CN115133671A - 一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统 - Google Patents

一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及手机无线充电技术领域，且公开了一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，包括无线电波、充电系统，所述充电系统包括匹配单元，所述匹配单元包括接收模块一、匹配模块、转化模块；所述接收模块一用于对射频能量进行收集；所述匹配模块内包括电感元件和电容元件；所述转化模块用于将电磁波转化为电信号，所述接收模块一的信号输出端与匹配模块的信号接收端连接，解决了智能手机电池续航力不足问题，只需在手机软件上设计一个开关，当电池电量不足需要充电时打开这个开关即可从射频电波中收集能量，直至电池充满，从此既不需要为电池没电而发愁，也不需要携带充电宝来充电，待电池充满无需充电时，关闭这个开关即可。

Description

一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统
技术领域
本发明涉及手机无线充电技术领域，具体为一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统。
背景技术
自从2007年1月9日由苹果公司前首席执行官史蒂夫·乔布斯发布第一代IPhone手机开启智能手机时代以来，智能手机早已普及，不仅年轻人人手一部，很多老人和孩子也有智能手机，丰富的功能给生活带来了极大的便利。智能手机虽然好用但有一个短板那就是电池电量不耐用，连续长时间使用大约十二小时左右电量就告急了。充电就需要用到充电线和充电头，无线充电也需要充电座，即使是所谓的隔空充电也离不开充电桩和必须在一定范围(10米以内)，不具备这些条件一样无法充电，这在使用的时候，就很麻烦，即使现在出现了共享充电宝，也只是治标不治本，虽然能够给手机进行充电，但是还是需要用到充电线和充电宝，因此需要一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，达到解决上述背景技术中提出的问题的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，包括无线电波、充电系统，所述充电系统包括匹配单元，所述匹配单元包括接收模块一、匹配模块、转化模块；
所述接收模块一用于对射频能量进行收集；
所述匹配模块内包括电感元件和电容元件；
所述转化模块用于将电磁波转化为电信号。
优选的，所述接收模块一的信号输出端与匹配模块的信号接收端连接，所述匹配模块的信号输出端与转化模块的信号接收端连接。
优选的，所述充电系统还包括增压单元，所述增压单元包括接收模块二、整流模块、增压模块，所述接收模块二的信号输出端与整流模块的信号接收端连接，所述整流模块的信号输出端与增压模块的信号接收端连接。
优选的，所述接收模块二用于接收转化后的电信号，所述整流模块用于将射频信号转换为直流信号，所述增压模块用于提高直流电压的水平。
优选的，所述充电系统还包括充电单元，所述充电单元包括关闭模块、开启模块、充电模块，所述关闭模块的信号输出端与充电模块的信号接收端连接，所述开启模块的信号输出端与充电模块的信号接收端连接。
优选的，所述开启模块用于控制充电模块开启，所述关闭模块用于控制充电模块关闭。
优选的，所述充电系统还包括储存单元，所述储存单元包括传输模块、存储模块、放电模块，所述传输模块的信号输出端与存储模块的信号接收端连接，所述存储模块的信号接收端与放电模块的信号接收端连接。
优选的，所述无线电波通过天线转化为电信号，通过含有电感元件和电容元件的匹配电路确保了从天线到多倍压器的最大功率传输，经过整流器对直流电压进行提高，通过充电电路冲入电池中。
本发明提供了一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统。具备以下有益效果：
(1)、在当前电池容量仍未有革命性突破前提下，解决了最有代表性的智能手机电池续航力不足问题，只需在手机软件上设计一个开关，当电池电量不足需要充电时打开这个开关即可从射频电波中收集能量，直至电池充满，从此既不需要为电池没电而发愁，也不需要携带充电宝来充电，待电池充满无需充电时，关闭这个开关即可(其实不关或忘记关了也问题不大，只是出于延长电池使用寿命角度出发)。
(2)、本发明通过使用两个PMOS器件，如图7(b)所示。在正半周期中，pm2和nm3呈正相关，nm1和pm4呈反相关。Pm2栅极端的偏置信号为负值，导致比二极管连接模式的导通电压更小。Pm4交换机的源极和漏极。Pm4的栅极端子偏置于正射频信号中，正射频信号大于源极端子的电位，从而减小了反向漏电流。
(3)、本发明在正半周期的RF信号中，如同在正常的桥式整流器中，m2和m3导电，而m1和m4则是反向偏置的。这种变化发生在m1和m3栅极端的偏置电压上，在正半周期中，m3像传统的桥式整流器一样，带有大于零的偏置信号(接地电位)，这减少了m3的阈值电压，因此提高了电压灵敏度。
附图说明
