CN201887495U - 一种感应充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种感应充电装置，它由两部分组成：电源发射器和感应接收器，当感应接收器的接收线圈置于电源发射器的发射线圈的磁场中，就会产生感应电压，经整流、滤波和稳压后，就可以用它来对手机或电池充电。电源发射器主要由一个LC谐振发射回路和一个电能发射专用IC串联组成，感应接收器由六部分组成：一个LC接收回路，一个低阻电子开关，一个压控脉宽振荡器，一个光控电压调节器，一组内部电源和一组输出电源。本感应充电装置通过电磁感应的方式来传递电能，实现了非接触式的电池充电过程，不仅方便了手机等移动设备的使用，也为共公场合中统一无线充电的设备奠定了基础。

Description

一种感应充电装置

技术领域

本发明涉及一种充电技术，特别是通过感应方式给手机或小型稳定设备充电的技术。

背景技术

手机这种通信工具已成为每个人生活和工作的必需品。手机在使用中，每天或每隔一两天都面临着一个不可回避的问题，就是手机的充电——将充电器插入墙上的电源板上，再将一根线的插头插到手机上，第二天又将插头从手机上拨下——如此长年累月的插拨，不仅麻烦，而且常常出现断线、插座松脱、接触不良，甚至短路损坏手机，特别是对一些频繁使用手机的人来说，一天可能多次充电，更增加了手机的故障率。

手机充电的另外一个问题是：由于手机的厂家和型号的多样性，手机的充电接口多种多样，虽然几个前就制定了一个手机充电口的标准，但至今没能统一，因此，依然是专用充电器为专用手机充电，难以统一，这给公共场所的充电设施的实施带来了难度。

2010年10月，国际无线充电联盟出台了第一个无线充电标准，即QI无线充电标准，正式开启了手机的无线充电的大门。无线充电是以电磁感应为基础的非接触式充电，没有物理上的电路连接，从而免去了电源线、插头和插座，使用时，只要将手机放置在指定位置上，就可以对手机充电。这不仅方便了使用，也给公共场所的充电的普及提供了必要的前提。

这里，根据电磁感应原理，设计了一种廉价、安全、方便的无线充电装置。

发明内容

本发明是一种感应充电装置，它由两部分组成：电源发射器和感应接收器，当感应接收器的接收线圈置于电源发射器的发射线圈的磁场中，就会产生感应电压，经整流、滤波和稳压后，就可以用它来对手机或电池充电。

电源发射器主要由一个LC谐振发射回路和一个VOX系列电能发射专用IC串联组成，发射回路由发射线圈L与发射电容C并联组成，发射专用IC是一个三端器件，共有三个极：驱动电压端，功率输出端和地，功率输出端相当于一个对地的高速开关，开关的频率由内部振荡器决定，只要给发射IC一个驱动电压便能正常工作；谐振发射回路的一端与发射电源的正极相连，另一端与发射IC输出端串联，IC的负极与电源的负极相连。这里有两个电压，一个是给谐振发射回路使用的发射电压，另一个是芯片的驱动电压。

感应接收器由六部分组成：一个LC接收回路，一个低阻电子开关，一个压控脉宽振荡器，一个光控电压调节器，一组内部电源和一组输出电源，如下图所示：

其中LC接收回路的谐振电容C并没有直接与接收线圈L并联，而是与低阻电子开关串联后再与接收线圈L并联，低阻电子开关是由两个FET管的漏-源两个电极反向串联而成的，两个漏极作为开关端，两个源极为公共地线，这是一个悬浮的地线，与输出电源的地线不相连，两个FET管的公共棚极与压控脉宽振荡器的输出端相连，压控振荡器的输入端与光控电压调节器的输出端相连，光控电压调节器的输入端是一个光电二极管，这个光电二极管的光源来自输出电源的指示灯，内部电源为压控振荡器和光控电压调节器提供工作电压和电流，外部电源是本感应接收器的输出电源；其工作原理是：输出电压的高低，直接改变反馈反馈发光管亮度，反馈发光管的亮度决定电压调节器的输出电压高低，进一步改变压控振荡器的方波的占空比，进一步改变电子开关的导通占空比，即改变了谐振电容C的导通占空比，也就是改变了LC接收谐振回路的谐振占空比，从而改变了输出电压的高低。它们的关系如下：

