CN206894365U - 应用于无线充电的电抗偏移补偿装置、无线功率发射单元及无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线充电技术，公开了一种应用于无线充电的电抗偏移补偿装置、无线功率发射单元及无线充电系统。该电抗偏移补偿装置包括：峰值检测电路、比较电路和调谐电路；峰值检测电路的输入端通过电连接的方式连接功率放大器的漏极电压输出端，峰值检测电路的输出端连接比较电路的第一输入端；比较电路的第二输入端通过电连接的方式连接功率放大器的直流电压输入端，比较电路的输出端连接调谐电路的控制端；调谐电路串接在功率放大器的漏极和源极之间，调谐电路根据控制信号调节调谐电容。这种检测电抗偏移的方式能更快的确定电抗偏移量，保证功率放大器的效率，并保持功率放大器的有效负载始终在一定的范围内。

Description

应用于无线充电的电抗偏移补偿装置、无线功率发射单元及 无线充电系统

技术领域

本实用新型涉及无线充电技术领域，特别涉及一种应用于无线充电的电抗偏移补偿装置、无线功率发射单元及无线充电系统。

背景技术

磁场谐振式无线充电是采用发射线圈和接收线圈之间的磁耦合实现的，基本的无线充电系统中包括功率发射单元(Power Transmitter Unit，PTU)和功率接收单元(PowerReceiving Unit，PRU)，其中，PTU包括发射线圈，PRU 包括接收线圈。由于E类功率放大器的拓扑结构准确且效率高等优势，在磁场谐振式无线充电系统中采用开关式E类功率放大器变得越来越主流。同时，为了优化整个系统的效率，须保持功率放大器的有效负载始终在一定的范围内。

由于谐振式技术使得无线充电系统具有更长的充电距离，更大的充电区域和与不同设备间更好的兼容性，这就会导致功率放大器的输入阻抗Zin的波动范围越来越大。此外，由于无线充电系统应用在更高功率和外观尺寸更大的设备(比如平板或者笔记本)，使得功率发射单元的发射线圈尺寸较大，这会导致输入阻抗Zin的波动更加严重。从原理而言，因为平板或者电脑的机壳通常含有大面积的金属材质，导致充电磁场反向产生涡电流，金属底盘感应出的涡电流抵消了一部分由PTU产生的磁场，会减小功率发射单元发射线圈的电感，从而使得输入阻抗Zin的波动变大，导致失谐。这种情况在很大程度上降低了功率放大器的效率并且在极端情况下会损坏功率放大器。

传统上，使用电压传感器，电流传感器和相位检测器来确定负载情况。如图1所示，电流传感器，电压传感器和相位检测器通常加在开关功率放大器和PTU的发射线圈之间，各传感器将检测到的电压幅值(V)，电流幅值(I) 和电压与电压的相位输入到微控制器的模拟数字转换器，通过微控制器的计算来决定触发的条件，微控制器通过如下公式1～公式3计算得出负载阻抗：

|Z|＝|V|/|I| (1)

R＝|Z|·cosφ (2)

jX＝j|Z|·sinφ (3)

然后微控制器基于计算得出的电抗偏移jX值，决定是否需要触发自动调谐电路导通更多的调谐电容。

发明人在实现本实用新型的过程中发现，传统的补偿电抗偏移的方法在微控制器完成电抗偏移的计算后，根据运算结果控制调谐电路补偿电抗的偏移，存在反应慢的问题，原因在于传统的计算电抗偏移的方法依赖于微控制器完成。在接收端设备变化较大时，或电抗快速变化时这种依赖微控制器的传统方法不能及时的做出反应，就不能很好的保护功率放大电路。

因此，在无线充电系统中，因为接收端设备发生变化产生电抗偏移，引起功率放大器效率降低时，如何快速有效的补偿电抗偏移，保持功率放大器的有效负载始终在一定的范围内，并保证功率放大器的效率，是本领域的技术人员所关注的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于无线充电的电抗偏移补偿装置、无线功率发射单元及无线充电系统，使得无线充电系统在使用时，若产生电抗偏移能快速有效补偿电抗偏移，保持功率放大器有效负载始终在一定范围内。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置，包括：峰值检测电路、比较电路和调谐电路；

所述峰值检测电路的输入端连接功率放大器的漏极电压输出端，所述峰值检测电路的输出端通过电连接的方式连接所述比较电路的第一输入端，所述峰值检测电路检测所述功率放大器在一个开关周期内的漏极电压峰值并输出；