图1为本发明的充电流程图；
图2为本发明的能量收集电路图；
图3为本发明的系统图；
图4为本发明天线的等效电路图；
图5为本发明电荷泵整流器的电路图；
图6为本发明差动驱动桥式整流器的电路图；
图7为本发明栅交联差动驱动桥式整流器的电路图；
图8为电磁波谱与相关应用的示意图；
图9为无线电频谱的示意图。
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。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-9所示，本发明提供一种技术方案：一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，包括无线电波、充电系统，充电系统包括匹配单元，匹配单元包括接收模块一、匹配模块、转化模块；
接收模块一用于对射频能量进行收集；
匹配模块内包括电感元件和电容元件；
转化模块用于将电磁波转化为电信号，接收模块一的信号输出端与匹配模块的信号接收端电连接，匹配模块的信号输出端与转化模块的信号接收端电连接，充电系统还包括增压单元，增压单元包括接收模块二、整流模块、增压模块，接收模块二的信号输出端与整流模块的信号接收端电连接，整流模块的信号输出端与增压模块的信号接收端电连接，接收模块二用于接收转化后的电信号，整流模块用于将射频信号转换为直流信号，增压模块用于提高直流电压的水平，充电系统还包括充电单元，充电单元包括关闭模块、开启模块、充电模块，关闭模块的信号输出端与充电模块的信号接收端电连接，开启模块的信号输出端与充电模块的信号接收端电连接，开启模块用于控制充电模块开启，关闭模块用于控制充电模块关闭，充电系统还包括储存单元，储存单元包括传输模块、存储模块、放电模块，传输模块的信号输出端与存储模块的信号接收端电连接，存储模块的信号接收端与放电模块的信号接收端电连接，无线电波通过天线转化为电信号，通过含有电感元件和电容元件的匹配电路确保了从天线到多倍压器的最大功率传输，经过整流器对直流电压进行提高，通过充电电路冲入电池中。
无线电波是电磁波谱的一部分，由磁性元件和电性元件组成。它们通过在一个频带内改变波的振幅、频率和相位的组合来携带信息。当与导体(如天线)接触时，电磁辐射会在导体表面产生电流，这就是所谓的趋肤效应。通信设备利用10千赫至30千赫的不同频谱，使用天线传输或接收数据。对于2.4GHz和900mhz频率，射频能量收集元件的最大理论功率为7.0μW和1.0μW，自由空间距离为40m。在自由空间以外的环境中，信号的路径损耗是不同的，不同的频段有不同的应用，图8显示了我们周围不同应用的电磁波谱，图9显示了不同的频谱及其特殊的应用。
图1为充电流程图，显示了从广播电台和电视台、移动通信基站和无线网络收集能量并将收集到的能量转化并充入电池的过程。
图2示出了能量收集电路的组成部分。入射射频电源由多倍压器转换成直流电源。匹配网络由电感元件和电容元件组成，确保了从天线到多倍压器的最大功率传输。能量储存确保了电力平稳地输送到负载和作为储备时间，当外部能源是不可用的。这样的设计需要精心制作；增加倍增器级数可以在负载处提供更高的电压，并减少通过最终负载支路的电流。这可能会导致不可接受的充电延迟储能电容器。相反，较少的阶段的倍增器确保快速充电的电容，但电压产生的电容可能不足以驱动传感器尘埃(至少1.8v，成为+Vcc的mica2传感器)。
通信设备一般都有向多个方向传播射频能量的全向天线。这使移动应用程序的连接最大化。从无线源传输的能量要高得多，10ghz频率可达30w，但在实际环境中只能获得很少的能量。其余部分则以热量的形式消散或被其他物质吸收。收集射频能量需要一个天线。在射频能量收集系统中，天线(作为接收器)拦截经过的电磁波，并将其转换成电信号。典型的天线可以模拟为交流电压源串联阻抗，如图4所示，PRF是天线接收的功率，RS是辐射电阻，代表接收电磁波的功率，Rloss是损耗电阻，代表包括天线材料和介质损耗在内的实际电阻，Xant可以是电感的，也可以是电容的，这取决于特定的天线。
用来收集射频能量的装置称为直入式收集器。它指的是整流天线。射频能量转换成直流能量。一个典型的直肌有一个天线，匹配电路和一个整流器。硅整流二极管天线是放置在天线馈电点的天线和肖特基二极管的混合物。它直接将射频信号转换为直流信号。可以使用不同的拓扑作为直肌的组成部分。针对RF-DC整流器的设计开发了不同的拓扑结构，如电荷泵整流器、差动驱动桥整流器和门交叉连接差动驱动桥整流器。
首先考虑乘法器的前两个阶段，也通常被称为倍压器。操作可以分为两个周期：负半周期(输入射频信号为负值)和正半周期(输入射频信号为正值)。假设，二极管的阈值电压为VT，输入RF信号的振幅为VRF。在第一个负半周期中，引入d1并将电荷转移到c1的右端板上。在第一个负半周期结束时，c1充电到VRF-vt。当正半周期开始时，d1是反偏的，c1的右端板被推到2*(VRF-VT)。D2开启，电荷转移到C2。在正半周期结束时，c2被充电到2*(VRF-VT)，用于更多阶段倍频整流器，如图5所示。
