CN207705830U - 一种支持负载识别的无线充电设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及支持负载识别的无线充电设备，所述无线充电设备包括微控制器、功率发射电路组、线圈阵列和多路复用器，所述微控制器连接功率发射电路组，所述功率发射电路组通过多路复用器连接线圈阵列，所述线圈阵列连接微控制器。所述功率发射电路组包括多个功率发射单元，所述线圈阵列包括多个线圈，所述功率发射单元通过微控制器连接各线圈。所述功率发射单元包括相互连接的功率发射电路和匹配电路，功率发射电路连接微控制器，匹配电路连接多路复用器与微控制器。本实用新型以快速、直接、无需辅助模块的方式对负载进行识别、定位，能够节省系统资源，降低成本，提高运行效率；实现在运行初期不依赖通信或功率传输即可对异物进行有效地排除。

Description

一种支持负载识别的无线充电设备

技术领域

本实用新型涉及一种支持负载识别的无线充电设备。

背景技术

随着智能手机、可穿戴设备的普及，使用电源线、数据线进行充电的方式已经无法满足智能设备爆炸式增长的数量。无线充电在近几年得到了飞速的发展，而无线充电系统对多负载设备充电的能力成为当前最为关注的问题。市场要求无线充电系统能够低成本、快速准确得对负载设备进行定位，及早、无功率损耗、无安全隐患的对异物进行有效检测。

现有识别负载并定位的方案主要如下：

一、通过检测发射端谐振频率偏差，判断系统带载情况及负载位置，检测谐振频率需要发射端进行扫频，通过检测不同频率驱动下谐振电路中电容的最大值电压或电感的最大值电流，确定当前负载条件下的谐振频率。比较当前谐振频率与系统空载时的谐振频率，识别负载并定位。该方法对扫频的频率范围、频率精度均有比较严格的要求，且比较耗时，针对多负载及线圈阵列应用的可扩展性较差。

二、向负载传输小功率，通过与负载通信以获取负载端检测到的信号强度值识别负载并定位，在规定时间内未收到信号强度信息，则判断系统为空载。该方法的实施主要依靠负载与系统的通信，而负载上电、启动通信模块需要较长的时间，针对多负载及线圈阵列应用的可扩展性较差。

三、在系统中集成重力传感器或红外传感器，通过系统带载、空载时传感器检测的结果对负载进行识别并定位。该方法需要将多个传感器均匀置于系统表面，大大增加了成本及系统的复杂性。

四、使用可移动线圈追踪负载，系统向负载传输功率，通过计算寄生损耗、充电频率判断，系统识别负载并定位。该方法基于功率发射与负载接收功率的偏差进行位置判断，判断内容包含线圈需要移动的方向与距离，且需要一个单独的线圈移动装置，大大增加了系统的复杂性和成本，无法向多负载及线圈阵列的应用方向扩展。

现有异物检测的主要方案如下：

一、通过系统负载情况下Q值检测结果与负载提供参考Q值比对，Q值偏差超过阈值，判断系统负载存在异物。该方法需要负载进入通信阶段，向系统传输参考Q值，每次判断都需要消耗较长的时间，且需要向负载传输足以使其进入通信阶段的功率，如果负载存在异物，判断过程也会引起一定的发热量。

二、系统在功率传输过程中通过对发射功率的监测及负载提供的接收功率，求出差值，当差值超过阈值，判断系统负载存在异物。该方法的精度依赖于在不同传输功率状态下，对发射端及负载固有损耗评估的精度，增加了系统的复杂度，且容易出现漏报、误报的情况，导致系统响应不及时。判断过程是建立在系统向负载正常功率传输的状态下，如果负载存在异物，在系统响应之前，可能就会产生很大的发热量，进而存在安全隐患。

现有增强功率传输的主要方案如下：

在由功率发射电路与单线圈一一相连构成功率发射子单元的系统中，当单一的子单元传输功率不足以满足负载要求时，开启另一个子单元加强磁场。该方法材质成本较高、灵活性差的问题。当传输功率不足的时候，增加线圈虽然能够增大磁场，但是会导致发射端谐振频率产生偏差，降低系统效率。

综上可见现有的技术方案普遍存在系统复杂、成本高以及存在可能的安全隐患等问题，并且还具有耗时、耗电且对多设备的可扩展性差的问题。

实用新型内容

本实用新型针对多负载同时充电技术，提供一种支持负载识别的无线充电设备，以快速、直接、无需辅助模块的方式对负载进行识别、定位，其能够节省系统资源，降低成本，提高运行效率；在运行初期不依赖通信或功率传输即可对异物进行有效地排除并保障系统的安全性；在不损失增强磁场能力的前提下，实现对发射端谐振频率的校正，提高效率。

本实用新型提供一种支持负载识别的无线充电设备，包括微控制器、功率发射电路组、线圈阵列和多路复用器，所述微控制器连接功率发射电路组，所述功率发射电路组通过多路复用器连接线圈阵列，所述线圈阵列连接微控制器。