所述比较电路的第二输入端通过电连接的方式连接所述功率放大器的直流电压输入端，所述比较电路的输出端连接调谐电路的控制端，所述比较电路比较所述漏极电压的峰值和所述功率放大器的直流电压后，根据比较结果确定存在电抗偏移后输出控制信号至所述调谐电路的控制端；

所述调谐电路串接在所述功率放大器的漏极和源极之间，所述调谐电路根据所述控制信号调节调谐电容。

本实用新型的实施方式还提供了一种无线充电功率发射单元，包括所述的无线充电发射单元的电抗偏移补偿装置。

本实用新型的实施方式还提供了一种无线充电系统，包括所述的无线充电功率发射单元。

本实用新型实施方式相对于现有技术而言，在无线充电系统中，在接收端设备发生变化引起电抗偏移时，比较电路通过比较漏极电压的峰值和功率放大器的直流电压，体现电抗偏移量，其中，漏极电压的峰值在一个开关周期内可以由峰值检测电路确定。相较于采用微控制器的方案，这种检测电抗偏移的方法能更快的确定电抗偏移量，比较电路根据电抗偏移量确定输出信号控制调谐电路，从而达到快速补偿电抗偏移的目的，该实施方式能保证功率放大器的效率，并保持功率放大器的有效负载始终在一定的范围内，在极端情况也能保护功率放大电路。

另外，所述功率放大器为开关式E类功率放大器。该实施方式中，开关式E类功率放大器有拓扑结构准确且效率高的优势，且器件的安全性较高，本实施方式中选择开关式E类功率放大器作为功率放大器，能提高无线充电系统的效率。

另外，所述比较电路计算所述漏极电压的峰值与所述功率放大器的直流电压的比值；

所述比较电路将所述比值与第一预设门限值进行比较，若比较结果为所述比值大于所述第一预设门限值，则输出第一控制信号；或者，所述比较电路将所述比值与第二预设门限值进行比较，若比较结果为所述比值小于所述第二预设门限值，则输出第二控制信号。

该实施方式中，在保证减小电抗偏移量时，调谐电路有两种操作结果，包括导通调谐电容和断开调谐电容，由此，在判断电抗偏移的量时，设置第一预设门限值和第二预设门限值分别判断电抗偏移量，可以达到快速准确判断的目的，进一步保证了功率放大器的有效负载在一定的范围内。

另外，所述调谐电路包括主调谐电容和至少一个从调谐电容，每个所述从调谐电容并联后与所述主调谐电容并联，其中，每个所述从调谐电容的支路中串接一个开关；或者，每个所述从调谐电容并联后与所述主调谐电容串联，其中，每个所述从调谐电容的支路串接一个开关。

该实施方式中，从调谐电容并联后与主调谐电容并联或串联有利于调谐电路实现调谐功能，从调谐电容不影响主调谐电容的工作和效果，从调谐电容在支路中串接开关，比较电路输出的信号控制调谐电路，作用于调谐电路支路的开关，能在调谐电路中实现调谐功能，从而进一步保证快速的补偿电抗偏移。

另外，所述调谐电路在所述第一控制信号的控制下导通一个所述从调谐电容；或者，所述调谐电路在所述第二控制信号的控制下断开一个所述从调谐电容。

该实施方式中，在接收端设备变化时，因为增加感性负载(负载电流滞后负载电压一个相位差的为感性负载)或因为减少了感性负载引起电抗偏移，针对不同的电抗偏移状况采用不同的从调谐电容控制方式，保证准确补偿电抗偏移，在调谐电路的控制中包括导通一个从调谐电容和断开一个从调谐电容，能保持功率放大器的有效负载始终在一定的范围内。