LC谐振回路中的谐振电容C不是直接与谐振电感L并联，而是与低阻电子开关串联后与谐振电感并联，因此，这个谐振回路的谐振状态受到低阻电子开关的控制。

低阻电子开关是一个毫欧级电阻的双向电子开关，由两个低阻的CMOS FET管的反向串联而成，即两个FET管的源极(S极)串接，两个FET管的漏极(D极)作为开关的两端，同时，两个FET管的栅极(G极)并联，这是低阻电子开关的控制端，若在共公的G极(相对于公共的S极)上加一个控制电压(高电平)，两个FET将同时导通，这时，两个FET管的D极之间呈低阻状态，电子开关导通；否则两个FET管同时截止，即两个FET的D极之间呈高阻状态，电子开关截止。

FET管的公共G极与压控脉宽振荡器的输出端相连。

压控脉宽振荡器是一个方波振荡器，方波的占空比由控制端的电压决定，电压越高，占空比越大，反之越小。

压控脉宽振荡器的控制端与光控电压调节器的输出端相连。

光控电压调节器主要由一个光敏管和一个三极管组成，它是一个线性的电压跟随器，受控于反馈发光管，反馈发光管越亮，输出端电压越低，反之越高。这个电压调节器的电源由电源电路提供。

这样，就有以下链锁关系：输出电压高低→反馈发光管亮度大小→电压调节器的输出电压高低→压控振荡器的方波的占空比→电子开关的通断时间，即反馈发光管的亮度决定了电子开关的通断时间，也就决定了接收谐振回路的谐振时间。

输出电源是从谐振接收回路的两端整流、滤波得到，接收谐振回路的谐振占空比直接影响到输出电压的高低。

感应接收器内有一组内部电源，为电压调节器和压控振荡器提供工作电流和电压，这个电源是从接收线圈的两端通过分流电容后整流滤波得到的，这是一个悬浮的电源，与输出电源是隔离的。

感应接收器是通过隔离的反馈发光管的亮度来调节电子开关的输出占空比，以控制电子开关的通断时间，达到调节输出电流或电压的目的，它不但可以保持接收电路的负载电压与空载电压的一致，防止空载时的过压烧毁电路元件，还可以防止接受电路空载时，因过度接收引起的发热现象，同时还可以减少与之供电的发射电路的发射电流，对于节能是有益的。

本感应充电装置通过电磁感应的方式来传递电能，实现了非接触式的电池充电过程，不仅方便了手机等移动设备的使用，也为共公场合中统一无线充电的设备奠定了基础。

附图说明

附图1是电源发射器的工作原理图。

附图2是感应接收器的工作原理图。

附图3是感应接收器在锂电池充电中的应用原理图。

附图4是集成后的感应接收器的工作原理图。

附图5是集成后的感应接收器在锂电池充电中的应用原理图。

附图6是电源发射器和感应接收器的结构示意图。

附图7是电源发射器和感应接收器的结构分解示意图。

附图8是电源发射器和感应接收器的工作关系示意图。

附图1中，L1为谐振发射线圈，C1为谐振电容，IC1为发射芯片，R1为分流电阻，RS为干簧管(一种磁控开关)，L3为电感，C3和C4为滤波电容。

附图2中，虚框1为接收谐振回路，虚框2为低阻电子开关，虚框3为压控方波振荡器，虚框4为光控电压调节器，虚框5为内部电源电路，虚框6为电源输出电路。L2为接收线圈，C2为谐振电容，T1、T2是两个CMOS FET管，IC2是压控方波振荡器芯片，Q1为三极管，PH为光敏管，DW1和DW2为稳压管，BG1和BG2为全桥整流电路，LED1为发光二极管，R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7为电阻，C5、C6、C7、C8和C9为电容，L4、L5为电感。

