CN210468905U - 一种待机功耗小于0.3w的宽电压无线充电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电电路，包括供电电源端、本地振荡的电路、第一谐振回路、第一限流电阻；采用具有低待机电流的无线充电专用发射、接收芯片，结合无线接收端在电池充满电后切断充电负载电流的控制技术，母机与接收线圈、电容谐振回路共同构成充电电路，可给锂电池、镍氢电池充电电池提供恒流充电，通过CPU检测电池电压变化并在达到设定的充电电压后关断无线充电芯片以使发射器回复到接近空载的状态，实现无需带握手协议也可达到待机或充满电后发射器整机待机功耗小于0.3W的目标，具有低成本、充电电压及接近充满电时的涓流电流可任意调节的优点，广泛用于带锂电池、镍氢电池等充电电池的电子产品的无线充电。

Description

一种待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电电路

技术领域

本实用新型涉及电路设计领域，尤其是一种待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电电路。

背景技术

无线充电技术是利用充电发射器与母机之间采用电感线圈相互耦合、空中感应电磁场方式进行电能无线传递的新型充电方法，充电发射器与母机用电设备为分离式，具有非接触、无外露导电触点的安全不触电优点。无线充电有两类，一种是带协议的(如：自定义的握手协议、QI标准协议等)，这类无线充电产品发射与接收之间会以一定时间间隔自动相互通讯告知对方目前己方的充电电压状态，可实现待机状态(无母机靠近或母机充满电后通知发射端关断发射时)接近零功耗的功能，但需要数据的整形及编码/解码电路、发射功率自适应调节电路，电路复杂、价格较昂贵；另一种是不带协议的，但是因为无线充电的发射与接收电路之间没有相互通讯导致发射器一直处于较大电流的工作状态，待机功耗较大(一般都大于0.5W)，因此无法满足出口到特定国家与地区的0.3W待机功耗要求。

另外，对于镍氢电池来说，现阶段少有适合镍氢电池的无线充电专用芯片，目前的无线充电专用芯片基本都是为锂电池而设计，充电电压及接近充满电时的涓流充电电流不可调节。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题。为此，本实用新型的目的是提供一种待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电发射电路及充电电路，能够实现低成本及充电电压与接近充满电时的涓流电流都可任意调节的目的，使之既可适用于锂电池也可适用于镍氢电池的充电控制与管理。

本实用新型所采用的技术方案是：

第一方面，本实用新型实施例提供一种待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电发射电路，该待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电发射电路包括：

供电电源端，用于接入供电电源；

本地振荡的电路，所述本地振荡的电路包括无线充电发射芯片及其外围电路，所述本地振荡的电路用于产生发射信号；

第一谐振回路，所述谐振回路的输入端与所述本地振荡的电路输出端连接，所述第一谐振回路对本地振荡电路产生的发射信号进行谐振放大，并发射出去；

第一限流电阻，所述限流电阻分别与无线充电发射芯片和第一谐振回路连接；

所述供电电源端的电压值为5V，第一限流电阻的阻值为3.9Ω～10Ω，第一谐振回路的谐振频率可调范围为120KHz～170KHz。

进一步地，所述无线充电发射芯片采用SGD5020芯片，所述无线充电发射芯片包括INR1引脚、INR2引脚和INC引脚、SW引脚，所述本地振荡电路还包括第一电阻、第二电阻和第四电容，所述第一电阻、第二电阻和第四电容一端分别连接所述无线发射芯片的INR1引脚、INR2引脚和INC引脚，所述第一电阻、第二电阻和第四电容的另一端共同接地。

进一步地，所述第一谐振回路包括第三电容与发射线圈，所述发射线圈并联在第三电容两端；所述第三电容一端连接所述无线发射芯片的SW引脚，另一端连接第二电容一端。

进一步地，所述限流电阻一端连接所述无线充电发射芯片的VDD引脚，另一端连接第三电容一端，所述限流电阻还连接第二电容一端，所述第二电容另一端接地。

进一步地，还包括供电滤波电容，所述供电滤波电容一端连接电源，另一端接地；还包括第一二极管，所述第一二极管阴极连接所述无线充电发射芯片的SW引脚，所述第一二极管阳极接地。

第二方面，本实用新型实施例提供一种待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电电路，该待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电接收电路包括前述充电发射电路，所述接收电路包括：

充电电池接入端；

充电芯片；

第二谐振回路，所述第二谐振回路用于接收所述所充电发射电路的交变电磁场；

半波整流滤波回路，所述半波整流滤波回路与第二谐振回路的输出端连接；

电池电压检测电路，所述电池电压检测电路一端连接充电芯片；

进一步地，所述第二谐振回路包括接收线圈与第五电容，所述接收线圈与所述第五电容并联。

进一步地，所述半波整流滤波回路包括第二二极管和第六电容，所述第二二极管和第六电容之间设置第三限流电阻，所述第六电容一端与稳压管和第五电阻并联，所述第五电阻连接第二限流电阻。