另外，所述第一控制信号为高电平，所述第二控制信号为低电平；或者，所述第一控制信号为低电平，所述第二控制信号为高电平。

该实施方式中，比较电路输出控制信号，该信号直接控制调谐电路补偿电抗偏移，进一步直接有效的控制了调谐电路。

另外，所述调谐电路与第一电容并联后一端连接至所述功率放大器的源极，另一端串接第二电容后连接所述功率放大器的漏极。

该实施方式中，调谐电路与功率放大器连接，能在电抗偏移产生时快速反应，保证功率放大器的效率，并保持有效负载始终在一定的范围内。

附图说明

图1是现有的电抗检测电路示意图；

图2是本实用新型第一实施方式中电抗偏移补偿装置的电路示意图；

图3是本实用新型功率放大器理想负载下的Vdrain/Vpa示意图；

图4是本实用新型E类功率放大器在史密斯圆圈中Vdrain等高线示意图；

图5a是本实用新型第二实施方式中调谐电路的一种等效示意图；

图5b是本实用新型第二实施方式中调谐电路的一种等效示意图；

图6是本实用新型调谐电路导通从调谐电容的电路示意图；

图7是本实用新型调谐电路导通从调谐电容的电路示意图；

图8是本实用新型非理想负载情况下的Vdrain/Vpa示意图；

图9a是本实用新型的功率放大器在不同负载情况下的Vdrain/Vpa示意图；

图9b是本实用新型的功率放大器在不同负载情况下的Vdrain/Vpa示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本实用新型的第一实施方式涉及一种应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置。如图2所示，包括：峰值检测电路201、比较电路202 和调谐电路203。

本实施例中，峰值检测电路的输入端连接功率放大器的漏极电压输出端，峰值检测电路的输出端通过电连接的方式连接比较电路的第一输入端，峰值检测电路检测功率放大器在一个开关周期内的漏极电压峰值并将该检测值输出；比较电路的第二输入端通过电连接的方式连接功率放大器的直流电压输入端，输出端连接调谐电路的控制端，其中，为适配比较电路中比较器的输入电压范围，峰值检测电路的输出端通过分压电路分压之后连接到比较电路的第一输入端，功率放大器的直流电压输出端通过分压电路分压后连接到比较电路的第二输入端。比较电路比较漏极电压的峰值和功率放大器的直流电压后，根据比较结果确定存在电抗偏移后输出控制信号至调谐电路的控制端；调谐电路串接在功率放大器的漏极和源极之间，调谐电路根据比较电路输出的控制信号调节调谐电容。

相对于现有技术而言，本实施方式不需要利用微控制器对电抗偏移量进行量化和计算，通过比较电路直接检测电抗偏移量，根据比较结果直接输出调谐信号控制调谐电路，在一个开关周期内检测出漏极电压峰值，电抗偏移检测速度更快，比较电路通过输出控制信号调节调谐电容使补偿电抗偏移更易于实现，且更加可靠。

基于第一实施方式的一个具体实现中，调谐电路与第一电容并联后一端连接至功率放大器的源极，另一端串接第二电容后连接功率放大器的漏极。具体的连接关系如图2所示。

基于第一实施方式的一个具体实现中，该应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置中，功率放大器为开关式E类功率放大器。

一个具体的实施方式中，如图2中选择开关式E类功率放大器，例如，开关式E类功率放大器最优的工作点是零点电压开关(Zero Voltage Switch，ZVS)和零电压差分开关式的占空比分别为50％的情况，则理想的开关(即功率放大器)漏极电压(Vdrain)波形可以表示为：

该表达式中Vdrain表示功率放大器的漏极电压值；Vpa表示功率放大器中漏极的开关驱动电压，即功率放大器的直流电压。则理想的开关漏极电压波形如图3所示，由图中可看出在一个开关周期内漏极电压的峰值Vdrain约是功率放大器供电电压(即为图2中开关漏极驱动电压)的3.5倍。

第一实施方式中采用的峰值检测电路和比较电路是对E类功率放大器的优化，且该峰值检测电路和比较电路适用于开关式E类功率放大器。

例如，图4所示的是优化的E类功率放大器的开关漏极电压Vdrain峰值等高线，包括史密斯图上的大部分区域，功率放大器的开关节点中漏极电压峰值的等高线与电抗坐标(或者说等电抗偏移线)是非常一致的。因此，电抗偏移jX可以直接通过测量漏极电压峰值来检测。

相对于现有技术，本实施例中通过开关漏极电压峰值Vdrain依赖于负载的特性，将开关漏极电压峰值Vdrain与电抗偏移量jX通过优化的E类功率放大器直接关联起来，实现简易，并能做到快速和可靠的检测电抗偏移。

本实用新型的第二实施方式涉及一种应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置，如图5a和图5b所示，其中，图5a所示为图2电路的一个等效电路。第二实施方式是对第一实施方式中调谐电路的具体说明。该调谐电路包括主调谐电容和至少一个从调谐电容，且每个从调谐电容并联后再与主调谐电容并联，其中，每个从调谐电容的支路中均串接一个开关；或者，每个从调谐电容并联后再与主调谐电容串联，其中，每个从调谐电容的支路均串接一个开关。

基于第一或第二实施方式的一个具体实现中，该应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置中，具体的，调谐电路在第一控制信号的控制下导通一个所述从调谐电容；或者，调谐电路在第二控制信号的控制下断开一个从调谐电容。一个具体实现中，比较电路的输出控制信号可具体为：比较电路输出的第一控制信号为高电平，第二控制信号为低电平；或者，第一控制信号为低电平，第二控制信号为高电平。

