接地，开关TCP的输出端与开关BCP的输入端相连后连接到耦合线圈2的一端，开关TCN的输出端与开关BCN的输入端相连后连接到耦合线圈2的另一端；开关TN的输出端连接到电容C1的输入端，电容C1的输出端连接到发射线圈L1的输入端，发射线圈L1的输出端连接到开关TP的输出端以及连接到开关TCP的输出端，开关TCN的输出端连接到电容C1的输入端。

通过采用上述技术方案，图3显示了具体的freq_tx校准原理图，freq_tx校准功放模块的发射端包括两个工作阶段，第一：能量传输阶段；第二：校准阶段；能量传输阶段时能量传输功放驱动耦合线圈（2）的发射线圈并传输能量，校准功放关闭，VCS通过开关TCB短路到Vbus，以避免校准功放的反向漏电，在校准阶段，校准功放驱动耦合线圈2的发射线圈，能量传输功放关闭，VCS通过TCS短路到Vlow，Vlow是一个远低于Vbus的电压，在校准阶段，耦合线圈2的接收线圈几乎接收不到什么电流来给Vrect充电，稳压整流器3等效的输入电阻Rrec是高阻，在发射线圈上耦合的等效阻抗可以几乎忽略，可以提高fres_tx校准的精度。

图8显示了在校准阶段，图中的参数K为耦合线圈的耦合系数，IL为电压调节器输出的电流源，当fres_tx不同于fsw的情况下的工作波形，当fres_tx < fsw的时候，电感电流lind相位是超前于电压相位（VIP或VIN）。如果比较开关TCS两端电压，可以获得lind_cross_zero信息，由与非门CLK2X1和与非门CLK2X2，可以通过(lind_cross_zero)和与非门CLK2X1和与非门CLK2X2的与操作来获得phase_early，通过(lind_cross_zero)和与非门CLK2X1和与非门CLK2X2非的与操作来获得phase_late，如果fres_tx小于fsw，并且离fsw越远，phase_early的“1”的占空比会越来越高，phase_late会一直是“0”；相反，如果fres_tx大于fsw并且离fsw越来越远，phase_late的“1”的占空比会越来越高，phase_late会一直是“0”；通过利用phase_early和phase_late，构建一个控制环路来校准fres_tx；校准功放由开关TCP、开关TCN、开关BCP、开关BCN、开关TCS和开关TCB组成，均使用LDMOS来实现，以承受在VIP/VIN上的高压。

作为本发明的进一步方案，freq_tx校准功放模块还包括放大器Set、与非门CLK2X1、与非门CLK2X2、三角波振荡器U1和分频器U2，与非门CLK2X1与与非门CLK2X2的型号相同，放大器Set的负极接Vlow电源端输入，并连接到开关TCS的输入端，放大器Set的正极接VCS电源端输入，并连接到开关TCB的输入端，放大器Set的输出端连接到与非门CLK2X1和与非门CLK2X2的输入端，非门CLK2X1的输出端连接到phase_early端子，与非门CLK2X2的输出端连接到phase_late端子；所述三角波振荡器U1的输入端连接到开关K1的输出端，并连接到开关K2的输入端，开关K1的输入端接电流源Io1的输出端，电流源Io1的输入端接电源输入，开关K2的输出端接电流源Io2的输入端，电流源Io2的输出端接地，三角波振荡器U1的输出端与分频器U2的输入端相连，分频器U2的一端连接到开关TCP和开关BCN上，分频器U2的另一端连接到开关TCN和开关BCP上。

通过采用上述技术方案，lind是电感电流；如图3中所述，通过比较Vlow和VCS来得到lind_cross_zero信号，然后结合与非门CLK2X1，可以得到phase_early和phase_late，phase_early和phase_late被用于控制电荷泵，当phase_early有脉冲时，上端电流被打开给电荷泵电容充电，当phase_late有脉冲时，下端电流被打开给电荷泵电容放电；三角波振荡器U1的幅值被VH限制，三角波振荡器U1的斜率固定，所以VH可以用来控制三角波的频率，VH越高，频率越低，CLK2X2由三角波和VH/2的比较可得，再通过分频器U2可以得到开关TCP、开关TCN、开关BCP以及BCN的控制信号，如果fres_tx < fsw， phase_early会产生脉冲来给电容充电以抬高VH，随着VH的抬高，三角波频率（fsw的2倍频）会下降；相反，如果fres_tx >fsw，phase_late会产生脉冲来给电容放电，随着VH的下降，三角波频率会上升，随着这种负反馈控制环，最终fsw会稳定在fres_tx。

作为本发明的进一步方案，freq_tx校准功放模块的发射端包括两个工作阶段，第一：能量传输阶段；第二：校准阶段；能量传输阶段时能量传输功放驱动耦合线圈（2）的发射线圈并传输能量，校准功放关闭。