进一步地，所述功率发射电路组包括多个功率发射单元，所述线圈阵列包括多个线圈，所述功率发射单元通过微控制器连接各线圈。

进一步地，所述线圈阵列包括多个线圈，所述线圈之间相互交叠的面积在30％～50％之间，线圈内半径交叠范围在20％～35％之间，且每个线圈与至少两个线圈有交叠。

进一步地，所述功率发射单元的个数为N，所述线圈的个数为M，其中N≤M。

进一步地，所述功率发射单元包括功率发射电路和匹配电路，所述功率发射电路和匹配电路相连，所述功率发射电路和匹配电路均连接微控制器，所述匹配电路连接多路复用器。

进一步地，所述多路复用器为单刀多掷开关组。

附图说明

图1为本实用新型提供的支持多负载的无线充电设备的架构图；

图2为本实用新型中线圈阵列结构示意图；

图3为本实用新型中线圈关联示意图；

图4为本实用新型中匹配电路的结构示意图。

图5为本发明中匹配电路与其他各模块连接示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种支持负载识别的无线充电设备，如图1左侧虚线框所示，包括微控制器1、功率发射电路组2、线圈阵列3和多路复用器4，图1中右侧虚线框内的负载设备1至负载设备X(负载设备表示系统的正常负载，是接收功率进行充电的设备)，及金属异物对于整个系统(即支持多负载的无线充电设备)来讲均是负载，在整个系统运行时是可以不带负载的，即X可以为零。图1将负载做出示意是为了表示系统与其负载的相互关系，及系统负载可能包含的内容，其中金属异物的出现会带来安全隐患，因此属于运行过程中需要予以识别并排除的负载。

所述微控制器1连接功率发射电路组2，所述功率发射电路组2包括多个功率发射单元，其个数为N，所述微控制器1分别连接各功率发射单元，以实现对其的控制。所述线圈阵列3包括多个线圈，个数为M，其中N、M均未大于1的自然数，且N≤M。所述各功率发射单元通过多路复用器4连接各线圈阵列3中的线圈，所述多路复用器3连接微控制器1，所述微控制器1优选基于32-bit的MCU，通过微控制器1控制功率发射电路组2的功率发射单元与线圈阵列中线圈的匹配，实现相互的连通或断开。所述多路复用器4优选为单刀多掷开关组，即包含了多个单刀多掷开关，其个数取决于功率发射电路组2中功率发射单元的个数。本实用新型通过以上结构实现对负载的检测。

本实用新型中的线圈阵列3的结构示意图如图2所示，各线圈之间相互交叠的面积在30％～50％的范围内，线圈内半径交叠范围在20％～35％之间，且每个线圈与至少两个线圈有交叠。采用上述线圈结构，在相同驱动条件下，负载线圈在线圈阵列覆盖范围内的任意位置耦合系数偏差小于15％，无线充电动态控制设备于线圈阵列的外侧形成充电表面，不限制其具体形状，可以形成为矩形、圆形等各种形状，但其表面之下需被线圈阵列布置充满，以使功率接收设备可以放置于系统表面的任意位置。

单个线圈优选的实施方式为：由180股0.06mm直径漆包线绕线构成48.5mm外直径，25.3mm内直径，厚度2.0mm，单层11圈的单个线圈。

本实用新型中各功率发射单元均包含功率发射电路6(功率发射电路6采用当前主流的功率发射电路，优选基于IDT P9242芯片的方案)与一匹配电路5，所述功率发射电路6和匹配电路5均连接微控制器1。匹配电路5的结构如图4所示，所述匹配电路5连接功率发射电路6和多路复用器4，匹配电路5还连接微控制器1。所述匹配电路5通过电容与电感构成阵列的配置能够调整发射端的谐振频率，其具体结构不做限制，只要是电容、电感构成的可配置谐振网络均应在发明所述匹配电路范围之内。如图5所示，匹配电路5的输入端连接功率发射电路6的输出端，控制端连接微控制器1，由微控制器1调节其内部的连接关系，例如图5中连接电容的闭合/断开，匹配电路5的输出端连接多路复用器4。

本实用新型提供一种支持负载识别的无线充电设备其识别的原理在于，通过微控制器使能当前空闲的某一功率发射单元，使其与线圈阵列中未被占用的任一线圈相连，功率发射单元向该线圈发送几个短脉冲信号，检测短脉冲信号后一段时间内流过线圈的有效电流值，如果该值较空载时超出一定的阈值，则可以判断出该线圈带载。

由于短脉冲是连续的，以T_D为检测短脉冲信号周期，T_H为高电平持续时间，T_L为低电平持续时，T_D＝T_H+D_L；短脉冲信号的个数在6～18，高电平在5V～10V为目前选择的主要范围，周期T_D范围为2-10ms，T_H范围为200ns-1.5us。