一个具体的实现方式可以为，比较电路输出第一控制信号为高电平信号，调谐电路在该信号的作用下导通一个从调谐电容，或者比较电路输出第二控制信号为低电平信号，调谐电路在该信号的作用下断开一个从调谐电容。此处仅为举例说明，不排除第一控制信号为低电平或者第一控制信号断开一个从调谐电容的操作可能，不应局限与本例。

一个具体的实施方式中，图5a中多个从调谐电容(C1、C2……)并联起来然后与主调谐电容串接在一起，同时从调谐电容每个需要串接开关，从调谐电容由其串接的开关控制。当没有设备放在发射端线圈上时，发射端线圈通过串联调谐电容(Cs)来调节到谐振。一个具体实现中，当有大片金属外壳的元件或设备处于无线充电的有效充电区域时，充电磁场反向产生涡电流， PTU的发射线圈电感值(L0)会减小，导致功率放大器的负载电抗发生偏移。当这种电抗偏移较大并达到预设门限值时(例如预设门限值为：jXth)，调谐电路会触发导通一个从调谐电容C1(如图6所示)，这样C1+Cs与减小后的发射端线圈L1形成谐振，补偿原有电路的负载电抗偏移量。另一个具体实现中，当负载阻抗的电抗达到一样的电抗偏移门限值jXth时，无论此时电阻值是多少，另一电容也会导通。

具体的，一种自动调谐的方案为，当无线充电系统处于充电状态下设备引入更多的电抗偏移时，PTU的发射线圈电感值进一步减小，导致在相同的电抗偏移门限值下(jXth)触发导通更多的调谐电容(如图7)。这种情况下，总调谐电容值(C1+C2+Cs)与进一步减小后的发射端线圈电感值(L2)产生谐振。这个过程重复实现直到能够补偿所有由于接收端设备导致的电抗偏移。本实施方式中调谐电路的调节机制将电抗偏移限制在一个很小的范围(0～jXth)，并呈现给功率放大器，这样功率放大器的输出功率和效率能得到优化。

具体的结合第一实施方式，在无线充电系统中当负载偏离它的理想状态时，E类功率放大器可能会表现出两种形式，如图8所示，负载变化可能会打破功率放大器的零点电压开关条件，例如图8中非零点电压开关条件的示意，在这种情况下，开关漏极电压Vdrain峰值比理想情况下会低；或者，例如，图8中所示开关管的体二极管打开的情况，在这种情况下，开关漏极电压Vdrain峰值比理想情况下高很多。

在具体实施方式中，漏极电压峰值Vdrain和功率放大器直流输入电压 Vpa能够用来检测电抗偏移，具体的，如图9a和图9b所示，描述了在不同的电抗偏移条件下漏极电压波形，从图中可以看出，通过优化的E类放大器设计，在非零点电压开关条件下的漏极电压与感性负载+jX是直接相关的。例如，由图9a和图9b中可看出当感性负载越大时，Vdrain和Vpa的比值也会变小，基于同一原理，在体二极管导通条件下的功率放大器，该功率放大器的Vdrain和Vpa的比值与容性负载-jX同样直接相关，比如，当容性负载越大，Vdrain和Vpa的比值也会越大。

因此，对于功率放大器而言，针对整个负载和输入电压不变的情况，漏极电压峰值Vdrain和Vpa的比值，与负载电抗jX是呈现单调线性的关系，进一步说明了本实施例中使用的峰值检测电路和比较电路可以快速实现调谐电路的电抗偏移的检测。

第二实施方式中，自动调谐方案依赖于当电抗偏移达到设计中定义的门限值(jXth)时，调谐电路能够触发的调节机制，具有实现稳定的特点，并能快速简单的补偿电抗偏移。基于第一或第二实施方式的一个具体实现中，该应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置中，比较电路的工作原理为：比较电路输入端接收到输入值之后，计算漏极电压的峰值与功率放大器的直流电压的比值；并将该计算得到的比值与第一预设门限值进行比较，若比较结果为比值大于第一预设门限值，则输出第一控制信号；或者，比较电路将该计算得到的比值与第二预设门限值进行比较，若比较结果为比值小于第二预设门限值，则输出第二控制信号。

