CN116979711B - 一种双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线充电技术领域，公开了一种双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器，包括接收线圈Ls、谐振电容Cs、DC电感L1、DC电感L2、开关S1、开关S2、滤波电容C1、负载RL，其相互之间通过设定的方式进行连接；通过检测所述开关S1和开关S2两端的电压相位和输出电压，以控制所述开关S1和开关S2的工作状态，对所述接收线圈Ls拾取的能量同时进行整流滤波和能流调节输出，以使控制器工作在基本模式、增强模式和减弱模式下。本发明提供的双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器，实现同步整流滤波，在不增加元器件的同时，通过调节两个功率开关，对输出功率进行一定的调控，使得充电变得更加灵活可靠。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，特别涉及一种双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器。
背景技术
磁场感应式无线充电是现在运用最广泛的一种无线充电技术，整个系统通常包含发射器和接收器两部分。发射器利用高频逆变器(DC-AC)使发射线圈周围生成高频的时变磁场。当接收线圈(接收器)靠近该磁场时，线圈中就会产生交变的感生电流，再通过整流滤波和能流控制调节给电池充电或给负载供电。通常在实际应用中，发射线圈和接收线圈与电容器相连来创建谐振电路，并且使系统工作在谐振频率上，这样可以提高系统在谐振频率处传输的电能和效率。其中，典型的接收器包括：接收线圈和电容器形成的谐振电路(AC)，整流滤波电路(AC-DC)和能流控制调节电路(DC-DC)。为了提高接收器的效率，整流滤波会使用功率开关替代二极管来提高效率，实现双倍同步整流。能流控制调节电路一般使用开关型降压,升压或者升降压等功率转换器。这样整个接收器会需要多个功率开关。另外，由于负载或者其他电路参数的改变，譬如：发射线圈和接收线圈的电感值，由于制造公差，年龄，温度等变化导致谐振电容值变化，充电距离变化，或者附近金属或磁性材料的存在而影响了系统的谐振频率，从而影响了传输功率和效率。
发明内容
本发明提供了一种双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器，实现同步整流滤波，在不增加元器件的同时，通过调节两个功率开关，对输出功率进行一定的调控，使得充电变得更加灵活可靠。
本发明提供了一种双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器，包括接收线圈Ls、电容Cs、DC电感L1、DC电感L2、开关S1、开关S2、电容C1、负载RL；
所述接收线圈Ls的一端分别连接所述电容Cs的一端、DC电感L1的一端和开关S1的一端，所述接收线圈Ls的另一端分别连接所述电容Cs的另一端、DC电感L2的一端和开关S2的一端，所述DC电感L1的另一端连接所述DC电感L2的另一端、电容C1的一端、负载RL的一端，所述负载RL的另一端连接所述电容C1的另一端、开关S2的另一端和开关S1的另一端；
通过检测所述开关S1和开关S2两端的电压相位和输出电压，以控制所述开关S1和开关S2的工作状态，对所述接收线圈Ls拾取的能量同时进行整流滤波和能流调节输出，以使控制器工作在基本模式、增强模式和减弱模式下；
在接收器刚开始启动时，所述开关S1和开关S2的内部二极管开始工作，在检测到开关两端电压相位后，控制器使所述开关S1和开关S2分别工作在50％的占空比状态下，以实现零电压开关。
进一步地，所述开关S1和开关S2均为MOSFET功率开关，所述电容Cs为谐振电容，所述电容C1为滤波电容。
进一步地，所述控制器工作在基本模式时，在时间t1时，开关S1关闭，由于开关两端的电压变为零，因而开关S2打开，当开关S1关闭时，接收线圈Ls两端的电压开始增加，然后再减小；在时间t2时，开关S2断开，开关S1关断的时间被预设为接收线圈Ls和谐振电容Cs的自然谐振周期的一半，t2所对应的时间是开关S1两端的电压为零，因此开关S1为打开状态，这个循环重复，并同时检测输出电压是否达到负载所需的要求。