附图3是在附图2的基础上，增加了锂电池充电管理电路，IC3为管理芯片，BAT为充电电池，D1、D2为二极管，R8、R9为电阻。

附图4中，L2为接收线圈，C2为谐振电容，VK为光控占空比电子开关，BG2为整流全桥，L5为电感，C8为滤波电容，DW2为稳压管，R7为反馈电阻。

附图5是在附图4的基础上，增加了锂电池充电管理电路，IC3为管理芯片，BAT为充电电池，D1、D2为二极管，R8、R9为电阻。

附图6中，A表示基板，B表示磁导层，C表示线圈和PCB，D表示绝缘面板层。

附图7中，A表示基板，B表示磁导层，C表示线圈和PCB，D表示绝缘面板层。

附图8中，A表示发射基板层，B表示发射磁导层，C表示发射线圈和PCB层，D表示发射绝缘面板层；a表示接收基板，b表示接收磁导层，c表示接收线圈和PCB，d表示接收绝缘面板层。

具体实施方式

以下结合实例，对本发明的感应充电器装置做进一步说明。

实例一、本发明的感应充电器装置在手机电池的无线充电中的应用。

附图1中，发射线圈L1和谐振电容C1并联后，一端与电源相连，另一端与发射芯片IC1的输出端串联，分流电阻R1为芯片IC1提供工作电压和电流，IC1是VOX系列的专用电源发射芯片，干簧管RS为磁控开关，当磁场靠近它时，RS闭合，IC1得电工作，发射电路对外发射电能；当磁场离开它时，RS开路，IC1截止，发射电路不工作，功耗为零。控制RS的磁场来自一块永久磁铁，这块磁铁固定在充电电池的附近或手机等待充电的设备上，当它们靠近电源发射器时，RS就接通，电池充电，当它们离开电源发射器时，RS断开，电源发射停止工作，这样，实现了自动识别的功能和零电流发射的待机状态。

实例二、感应接收器在锂电池充电中的应用

附图2中，虚框1中的谐振电容C2并没有直接与接收线圈L2并联，而是与一个低阻电子开关串联后，再与L2并联，因此，这是一个受控的谐振接收回路，通过改变C2的谐振占空比，来控制谐振回路两端的输出电压。

低阻电子开关(虚框2)由T1和T2为两个低阻CMOS FET管串联而成，这两个FET的电阻值要求为毫欧级，T1和T2的两个源极(S极)串联作为公共地线，两个漏极(D极)作为开关的两个输出端，两个栅极(G极)并联作为公共控制端，这样，只要在T1和T2的公共端，即S极和G极上加一个高电平，T1和T2就会同时导通，两个D极之间呈低电阻，电子开关导通，否则，T1和T2截止，两个D极之间呈高电阻，电子开关关闭。

控制低阻电子开关(虚框2)的高电平来自压控方波振荡器(虚框3)，由一个压控振荡芯片IC1和电阻R5、电容C9组成，压控方波振荡器是一个方波发生器，O端为输出端，输出一个占空比可调的方波信号，Vp为芯片IC1的控制电压，改变这个电压就可以改变输出方波的占空比。

控制电压Vp由光控电压调节器(虚框4)决定，当光敏管PH接收的光照越多，其反向电阻越小，三极管Q1的偏压越高，则Vp就越低，反之则越高。光敏管PH所需的光照来自反馈发光管LED1，所以就有以下的关系：当输出电压升高，LED1亮度增加，光敏管PH的反向电阻越小，三极管Q1的偏压越高，则Vp就越低，压控方波振荡器(虚框3)的输出方波的占空比越小，低阻电子开关(虚框2)的导通时间越短；反之，当输出电压降低，LED1亮度减小，光敏管PH的反向电阻越大，三极管Q1的偏压降低，则Vp就越高，压控方波振荡器(虚框3)的输出方波的占空比越大，低阻电子开关(虚框2)的导通时间越长，接收回路的输出电压越高。