在以上述单个线圈的实施方式以及各线圈之间相互交叠的面积45％左右，最优选择：8个连续T_D＝3.75ms，T_H＝375ns，高电平5V的短脉冲。

施加短脉冲信号的作用是功率发射单元通过线圈向外发射微量功率，如果有负载设备，这部分能量会传到负载设备的谐振网络。在短脉冲过后，负载设备的谐振网络会辐射存储的微量功率，辐射的功率在发射侧的线圈中生成电流。检测时间根据发射微量功率决定，一般小于1ms，检测电流的阈值同样是根据发射的微量功率决定的，阈值设定在uA量级，通常小于200uA。在短脉冲的优选方案中，合适的阈值范围在90uA±20uA。

微控制器通过控制多路复用器，使该功率发射单元采用上述方法对线圈阵列中的所有的空闲线圈采用上述A过程的方法进行遍历，则可以获得线圈阵列中各个线圈的带载情况。微控制器根据各个线圈电流有效值的记录，统计线圈带载的情况及线圈序号。通过带载线圈序号、线圈关联表及电流有效值的比对，识别负载个数、判断负载位置、与该负载耦合最好的线圈及其关联线圈。以上功能的实现可以依据选择现有的微控制器的成熟商业化产品加以实现。

所述微控制器优选基于32-bit的MCU，其具备处理中断、定时唤醒(即内置定时器)的功能，内部存储了功率发射电路组中包含的功率发射单元的个数、线圈阵列中线圈序号、线圈关联表；功率发射单元除了向负载进行功率传输的功能，还需具备发送中断以及与微控制器通信的能力；功率发射电路组通过由微控制器控制的多路复用器与线圈阵列相连，任一功率发射单元可以与阵列中任意未被占用的一个或多个线圈相连。

如图3所示，所述线圈关联表作为已知的参量，使用确定的线圈阵列之后，该关联表即为已知值。线圈关联表用于了解在某个线圈A在已经被使用的时候，附近的线圈如果开启会对线圈A负载的设备传输功率有大幅增加，所以微控制器能够需要根据目前线圈A的工作状况判断当传输功率不足的时候，开启关联的线圈就可以增加传输的功率。线圈关联表还可以用来判断当线圈A已经被使用的时候，关联的线圈应该被禁止进行负载检测，也禁止向线圈A负载的设备之外的其他负载设备进行功率传输，提高安全性。通过在微控制器中存储的负载异物阈值表，实现对异物的排除。

本实用新型具有的优点在于：

本实用新型提供的负载检测方法可以拓展用于排除异物；

本实用新型中每个功率发射单元均配有一个匹配电路，可以实现功率发射单元在功率传输过程对谐振频率的偏差的及时校正；

本实用新型中微控制器通过对线圈阵列的直接控制，对使用状态的记录和实时更新。

本实用新型减小系统识别负载、定位负载所需的时间，且无需辅助模块，功耗低，降低成本与复杂度，适于多负载应用的扩展。

本实用新型在系统运行初期即可对大部分异物进行有效排除，提高系统运行效率，增强了系统的安全性。

本实用新型能够快速准确判读负载个数及定位，需要增强磁场的时候，快速选择最合适的线圈。

本实用新型能够防止其它功率发射电路误连接与已占用线圈强关联的线圈，有效杜绝因已建立的发射-接受功率传输突变引发的安全隐患。

本实用新型能够避免功率发射电路对已知设备或异常设备进行反复的通信或功率传输，降低了系统功耗、节省了系统资源、提高了系统运行效率。

Claims (6)

1.一种支持负载识别的无线充电设备，其特征在于，包括微控制器、功率发射电路组、线圈阵列和多路复用器，所述微控制器连接功率发射电路组，所述功率发射电路组通过多路复用器连接线圈阵列，所述线圈阵列连接微控制器。

2.根据权利要求1所述的支持负载识别的无线充电设备，其特征在于，所述功率发射电路组包括多个功率发射单元，所述线圈阵列包括多个线圈，所述功率发射单元通过微控制器连接各线圈。

3.根据权利要求2所述的支持负载识别的无线充电设备，其特征在于，所述线圈阵列包括多个线圈，所述线圈之间相互交叠的面积在30％～50％之间，线圈内半径交叠范围在20％～35％之间，且每个线圈与至少两个线圈有交叠。

4.根据权利要求2所述的支持负载识别的无线充电设备，其特征在于，所述功率发射单元的个数为N，所述线圈的个数为M，其中N≤M。

5.根据权利要求2所述的支持负载识别的无线充电设备，其特征在于，所述功率发射单元包括功率发射电路和匹配电路，所述功率发射电路和匹配电路相连，所述功率发射电路和匹配电路均连接微控制器，所述匹配电路连接多路复用器。

6.根据权利要求1所述的支持负载识别的无线充电设备，其特征在于，所述多路复用器为单刀多掷开关组。