进一步地，若输出电压没有达到要求，则控制器开始进入增强模式，使开关S1和开关S2的工作频率高于接收线圈Ls和谐振电容Cs的自然谐振频率，并同时保持开关S1和开关S2的导通和关断时间是新工作频率的一半，即开关S1和开关S2的占空比仍保持50％，以通过调节频率来调节输出功率。
进一步地，若负载需要的功率比基本模式下的小，则控制器进入减弱模式，使开关S1和开关S2的工作频率低于接收线圈Ls和谐振电容Cs的自然谐振频率，并同时保持开关S1和开关S2的导通和关断时间是新工作频率的一半，即开关S1和开关S2的占空比保持50％。
本发明的有益效果为：
1、整个接收器只需要2个低端驱动的功率开关，无需高端驱动电路，通过调节开关的工作频率/占空比来同时实现双倍整流和输出能流控制，减少了功率开关和其他电子器件的使用数量，简化了硬件电路。
2、通过检测电压和相位，由控制器软件信号来驱动功率开关，在做到双倍整流的情况下，既可以升压输出，也可以降压输出，提升了接收器输出功率的范围和灵活度
附图说明
图1为本发明的磁感应无线充电接收器的电路结构示意图。
图2为本发明中控制器工作在基本模式下的波形图。
图3为本发明中控制器工作在增强模式下的波形图。
图4为本发明中控制器工作在减弱模式下的波形图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出了一种双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器，优化和整合接收器的整流滤波电路和能流调节电路，减少磁场感应式无线充电接收器中功率开关的使用数量，同时提升功率输出范围，不仅实现了同步整流滤波，在不增加元器件的同时，通过调节两个功率开关，还可以对输出功率进行一定的调控，使得充电变得更加灵活可靠。
本发明的双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器结构简单，并且只需要2个低端驱动的功率开关就能实现较宽范围的可编程功率输出。
本发明提供了一种双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器，如图1所示，示出了可编程磁感应无线接收器的一种实施方式，包括接收线圈Ls、电容Cs、DC电感L1、DC电感L2、开关S1、开关S2、电容C1、负载RL，所述开关S1和开关S2均为MOSFET功率开关，所述电容Cs为谐振电容，所述电容C1为滤波电容。
所述接收线圈Ls的一端分别连接所述谐振电容Cs的一端、DC电感L1的一端和MOSFET功率开关S1的一端，所述接收线圈Ls的另一端分别连接所述谐振电容Cs的另一端、DC电感L2的一端和MOSFET功率开关S2的一端，所述DC电感L1的另一端连接所述DC电感L2的另一端、滤波电容C1的一端、负载RL的一端，所述负载RL的另一端连接所述滤波电容C1的另一端、MOSFET功率开关S2的另一端和MOSFET功率开关S1的另一端；
通过检测所述MOSFET功率开关S1和MOSFET功率开关S2两端的电压相位和输出电压，以控制所述MOSFET功率开关S1和MOSFET功率开关S2的工作状态，对所述接收线圈Ls拾取的能量同时进行整流滤波和能流调节输出，以使控制器工作在基本模式、增强模式和减弱模式下；
Ls、Cs、L1、L2、S1、S2、C1、RL分别是接收器的接收线圈、谐振电容、2个DC电感、功率开关、滤波电容和负载。其中，在接收器刚开始启动时，所述MOSFET功率开关S1和MOSFET功率开关S2的内部二极管开始工作，在检测到开关两端电压相位后，控制器使所述MOSFET功率开关S1和MOSFET功率开关S2分别工作在50％的占空比状态下，以实现零电压开关(ZVS)。
如图2所示，控制器工作在基本模式，在时间t1时，开关S1关闭，开关S2打开，开关S2打开是因为开关两端的电压变为零，当开关S1关闭时，接收线圈Ls两端的电压开始增加，然后再减小；在时间t2时，开关S2断开，开关S1关断的时间被预设为接收线圈Ls和谐振电容Cs的自然谐振周期的一半(T＝2tR)，t2所对应的时间是开关S1两端的电压为零，因此开关S1为打开状态，这个循环重复，并同时检测输出电压是否达到负载所需的要求。
如图3所示，若由于电路器件退化或者负载有变化等原因，导致输出电压没有达到要求，则控制器开始进入增强模式，使开关S1和开关S2的工作频率高于接收线圈Ls和谐振电容Cs的自然谐振频率(T'<T且T'≥2tR')，但同时保持开关S1和开关S2的导通和关断时间是新工作频率的一半，即开关S1和开关S2的占空比仍保持50％，这样增强模式下的输出功率就会比原来基本模式下的提高很多，可以通过调节频率来调节输出功率。