低阻电子开关(虚框2)、压控方波振荡器(虚框3)和光控电压调节器(虚框4)所需要的工作电压由内部电源电路(虚框5)提供，接收线圈L2的A和B两端的交流电经C5、C6分流后，由全桥整流管BG1整流，经L4缓冲、C7滤波和DW1稳压后，提供一个相对稳定的电压，这个电源是从接收线圈的两端通过分流电容后整流滤波得到的，这是一个悬浮的电源，与输出电源是隔离的。

输出电源(虚框6)的工作原理是：接收线圈L2两端的电压，经全桥BG2整流、电感L5缓冲、C8滤波后输出。

这里，稳压管DW2、电阻R7和反馈发光管LED1为反馈电路，当输出电压达到一定值时，DW2导通，LED1发光，输出电压越高，LED1越亮，PH反向电阻减小，Vp值越高，IC1输出波的占空比减小，T1和T2的导通占空比减小，谐振回路的谐振占空比减小，L1两端电压降低，迫使输出电压降低；反之当输出电压降低，LED1变暗，PH反向电阻增加，Vp值降低，IC1输出波的占空比增大，T1和T2的导通占空比增大，谐振回路的谐振占空比增大，L1两端电压升高，迫使输出电压上升，这样就实现了一个稳压接收的过程。

附图3是在附图2的基础上上了锂电池充电管理电路，IC3为充电芯片，BAT为充电电池，R8为充电编程电阻，IC3的1脚为充电指示端，充电过程中，它呈低电平，充电结束后，呈高电平，这时，LED1常亮，迫使接收电路停止谐振，对应的发射电路的发射就转入空载状态。

本发明的感应充电装置的全部工作过程简单归结为：

当带有磁铁的手机或电池靠近电能发射器的干簧管RS时，RS闭合，电能发射器工作，否则不工作；开始充电时，电池BAT的电压较低，拉低了输出电压Vo，反馈发光管LED1的亮度小，光电管PH内阻大，光控电压调节器的输出电压Vp高，压控振荡器的输出占空比大，低阻电子开关的导通时间长，谐振接收回路L1C1的谐振时间长，迫使接收线圈L1两端电压升高，但由于电池BAT的电压不能突变，结果是只能加大充电电流；当电池充电结束后，充电管理IC3的充电指示端呈高阻，这时D1和D2均导通，反馈发光管LED1处于高亮状态，迫使压控振荡器低振，低阻电子开关关闭，谐振接收电路也停振，这时，只有接收线圈L1接收极少的能量，供内部电源使用，输出电源的输出电流接近零，使电能发射器输入最小功耗状态。

实例三、感应接收器的集成化应用

将附图2中的低阻电子开关(虚框2)、压控方波振荡器(虚框3)，光控电压调节器(虚框4)、内部电源电路(虚框5)以及反馈反馈发光管LED1，集合在一个模块或一个芯片上，就可以组成一个四端光控占空比的电子开关，这个开关的输入端为反馈发光管，输出端为两个反向串联的FET管，两个D极为输出端，如附图4中和VK所示，这样，附图2的复杂电路就变成了附图4所示的简单电路了。这时，内部电源不是从线圈L2取得电能，而是从低阻电子开关的两端即两个FET的两个漏极上取得电能。

附图5与附图3的工作原理相同，只不过用一个光控占空比的开关代替了附图3中的相关电路。附图5是在附图4的基础上上了锂电池充电管理电路。

实例四、感应充电装置的应用拓扑图。

如附图6、附图7的C层所示，在实际应用中，可以将发射线圈和发射电路板(即PCB)做成一个模块，同样，接收线圈和接收PCB做成一个模块，将PCB放在线圈的旁边，并形成一体。