进一步地，所述电池电压检测电路包括第八电容、第九电阻、第十电阻和第十一电阻，所述第九电阻一端连接充电电池接入端，并与所述第十电阻串联，第十电阻串联接地，所述第九电阻和第十电阻之间连接第十一电阻，所述第十一电阻一端连接第八电容，所述第八电容另一端接地。

进一步地，还包括第七电阻和第八电阻，所述第七电阻一端连接充电芯片，另一端输出充电开关控制信号，所述第七电阻的另一端还连接第八电阻一端，第八电阻另一端连接供电端。

本实用新型的有益效果是：

实用新型采用具有低待机电流的无线充电专用发射、接收芯片，结合无线接收端在电池充满电后切断充电负载电流的控制技术，实现了无需握手协议的专用昂贵芯片也可以将待机功耗控制在小于0.3W的节能目标，大大降低了成本；母机与接收线圈、电容谐振回路共同构成充电电路，可给充电电池提供恒流充电，同时通过CPU设定充电电压及检测电池电压变化，并在充满电后关断充电芯片，实现了充电电池的充电电压可调功能，使之可适用于锂电池及镍氢电池的恒流充电，本实用新型可提供给充电电池大约80mA～120mA的无线恒流充电电流(具体视无线充电距离及线圈大小而定)，可广泛适用于带锂电池、镍氢电池等充电电池的电子产品无线充电。

附图说明

图1是本实用新型实施例的无线充电发射电路示意图；

图2是本实用新型实施例的无线充电接收电路示意图。

附图标记说明：

L1～发射线圈，L2～接收线圈，IC1～无线发射芯片，IC2～充电芯片，C1～供电滤波电容，C2～第二电容，C3～第三电容，C4～第四电容，C5～第五电容，C6～第六电容，C7～第七电容，C8～第八电容，R1～第一电阻，R2～第二电阻，R3～第一限流电阻，R4～第三限流电阻，R5～第五电阻，R6～第二限流电阻，R7～第七电阻，R8～第八电阻，R9～第九电阻，R10～第十电阻，R11～第十一电阻，D1～第一二极管，D2～第二二极管，ZD1～稳压管。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一：

参阅图1，本实用新型提供一种待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电发射电路，该待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电发射电路包括

供电电源端，用于接入供电电源；

本地振荡的电路，所述本地振荡的电路包括无线充电发射芯片IC1及其外围电路，所述本地振荡的电路用于产生发射信号；该本地振荡电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和第四电容C4，所述第一电阻R1、第二电阻R2和第四电容C4一端分别连接所述无线发射芯片IC1的INR1引脚、INR2引脚和INC引脚，所述第一电阻R1、第二电阻R2和第四电容C4的另一端共接。

第一谐振回路，所述谐振回路的输入端与所述本地振荡的电路输出端连接，所述第一谐振回路对本地振荡电路产生的发射信号进行谐振放大，并发射出去；所述第一谐振回路包括第三电容C3与发射线圈，所述发射线圈L1并联在第三电容C3两端。

第一限流电阻R3，所述第一限流电阻R3分别与无线充电发射芯片IC1和谐振回路连接；所述第一限流电阻R3一端连接所述无线充电发射芯片IC1的VDD引脚，另一端连接第三电容C3一端，所述第一限流电阻还连接第二电容C2一端，所述第二电容C2另一端接地。

所述供电电源端的电压值为5V，第一限流电阻的阻值为3.9Ω～10Ω，第一谐振回路的谐振频率可调范围为120KHz～170KHz。

还包括供电滤波电容C1，所述供电滤波电容C1一端连接电源，另一端接地；还包括第一二极管D1，所述第一二极管D1阴极连接所述无线充电发射芯片IC1输出端，所述第一二极管D1阳极接地。

在本实施例中，所用的供电电源为外接的输出DC5Ⅴ/200mA以上的宽电压开关电源或电源适配器，它将输入AC85Ⅴ～AC265V电压范围内的交流电转换成直流5Ⅴ低压给发射电路供电。无线发射芯片IC1为低功耗的无线充电专用发射芯片，第一电容C1为它的供电滤波电容，无线发射芯片IC1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电容C3、第四电容C4、第一二极管D1、发射线圈L1构成无线充电的发射电路，第二电容C2为LC谐振回路的供电滤波电容，第一电阻R1为偏置电阻，第二电阻R2、第四电容C4与无线发射芯片IC1构成产生本地振荡的电路，发射频率f＝1/(2.7×R2×C4)，调节第二电阻R2、第四电容C4，可以调节发射频率。