通过采用上述技术方案，谐振频率校准模块5负责对fres_tx进行校准并且最终让fsw跟fres_tx一致，耦合线圈2由功放驱动器1驱动，实现高效率能量传输，在fres_tx校准模式中，耦合线圈2谐振频率校准模块5驱动，实现fres_tx校准，并反馈调整fsw到当前fres_tx，能量传输模式和fres_tx校准模式周期性交替，如图2所示，从而实现实时的fres_tx校准，而且校准模式的占空比很小，对能量传输影响很小。

作为本发明的进一步方案，freq_tx校准功放模块在工作阶段具有两个极点，分别为主极点和次极点，主极点位于VH端，次极点来自于三角波振荡器U1，当次极点来自于三角波振荡器U1时，将会非常接近fres_tx。

通过采用上述技术方案，由于校准功放有着不可忽略的导通电阻，他们将大大降低耦合线圈2的发射线圈L1以及电容C1的等效Q值，次极点将会非常接近fres_tx，因此便于实现高的环路带宽；环路带宽可以被设计到fres_tx附近，因此校准只需要几个周期就能完成，在校准阶段结束的时候，通过记录VH值或者测量fsw频率，从而判定fres_tx校准成功。

作为本发明的进一步方案，开关BCP、开关BCN和开关TCS采用5V电压驱动，开关TCP、开关TCN和开关TCB采用自举电容驱动。

通过采用上述技术方案，开关TCP、开关TCN和开关TCB可以跟开关TP和开关TN的自举电容驱动共用，无需额外的自举电容，由于Vlow可以非常低，比如1V或者0.5V，所以开关TCS完全可以用5V来驱动，开关TCS的源端连到Vlow，漏端连到VCS，由于开关TCP、开关TCN、开关BCP、开关BCN、开关TCS和开关TCB只是用于校准功能，不是传输能量，所以开关TCP、开关TCN、开关BCP、开关BCN、开关TCS和开关TCB的大小远远小于开关TP、开关TN、开关BP以及开关BN，开关TCP、开关TCN、开关BCP、开关BCN、开关TCS和开关TCB的导通电阻可以是ohm级别，所以校准功放占用芯片面积很小。

实施例2：

如图9所示，显示了如何调节fres_tx的原理图，用一个开关（FC）控制的电容Cc跟电容C1并联来实现电容的可调节，如果FC全开或者全关，即可得到电容Cc+电容C1的电容或者电容C1电容，通过PWM控制FC的占空比，即可实现任何在电容C1和电容Cc+电容C1之间的电容值，考虑到VSW电压会比较高，使用外部高压开关来实现FC，在实现过程中，FC的导通状态没有问题，但是在关断状态，由于FC的体二极管会在VSW<VIN的时候导通而导致漏电，为了避免体二极管的导通，保持FC在VSW<VIN的半个周期中始终导通，只调节FC在VSW>VIN的半个周期中的关断占空比，关断占空比的调节范围为0~0.5，假设Cc=C1=C，电容的调节范围即为4C/3 ~ 2C，这个范围可以适用于50%的电感值变化，变化范围较大，通过设置合适的Cc值和C1值，皆可以得到更加合适的电容调节范围。

图10显示了当fres_tx=fsw的时候的工作波形，开关TP、开关TN、开关BP以及开关BN来自于三角波振荡器U1的发射端，通过比较Vramp和某个电压（如虚线显示，即t1时的电压以及t2时的电压）来得到FC_target，此脉冲是以VIN上升沿为中心而对称的，在FC_target的下降沿，FC开始进入关断阶段，在FC关断阶段，VSW会跟随VMID；在VMID-VIN下降过零的时候，FC退出关断阶段，这点可以避免电容的电荷分享损耗和反向体二极管的导通损耗；当FC的上升沿和FC_target的上升沿对齐的时候，电感电流（lind）会在VIN的上升沿过零，此时发射线圈L1完美匹配，fsw和fres_tx一致。

图11显示了当fres_tx>fsw的时候的工作波形，FC关断阶段早于t3结束。lind过零超前于VIN上升沿，从FC和FC_target，可以产生phase_early信号，图12显示了当fres_tx<fsw的时候的工作波形，FC关断阶段滞后于t3，lind过零滞后于VIN上升沿，从FC和FC_target，可以产生phase_late信号。

图13和图14显示了fres_tx调节环路原理图，VSW-VIN过零检测可以用片上比较器实现，比较器是由同TP/TN/FC共享的同一个自举电容来供电，由于VSW是高压，通过片外隔离电阻Rc和片上背靠背二极管来实现过压保护；二极管接于VSW_SNS和VIN之间，VSW_SNS-VIN被限制在+/-0.7V以内，从而达到保护目的；由于Rc是大电阻，通过Rc的漏电几乎可以忽略，在FC导通阶段，为了避免比较器的多次翻转，给比较器引入一个偏置，比较器可以是迟滞比较器或者动态比较器中的任一种；通过比较Vramp和Vfb得到FC_target，为了移除上升沿和下降沿的毛刺，使用one-shot机制来处理上升和下降沿信号；从FC和FC_target可以生产phase_early和phase_late信号，并用于控制电荷泵来调节Vfb；如果FC超前于FC_target，phase_early会产生脉冲并且把Vfb充高，进而使得FC回到FC_target；如果FC滞后于FC_target，phase_late会产生脉冲并且把Vfb拉低，进而也会使得FC回到FC_target，上述只需要3个片外期间：FC，Cc以及Rc，其他电路均为片上；整体构架非常简介，只需要两个比较器和简单的逻辑电路即可实现，降低了生产成本。