同时，为了提高发射和接收的整体效率，减少辐射，分别在发射线圈和接收线圈的外侧，增加一层磁导层B。磁导层有作用有三：一是提高线圈的品质因素，增加线圈的发射能力和接收能力；二是屏蔽了线圈的外侧，实现了单向发射和单向接收的功能；三是防止充电电池发热，因为充电电池相当一块金属导体，当它置于磁场中，就会形成涡流使电池发热。

在结构上，可将磁导层B固定在基板A上面，然后将线圈和线路板C固定在磁导层B上，最后在外面贴上一层绝缘保护层D。发射模块和接收模块均由这四层组成，排列顺序相同。

实际使用时，发射模块和接收模块相当放置，如附图8所示。能量从发射模块的线圈层C层发出，透过绝缘保护层D，从空气中传到接收模块，透过绝缘保护层d，由线圈层c接收转化为电能，实现能量的传递。

Claims (9)

1.一种感应充电装置，它由两部分组成：电源发射器和感应接收器，其特征是：电源发射器和感应接收器完全分离，当感应接收器的接收线圈置于电源发射器的发射线圈的磁场中，就会产生感应电压，经整流、滤波和稳压后，就可以用它来对手机或电池充电；电源发射器主要由一个LC谐振发射回路和一个VOX系列的电能发射专用IC串联组成，感应接收器由六部分组成：一个LC接收回路，一个低阻电子开关，一个压控脉宽振荡器，一个光控电压调节器，一组内部电源和一组输出电源，其中LC接收回路的谐振电容并没有直接与接收线圈L并联，而是与低阻电子开关串联后再与接收线圈L并联，低阻电子开关是由两个FET管的漏-源两个电极反向串联而成的，两个漏极作为开关端，两个源极为公共地线，两个FET管的公共棚极与压控脉宽振荡器的输出端相连，压控振荡器的输入端与光控电压调节器的输出端相连，光控电压调节器的输入端是一个光敏管，这个光敏管的光源来自输出电源的反馈发光管，内部电源为压控振荡器和光控电压调节器提供工作电压和电流，外部电源是本感应接收器的输出电源。

2.根据权利要求1所述的感应充电装置，其特征是：控制谐振电容占空比的低阻电子开关是一个毫欧级电阻的双向电子开关，由两个低阻的CMOS FET管的反向串联而成，即两个FET管的源极(S极)串接，两个FET管的漏极(D极)作为开关的两端，同时，两个FET管的栅极(G极)并联作为控制端，两个源极(S极)为公共地。

3.根据权利要求1所述的感应充电装置，其特征是：控制低阻电子开关的压控脉宽振荡器是一个方波振荡器。

4.根据权利要求1所述的感应充电装置，其特征是：光控电压调节器主要由一个光敏管和一个三极管组成，它是一个线性的电压跟随器，为压控振荡器提供电压控制，它受控于反馈发光管。

5.根据权利要求1所述的感应充电装置，其特征是：感应接收器的输出电源是从谐振接收回路的两端整流、滤波得到。

6.据权利要求1所述的感应充电装置，其特征是：感应接收器内有一个内部电源，为电压调节器和压控振荡器提供工作电流和电压，这组电源是从接收线圈的两端通过分流电容后整流滤波得到的，是一组悬浮电源，与输出电源是隔离的。

7.根据权利要求1所述的感应充电装置，其特征是：感应接收器与反馈发光管是隔离的。

8.根据权利要求1所述的感应充电装置，其特征是：感应接收器中的低阻电子开关、压控方波振荡器，光控电压调节器、内部电源电路以及反馈发光管，集合在一个模块或一个芯片上，就可以组成一个四端光控占空比的电子开关，这个芯片的输入端为反馈发光管，输出端为两个反向串联的FET管的漏极。

9.根据权利要求1所述的感应充电装置，其特征是：发射电路和接收电路均可以做成模块，模块均为四层：基板层，磁导层，线圈和PCB层、绝缘面板层，使用时，发射模块和接收模块相对放置，磁导层朝外。 

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