CN115085397A - 一种小线圈无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于手机无线充电技术领域，具体的说是涉及一种小线圈无线充电系统。本发明的充电系统包括发射端和接收端，所述接收端的整流桥采用半桥自启动实现方法，所述半桥自启动方法是利用自举电荷泵在接收端输入信号控制下自启动工作，使与自举电荷泵输出相连的整流桥开关管自启动，其他开关管关闭从而整流桥进入半桥模式。本发明提出的半桥自启动方案在相比于传统上电启动方案，可以解决低压下MCU正常启动问题。
Description
技术领域
本发明属于手机无线充电技术领域，具体的说是涉及一种小线圈模型的无线充电系统。
背景技术
在手机无线大功率充电应用场景中，手机内电感线圈损耗是热损的主要来源，以50w(20V/2.5A)RX功率来分析，常规线圈感值12uH，线圈内阻在300mohm左右，线圈RMS电流在3A，则线圈损耗在2.7w，如果可以将线圈感值减半，那么线圈内阻可以相应降低一半，损耗可以降低一半，手机充电过热问题可以有效缓解。但是这种小线圈模型会引入另一个系统问题，在线圈耦合系数较低场景下整流器输出电压会相应降低一半，可能会低于芯片正常工作的最低电压，进而导致系统无法进行正常通信工作。
T/RX电路拓扑结构如图1所示，LP和CP代表TX端谐振电感和谐振电容，LS和CS代表RX端谐振电感和谐振电容。
传统无线RX充电系统流程如图2所示，RX线圈移入充电盘，整流器VRECT电压上电，当VRECT电压建立到欠压保护阈值点后MCU开始启动，软件配置同步整流模式后开始RX充电。这种系统上电方案在小线圈模型应用场景下存在的主要问题在于：在低耦合条件下，常规线圈模型VRECT最低电压会到3V左右，小线圈模型由于感值降低，对应的VRECT电压最低会到1.5V左右，因此会出现由于VRECT电压过低MCU无法启动工作，进而无法正常充电的可能。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种低增益半桥自启动实现方案。
针对上述问题，本发明的技术方案是：
一种小线圈无线充电系统，系统包括发射端和接收端，所述接收端的整流桥采用半桥自启动实现方法，所述半桥自启动方法是利用自举电荷泵在接收端输入信号控制下自启动工作，使与自举电荷泵输出相连的整流桥开关管自启动，其他开关管关闭从而整流桥进入半桥模式。
进一步的，所述自举电荷泵包括第一续流二极管、第二续流二极管、第一电阻、第二电阻和飞电容，其中第一续流二极管的正极与整流桥的输出连接，整流桥的输入通过一个二极管接第一续流二极管的正极，第一续流二极管的负极通过第一电阻后接飞电容的一端和第二续流二极管的正极，飞电容的另一端通过第二电阻后接地；第二续流二极管的负极接半桥开关管的栅极。
进一步的，所述整流桥包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，第一开关管和第三开关管为上管，第二开关管和第四开关管为下管，其中第四开关管为半桥开关管，即整流桥上电启动初始时刻，第一开关管、第二开关管、第三开关管保持关断模式，第四开关管通过自举电荷泵保持开启状态，整流桥进入半桥模式，此时整流桥输出倍压上升；
还包括栅驱动电路，所述栅驱动电路的输出与第四开关管栅极连接，栅驱动电路导通时，第四开关管栅电平进入低阻模式。
所述整流桥具备在半桥模式和全桥模式之间切换的能力，具体为：整流桥输出升压至欠压保护后，数字MCU启动工作，自启动电路关闭，当整流桥电压升高至第一阈值电压后MCU发送模式切换指令，整流桥进入全桥模式，当整流桥电压降低至第二阈值电压后MCU判断整流桥退出到半桥模式；所述第一阈值电平是第二阈值电平的两倍以上
本技术方案的有益效果是：本发明提出的半桥自启动方案在相比于传统上电启动方案，可以解决低压下MCU正常启动问题。
附图说明
图1为T/RX电路拓扑结构；
图2为传统无线RX充电系统流程；
图3为TX全桥模式RX半桥模式拓扑图；
图4为自启动实现电路；
图5为RX充电模式切换状态机实现方案；
图6为半桥和全桥逻辑切换电路实现，其中(a)为电路图，(b)为切换时序。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
本发明提出一种半桥自启动上电方案：RX线圈移入充电盘，线圈交流电流通过功率管体二极管续流至整流桥输出电容，整流桥输出电压VRECT升压，整流桥AC信号根据线圈电流极性方向翻转，自举电荷泵跟随AC信号翻转状态自启动工作，Q4功率管栅电位开始建立，整流桥进入半桥模式，VRECT倍压上升。
TX全桥模式RX半桥模式拓扑如图3所示，增益Gain可以表述为：
Gain＝VOUT/VIN＝2*VP/VS
其中VP、VS分别代表TX和RX端AC电压，VP/VS值可以由TX和RX线圈电感比值决定。