在本实施例中，发射线圈L1、第三电容C3组成谐振回路，与无线发射芯片IC1内部的高电压低内阻N沟道功率MOSFET管构成放大电路，对本地振荡的小信号进行谐振放大，并通过发射线圈L1发射出去。第一二极管D1用于保护芯片内部的MOSFET功率管不至于反向击穿。第二电容C2、第一限流电阻R3、第五电容C5构成防自激供电电路，以确保5V供电端的稳定，避免上电时芯片产生其他杂乱频率的自激振荡而电流失控。

在本实施例中，无线发射芯片IC1为型号SGD5020，可在供电DC5V～15V正常工作，供电电压越高，相应的无线充电电流及待机电流也越大，但为了实现发射器待机功耗小于0.3W的目标，应选择DC5V供电，在第一限流电阻R3＝3.9Ω～10Ω、第一谐振回路中发射线圈L1＝20uH、第三电容C3＝20nF条件下，发射电路在没有母机靠近时的待机电流约为5V/20mA，有母机靠近充电时充满电后的待机电流约为5V/24mA，考虑到开关电源的能量转换效率约为75％～80％，发射电路待机功耗映射到开关电源输入端的最大待机功耗＝(5V×24mA)÷75％＝0.16W。

在本实施例中，第一电阻R1取值为10K，第二电阻R2取值为30K±1％，第四电容C4选用100P±5％/50V的NPO贴片电容，以确保振荡频率的稳定性，此时的振荡频率约为125KHz～130KHz。

第一限流电阻R3取值需不小于3.9Ω，否则会导致发射电流产生自激，其取值大小也会直接影响发射功率及无线充电电流，但不会影响发射电路的待机功耗，优选地，R3取值为4.7Ω或5.1Ω、1/4W。

在本实施例中，如果要减小无线充电电流，最简单有效的办法就是调大第一限流电阻R3限流电阻直至10Ω，以减少发射线圈L1、第三电容C3谐振回路的励磁电流，同时，可调节发射线圈L1、第三电容C3谐振回路的电容或电感量参数，但不可失谐过于严重而导致芯片发热。第二电容C2、第五电容C5滤波电容取10uF/25V，第一二极管D1可选1N5819W等肖特基快速二极管。发射线圈L1为多股绕线线圈或工字绕线电感，电感量优选为20uH，采用带导磁片的线圈比不带导磁片的线圈具有更高的能量转换效率及更大些的无线充电电流，但不会改变发射电路的待机功耗大小。第三电容C3为谐振电容，优选地，第三电容C3选用损耗小、热稳定性好的NPO贴片电容或涤纶电容、CBB薄膜电容，对于L1＝20uH，第三电容C3推荐取20nF±5％/100V，可以用2个10nF/100V电容并联，以与发射线圈L1共同构成谐振并获得最大的发射效率与最小的待机电流。

实施例二：

请参阅图2，本实用新型还一种待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电接收电路，包括前述充电发射电路，所述接收电路包括：

充电电池接入端；

充电芯片；

第二谐振回路，所述第二谐振回路用于接收所述所充电发射电路的交变电磁场；该第二谐振回路包括接收线圈L2与第五电容C5，所述接收线圈L2与所述第五电容C5并联。

半波整流滤波回路，所述半波整流滤波回路与第二谐振回路的输出端连接；所述半波整流滤波回路包括第二二极管D2和第六电容C6，所述第二二极管D2和第六电容C6之间设置第三限流电阻R4，所述第六电容R6依次与稳压管ZD1和第五电阻R5并联，所述第五电阻R5连接第二限流电阻R6。

电池电压检测电路，所述电池电压检测电路一端连接充电芯片IC2；所述电池电压检测电路包括第八电容C8、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11，所述第九电阻R9一端连接充电电池接入端，并与所述第十电阻R10串联，第十电阻R10串联接地，所述第九电阻R9和第十电阻R10之间连接第十一电阻R11，所述第十一电阻R11一端连接第八电容R8，所述第八电容R8接地。

还包括第七电阻R7和第八电阻R8，所述第七电阻R7一端连接充电芯片的CHS1引脚，另一端输出充电开关控制信号，所述第七电阻R7的另一端还连接第八电阻R8一端，第八电阻R8另一端连接电源。

在本实施例中，接收线圈L2、第五电容C5构成第二谐振回路，用于接收从无线发射器所发射的交变电磁场，调节第五电容C5可以调节所接收的能量及无线充电电流大小，当接收线圈L2、第五电容C5谐振于与发射的电磁场相同频率时，无线充电电流达到最大。