综上所述：本发明提出的发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，实施例1中谐振频率校准模块5只是由一个校准功放，一个比较器，一个电荷泵，一个三角波发生器以及一些简单的逻辑组成，构造简单，制造成本低，功耗小，芯片面积占用小，设计复杂度低，可以用于一些fsw可以不固定的无线能量传输系统；实施例2中只需要两个比较器和简单的逻辑电路即可实现，降低了生产成本，可以应用于fsw固定的无线充电系统，比如A4WP，发射线圈L1可以实时的调节谐振频率到6.78MHz以保障高效率传输。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，其特征在于：包括功放驱动器（1）、耦合线圈（2）、稳压整流器（3）、电压调节器（4）和谐振频率校准模块（5），功放驱动器（1）的输入端接0-20V电源输入，功放驱动器（1）的输出端与耦合线圈（2）的输入端电性连接，耦合线圈（2）的输出端与稳压整流器（3）的输入端电性连接，稳压整流器（3）的输出端与电压调节器（4）的输入端电性连接；所述谐振频率校准模块（5）的输入端接在功放驱动器（1）的输出端，谐振频率校准模块（5）的输出端接在功放驱动器（1）fsw端子上;所述谐振频率校准模块（5）包括能量传输功放模块和freq_tx校准功放模块，能量传输功放模块包括开关TP、开关TN、开关BP、开关BN，freq_tx校准功放模块包括开关TCP、开关TCN、开关BCP、开关BCN、开关TCS和开关TCB，开关TP和开关TN的输入端相连后接Vbus电源端输入，开关BP和开关BN的输出端相连后接地，开关TP的输出端与开关BP的输入端相连后接到耦合线圈（2）的一端，开关TN的输出端与开关BN的输入端相连后连接到耦合线圈（2）的另一端，开关TCS的输入端连接到Vlow电源端输入，开关TCB的输入端连接到Vbus电源端输入，开关TCS的输出端与开关TCB的输出端相连后连接到开关TCP的输入端，并连接到开关TCN的输入端，开关BCP和开关BCN的输出端相连后接地，开关TCP的输出端与开关BCP的输入端相连后连接到耦合线圈（2）的一端，开关TCN的输出端与开关BCN的输入端相连后连接到耦合线圈（2）的另一端，所述freq_tx校准功放模块包括放大器Set、与非门CLK2X1、与非门CLK2X2、三角波振荡器U1和分频器U2，放大器Set的负极接V low电源端输入，并连接到开关TCS的输入端，放大器Set的正极接VCS电源端输入，并连接到开关TCB的输入端，放大器Set的输出端连接到与非门CLK2X1和与非门CLK2X2的输入端，与非门CLK2X1的输出端连接到phase_early端子，与非门CLK2X2的输出端连接到phase_late端子；所述三角波振荡器U1的输入端连接到开关K1的输出端，并连接到开关K2的输入端，开关K1的输入端接电流源Io1的输出端，电流源Io1的输入端接电源输入，开关K2的输出端接电流源Io2的输入端，电流源Io2的输出端接地，三角波振荡器U1的输出端与分频器U2的输入端相连，分频器U2的一端连接到开关TCP和开关BCN上，分频器U2的另一端连接到开关TCN和开关BCP上，所述与非门CLK2X1与与非门CLK2X2的型号相同。

2.根据权利要求1所述的发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，其特征在于，所述freq_tx校准功放模块的发射端包括能量传输阶段和校准阶段两个工作阶段，能量传输阶段时能量传输功放驱动耦合线圈（2）的发射线圈并传输能量，校准功放关闭。

3.根据权利要求1所述的发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，其特征在于，所述freq_tx校准功放模块在工作阶段具有两个极点，分别为主极点和次极点，主极点位于VH端，次极点来自于三角波振荡器U1。

4.根据权利要求1所述的发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，其特征在于，所述开关BCP、开关BCN和开关TCS采用5V电压驱动，开关TCP、开关TCN和开关TCB采用自举电容驱动。

5.根据权利要求1所述的发射端谐振频率实时校准的无线充电系统，其特征在于，所述开关TN的输出端连接到电容C1的输入端，电容C1的输出端连接到发射线圈L1的输入端，发射线圈L1的输出端连接到开关TP的输出端以及连接到开关TCP的输出端，开关TCN的输出端连接到电容C1的输入端。

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