全波桥式整流器，如图6所示，经常用于交直流电压转换。整流器具有差分输入射频信号。在正半周期的射频信号，二极管d2和d3导电，而d1和d4是反偏的。在负半周期的射频信号，二极管d1和d4导电，而d2和d3是反偏的。在整个循环中，负载电容器c1是单向充电的。当考虑反向泄漏电流和其他阻性负载时，c1上的直流电压可以达到VRF-(2*Vth)，其中Vth是二极管的阈值电压。电路开始整流一次，输入交流信号的幅度变大，大于二极管阈值电压的两倍，从而降低了整流器的电压灵敏度。为了提高电压灵敏度，可以用栅漏连接的n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或栅源连接的低阈值p型MOSFET代替二极管，如图6(b)所示。为了提高直流电压水平，采用耦合电容器阻断直流，分阶段级联单元桥式整流器的叠加结构。
虽然采用二极管连接的低阈值MOSFET，可以有效地提高桥式整流器的电压灵敏度，但MOSFET引起的反向漏电功耗不容忽视。
常规桥式整流器的一种适应结构是用差分输入射频信号偏置门极。通过偏置栅极，降低了MOSFET的导通电压，有效地提高了电压灵敏度。以图7(a)中的结构为例。在正半周期的RF信号中，如同在正常的桥式整流器中，m2和m3导电，而m1和m4则是反向偏置的。这种变化发生在m1和m3栅极端的偏置电压上。在正半周期中，m3像传统的桥式整流器一样，带有大于零的偏置信号(接地电位)，这减少了m3的阈值电压，因此提高了电压灵敏度。
在正半周期中，m1的漏极和源极进行了交换。M1在带负RF信号的栅极端反向偏置，该负RF信号低于源极端的接地电位。有了这种偏置，m1引起的泄漏电流就大大减小了。对负半周期也可以进行同样的分析。在NMOS栅交叉连接桥式整流器中，只有两个mosfet存在差分偏置。为了进一步提高整流器的性能，改为使用两个PMOS器件，如图7(b)所示。在正半周期中，pm2和nm3呈正相关，nm1和pm4呈反相关。Pm2栅极端的偏置信号为负值，导致比二极管连接模式的导通电压更小。Pm4交换机的源极和漏极。Pm4的栅极端子偏置于正射频信号中，正射频信号大于源极端子的电位，从而减小了反向漏电流。对负半周期也可以进行同样的分析。常用的整流器件有MOS晶体管和肖特基二极管。
本申请的技术除了给智能手机充电外，给相关移动便携式电子产品，只要有电池的产品均适用本专利技术的应用范围。
综上可得，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 (8)

1.一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，包括无线电波、充电系统，其特征在于：所述充电系统包括匹配单元，所述匹配单元包括接收模块一、匹配模块、转化模块；
所述接收模块一用于对射频能量进行收集；
所述匹配模块内包括电感元件和电容元件；
所述转化模块用于将电磁波转化为电信号。
2.根据权利要求1所述的一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，其特征在于：所述接收模块一的信号输出端与匹配模块的信号接收端连接，所述匹配模块的信号输出端与转化模块的信号接收端连接。
3.根据权利要求1所述的一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，其特征在于：所述充电系统还包括增压单元，所述增压单元包括接收模块二、整流模块、增压模块，所述接收模块二的信号输出端与整流模块的信号接收端连接，所述整流模块的信号输出端与增压模块的信号接收端连接。
4.根据权利要求3所述的一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，其特征在于：所述接收模块二用于接收转化后的电信号，所述整流模块用于将射频信号转换为直流信号，所述增压模块用于提高直流电压的水平。
5.根据权利要求1所述的一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，其特征在于：所述充电系统还包括充电单元，所述充电单元包括关闭模块、开启模块、充电模块，所述关闭模块的信号输出端与充电模块的信号接收端连接，所述开启模块的信号输出端与充电模块的信号接收端连接。
6.根据权利要求5所述的一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，其特征在于：所述开启模块用于控制充电模块开启，所述关闭模块用于控制充电模块关闭。
7.根据权利要求1所述的一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，其特征在于：所述充电系统还包括储存单元，所述储存单元包括传输模块、存储模块、放电模块，所述传输模块的信号输出端与存储模块的信号接收端连接，所述存储模块的信号接收端与放电模块的信号接收端连接。
8.根据权利要求1-7所述的一种以无线电波为能量的对手机进行无线充电的系统，其特征在于：无线电波通过天线转化为电信号，通过含有电感元件和电容元件的匹配电路确保了从天线到多倍压器的最大功率传输，经过整流器对直流电压进行提高，通过充电电路冲入电池中。
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