如图3所示，若负载需要的功率比基本模式下的小，则控制器进入减弱模式，使开关S1和开关S2的工作频率低于接收线圈Ls和谐振电容Cs的自然谐振频率(T”>T且T”>2tR”)，但同时保持开关S1和开关S2的导通和关断时间是新工作频率的一半，即开关S1和开关S2的占空比保持50％，这样减弱模式下的输出功率就会比原来基本模式下的降低很多。
本发明的双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器只采用两个低端驱动的功率开关，通过控制两个开关的工作状态，对接收端线圈拾取的能量同时进行整流滤波和能流调节输出。接收器电路先通过功率开关内部的二极管启动，然后开始检测监测开关两端的电压过零点的时刻，以此实现零电压开关(ZVS)整流，从而降低开关损耗，提高系统效率。接收器同时也实时检测输出端电压，通过调整功率开关的开关频率/占空比来控制输出功率。最终，使得本发明优化和整合接收器的整流滤波电路和能流调节电路，减少磁场感应式无线充电接收器中功率开关的使用数量，同时提升功率输出范围，使得充电更加灵活可靠。
有益效果：
1、整个接收器只需要2个低端驱动的功率开关，无需高端驱动电路，通过调节开关的工作频率/占空比来同时实现双倍整流和输出能流控制，减少了功率开关和其他电子器件的使用数量，简化了硬件电路。
2、通过检测电压和相位，由控制器软件信号来驱动功率开关，在做到双倍整流的情况下，既可以升压输出，也可以降压输出，提升了接收器输出功率的范围和灵活度。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它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、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器，其特征在于，包括接收线圈Ls、电容Cs、DC电感L1、DC电感L2、开关S1、开关S2、电容C1、负载RL；
所述接收线圈Ls的一端分别连接所述电容Cs的一端、DC电感L1的一端和开关S1的一端，所述接收线圈Ls的另一端分别连接所述电容Cs的另一端、DC电感L2的一端和开关S2的一端，所述DC电感L1的另一端连接所述DC电感L2的另一端、电容C1的一端、负载RL的一端，所述负载RL的另一端连接所述电容C1的另一端、开关S2的另一端和开关S1的另一端；
通过检测所述开关S1和开关S2两端的电压相位和输出电压，以控制所述开关S1和开关S2的工作状态，对所述接收线圈Ls拾取的能量同时进行整流滤波和能流调节输出，以使控制器工作在基本模式、增强模式和减弱模式下；
在接收器刚开始启动时，所述开关S1和开关S2的内部二极管开始工作，在检测到开关两端电压相位后，控制器使所述开关S1和开关S2分别工作在50%的占空比状态下，以实现零电压开关；
所述控制器工作在基本模式时，在时间t1时，开关S1关闭，由于开关两端的电压变为零，因而开关S2打开，当开关S1关闭时，接收线圈Ls两端的电压开始增加，然后再减小；在时间t2时，开关S2断开，开关S1关断的时间被预设为接收线圈Ls和谐振电容Cs的自然谐振周期的一半，t2所对应的时间是开关S1两端的电压为零，因此开关S1为打开状态，这个循环重复，并同时检测输出电压是否达到负载所需的要求；
若输出电压没有达到要求，则控制器开始进入增强模式，使开关S1和开关S2的工作频率高于接收线圈Ls和谐振电容Cs的自然谐振频率，并同时保持开关S1和开关S2的导通和关断时间是新工作频率对应的周期的一半，即开关S1和开关S2的占空比仍保持50%，以通过调节频率来调节输出功率；
若负载需要的功率比基本模式下的小，则控制器进入减弱模式，使开关S1和开关S2的工作频率低于接收线圈Ls和谐振电容Cs的自然谐振频率，并同时保持开关S1和开关S2的导通和关断时间是新工作频率对应的周期的一半，即开关S1和开关S2的占空比保持50%。
2.根据权利要求1所述的双倍整流和能流控制相结合的磁感应无线充电接收器，其特征在于，所述开关S1和开关S2均为MOSFET功率开关，所述电容Cs为谐振电容，所述电容C1为滤波电容。
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