具体的一个实施方式为，比较电路配置为当Vdrain和Vpa的比值超过一定限值后才触发的模式，具体的，将第一预设门限值设置为jXth1(比如 jXth1＝4.5)，在这种情况下，如果有容性负载进入无线充电系统的有效充电区域(比如一个大面积金属机壳进入充电区域)，基于第一预设门限值的触发，调谐电路导通更多的调谐电容补偿电抗偏移。另一个具体实现中，比较电路也可以被配置为当Vdrain和Vpa的比值低于一定限值后才触发的模式，即将第二预设门限值设置为jXth2(比如jXth2＝2.5)，在这种情况下，如果有感性负载移出无线充电系统的有效充电区域(比如一个大面积金属机壳移出充电区域),基于第二预设门限值的触发，调谐电路断开调谐电容补偿电抗偏移。本实施方式仅为举例，具体的第一预设门限值和第二预设门限值为多少，应试具体情况而定，本例不限制预设门限值。

一个具体的实施方式中，图2中功率放大器的漏极电压峰值与功率放大器的直流输入电压比值可以直接反应负载的电抗偏移量，其中负载的电抗偏移量表示为jX，漏极电压的峰值由峰值检测电路来检测具体的值，例如，峰值检测电路可以是现有电路，主要是检测在一个开关周期内的漏极电压峰值，该电路可由半波整流电路和电容滤波电路和分压电路组成。比较电路比较漏极电压的峰值和功率放大器直流输入电压，其中，漏极电压的峰值表示为 Vdrain，功率放大器直流输入电压表示为Vpa。当Vdrain和Vpa的比值超过一定预设门限值的时候，比较电路会直接输出控制信号，调谐电路调节调谐电容来补偿电抗偏移。

基于同一构思，本实用新型实施例中还提供了一种无线充电功率发射单元，该无线充电功率放射单元中包括以上任意实施例中所描述的无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置。

基于同一构思，本实用新型实施例中还提供了一种无线充电系统，该无线充电系统中包括以上所描述的无线充电功率发射单元。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (9)

1.一种应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置，其特征在于，包括：峰值检测电路、比较电路和调谐电路；

所述峰值检测电路的输入端连接功率放大器的漏极电压输出端，所述峰值检测电路的输出端通过电连接的方式连接所述比较电路的第一输入端，所述峰值检测电路检测所述功率放大器在一个开关周期内的漏极电压峰值并输出；

所述比较电路的第二输入端通过电连接的方式连接所述功率放大器的直流电压输入端，所述比较电路的输出端连接调谐电路的控制端，所述比较电路比较所述漏极电压的峰值和所述功率放大器的直流电压后，根据比较结果确定存在电抗偏移后输出控制信号至所述调谐电路的控制端；

所述调谐电路串接在所述功率放大器的漏极和源极之间，所述调谐电路根据所述控制信号调节调谐电容。

2.根据权利要求1所述的应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置，其特征在于，所述功率放大器为开关式E类功率放大器。

3.根据权利要求1或2所述的应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置，其特征在于，所述比较电路计算所述漏极电压的峰值与所述功率放大器的直流电压的比值；

所述比较电路将所述比值与第一预设门限值进行比较，若比较结果为所述比值大于所述第一预设门限值，则输出第一控制信号；或者，所述比较电路将所述比值与第二预设门限值进行比较，若比较结果为所述比值小于所述第二预设门限值，则输出第二控制信号。

4.根据权利要求3所述的应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置，其特征在于，所述调谐电路包括主调谐电容和至少一个从调谐电容，每个所述从调谐电容并联后与所述主调谐电容并联，其中，每个所述从调谐电容的支路中串接一个开关；或者，每个所述从调谐电容并联后与所述主调谐电容串联，其中，每个所述从调谐电容的支路串接一个开关。

5.根据权利要求4所述的应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置，其特征在于，所述调谐电路在所述第一控制信号的控制下导通一个所述从调谐电容；或者，

所述调谐电路在所述第二控制信号的控制下断开一个所述从调谐电容。

6.根据权利要求3所述的应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置，其特征在于，所述第一控制信号为高电平，所述第二控制信号为低电平；或者，所述第一控制信号为低电平，所述第二控制信号为高电平。

7.根据权利要求1、2、4～6任一项所述的应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置，其特征在于，所述调谐电路与第一电容并联后一端连接至所述功率放大器的源极，另一端串接第二电容后连接所述功率放大器的漏极。

8.一种无线充电功率发射单元，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的应用于无线充电功率发射单元的电抗偏移补偿装置。

9.一种无线充电系统，其特征在于，包括权利要求8所述的无线充电功率发射单元。