自启动实现电路如图4所示，VRECT上电启动初始时刻，整流桥工作在半桥模式状态，具体可以表现为：整流桥Q1、Q2和Q3保持关断模式，Q4通过内部自举电荷泵电路保持开启状态，栅驱动电路保持关断模式。自举电荷泵主要由续流二极管D0和D1、电阻R0和R1、电容CFLY、稳压器件VZ0和VZ1组成，当Q2体二极管续流工作时，AC1电平表现为-1V左右工作，VRECT电压通过二极管D0对电容CFLY充电，D0的正向压降可以和AC1负压基本相抵消，CFLY电容充电电压接近为VRECT电平；当Q1体二极管续流工作时，AC1电平表现为VRECT电压高出一个正向二极管电压，CFLY电容上级板电压CT可以表示为2VRECT+VD，经过二极管D1后给功率管Q4栅电容充电，上电调整稳定后功率管Q4栅电平可以接近2VRECT电平附近。稳压器件VZ0、VZ1用于防止瞬态高压条件下器件过压风险；电阻R0和R1可以对自举电荷泵充放电支路进行限流，防止电流应力过大带来器件可靠性问题。
方案中自举电荷泵上电自启动工作，不受任何开关逻辑信号所控制，电荷泵输入电平以及时钟频率状态由VRECT和AC信号来决定；AC信号电平为低时，VRECT通过内部第一正向二极管通路对FLY电容进行充电，AC信号电平为高时，FLY电容上级板电压超过VRECT电压，第一正向二极管反向截至，FLY电容通过第二正向二极管通路对功率管栅电容充电，低端功率管栅电平建立，栅电平接近两倍VRECT电压。
图4中功率管栅级高端驱动和低端驱动各自增加串联开关支路，在上电启动起始过程开关保持关闭状态，MCU正常启动后栅电平再切换到低阻状态。
基于本发明的方案，可以实现半桥和全桥模式切换，具体为：整流桥输出升压至欠压保护解除后，MCU启动工作，功率管驱动电路开始工作，自启动电路关闭，当VRECT电压升高至第一阈值电压后MCU发送模式切换指令，整流桥进入全桥模式，当VRECT电压降低至第二阈值电压后MCU再次发送模式切换指令，整流桥退出到半桥模式；所述第一阈值电平可以是第二阈值电平的两倍以上。
RX充电模式切换状态机实现如图5所示，第一阶段：TX充电盘移入，AC电平翻转，自举电荷泵工作，Q4管导通，整流桥进入半桥异步模式；第二阶段：VRECT电平升压至欠压保护解除，MCU启动，Q4栅驱动电路导通，Q4栅电平进入低阻模式，RX和TX进入ASK/FSK开始通信；第三阶段：TX端充电盘开始升压，VRECT开始同步升压，当VRECT电压升高至大于阈值电压VH后MCU配置切换进入全桥模式；第四阶段：VRECT调压完成后开启同步整流模式，RX开始充电；所述第三阶段，当VRECT电压又因为系统调压下降至VL以下后整流桥将重新切换至半桥模式；
半桥和全桥逻辑切换电路实现如图6(a)所示，主要由两个比较器和一组SR触发器构成，当VRECT电压高于VH电平时SR触发器输出0，整流桥配置进入全桥模式，当VRECT电压高于VL且低于VH电平时，SR触发器处于HOLD模式，输出逻辑维持当前电平状态，当VRECT电压低于VL时，整流桥配置进入半桥模式，切换时序如图6(b)所示。
Claims (4)
1.一种小线圈无线充电系统，系统包括发射端和接收端，其特征在于，所述接收端的整流桥采用半桥自启动实现方法，所述半桥自启动方法是利用自举电荷泵在接收端输入信号控制下自启动工作，使与自举电荷泵输出相连的整流桥开关管自启动，其他开关管关闭从而整流桥进入半桥模式。
2.根据权利要求1所述的一种小线圈无线充电系统，其特征在于，所述自举电荷泵包括第一续流二极管、第二续流二极管、第一电阻、第二电阻和飞电容，其中第一续流二极管的正极与整流桥的输出连接，整流桥的输入通过一个二极管接第一续流二极管的正极，第一续流二极管的负极通过第一电阻后接飞电容的一端和第二续流二极管的正极，飞电容的另一端通过第二电阻后接地；第二续流二极管的负极接半桥开关管的栅极。
3.根据权利要求2所述的一种小线圈无线充电系统，其特征在于，所述整流桥包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，第一开关管和第三开关管为上管，第二开关管和第四开关管为下管，其中第四开关管为半桥开关管，即整流桥上电启动初始时刻，第一开关管、第二开关管、第三开关管保持关断模式，第四开关管通过自举电荷泵保持开启状态，整流桥进入半桥模式，此时整流桥输出倍压上升；
还包括栅驱动电路，所述栅驱动电路的输出与第四开关管栅极连接，栅驱动电路导通时，第四开关管栅电平进入低阻模式。
4.一种小线圈无线充电系统，其特征在于，所述整流桥具备在半桥模式和全桥模式之间切换的能力，具体为：整流桥输出升压至欠压保护后，数字MCU启动工作，自启动电路关闭，当整流桥电压升高至第一阈值电压后MCU发送模式切换指令，整流桥进入全桥模式，当整流桥电压降低至第二阈值电压后MCU判断整流桥退出到半桥模式；所述第一阈值电平是第二阈值电平的两倍以上。
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