在本实施例中，由于CPU待机时需要设置为休眠状态以达到省电目的，当开始无线充电时需要将CPU唤醒以随时检测充电电池电压并控制充电芯片IC2的开与关，为此，采用第二二极管D2、第六电容C6组成的半波整流滤波回路并经第三限流电阻R4限流后给稳压管ZD1供电，之后经第二限流电阻R6送CPU的I/O口以唤醒CPU。稳压管ZD1用以防止输入电压过高而击穿损坏CPU的充电检测I/O口。

在本实施例中，第五电容R5与稳压管ZD1并联，可以确保在母机从无线发射器移离后能迅速给C6放电以恢复低电平发送CPU的充电检测I/O口检测，让CPU再次进入待机时的休眠省电状态。当母机靠近正在工作的无线充电发射器时，稳压管ZD1两端可获得稳压的高电平给CPU的充电检测I/O口检测，以唤醒CPU正常工作及点亮充电指示灯。

在本实施例中，充电芯片IC2为型号为SGD5142专用充电管理芯片，内部集成有将交流转为直流的高压整流电路及恒流充电控制电路，其第7脚(即VCHG脚)为供电输入端，直接与接收线圈的交流谐振回路相连，可耐-15V～+18V电压。第6脚(即VDD脚)为充电输出端，第2脚为GND接地端。第4脚(即CHS1脚)为使能控制端，接高电平时开启充电输出，悬空或接低电平时则关断充电输出，输出关断时的充电芯片IC2静态耗电小于6.5uA。SGD5142有主、从两种充电使用模式，第一种是第5脚CHS2端接电阻及LED串联到地的主机工作模式(芯片自主控制充电结束)，当电池电压低于2.7V或大于4.15V时涓流充电，2.7V～4.15V时正常恒流充电，充电到4.2V是结束充电。本实施例采用的是在第5脚CHS2端直接接地的第二种从机工作模式(靠CPU输出高低电平来控制芯片的充电工作或结束)，充电结束电压可通过CPU在3.1V～5V范围内任意设定，电池电压小于3.1V时涓流充电，3.1V至设定电压范围内正常恒流充电，CPU检测电池电压达到设定的电压值后输出低电平给SGD5142充电芯片第4脚CHS1控制端，强制结束充电，也可由CPU在接近充满电时输出一定占空比的PWM高低电平来实现对充电电池的涓流充电直至达到充电结束电压。

在本实施例中，当充电电池没电或电压低于3.1V时，充电芯片IC2第4脚(即CHS1脚)使能控制端自动失效，不管该脚是接高电平还是悬空或接地，充电芯片IC2均可自动进入涓流充电输出状态，此功能用于解决充电电池没电时CPU无法输出高电平来开启充电芯片IC2充电输出的问题。当充电电池电压大于或等于3.1V时，CPU输出高电平给充电芯片IC2的使能控制端，以开启正常充电；当充电电池电压达到设定值时，CPU输出低电平给充电芯片IC2的使能控制端，以关断充电芯片IC2，使接收端及发射器都处于最低的待机功耗状态。第八电阻R8为充电芯片IC2使能控制端的上拉电阻，第七电阻R7为限流电阻保护使能控制脚，第七电容C7为充电芯片IC2充电输出电压的滤波电容，与充电电池并联。

在本实施例中，第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第八电容C8组成电池电压检测电路，第九电阻R9、第十电阻R10为分压电阻，第十一电阻R11与第八电容C8构成阻容滤波回路，以使进入CPU的A/D口电压检测更准确。

在本实施例中，L2为无线充电的接收线圈，采用单股绕线，电感量优选为20uH。第五电容C5为谐振电容，优选地，第五电容C5取值47nF±5％/50V，必须采用NPO贴片电容，以将待机功耗降至最低，并与接收线圈L2谐振以获得最大充电电流。第二二极管D2为整流二极管，选用1N5819W，第三限流电阻R4取值选1K，以便将稳压二极管ZD1的静态耗电控制在0.5mA～1mA范围内，使发射电路因此而增大的待机电流值控制在2mA以内，尽量减小对发射电路待机功耗的影响，R4取值也不可过大，以免流过稳压管的电流太小导致稳压值偏低而产生误判。第六电容C6选1uF/25V，稳压二极管ZD1选4.3V、0.5W，以保护输入到CPU的电压不会太高而击穿I/O口。

第五电阻R5为放电电阻，选值为4.7K，第二限流电阻R6选值为2K，第七电阻R7选值为1K，第八电阻R8为上拉电阻，选值为4.7K～10K。如CPU的I/O口内部有设上拉，也可省略第八电阻R8。

在本实施例中，第九电阻R9、第十电阻R10选220K±1％的精密电阻，取值不可过小以免增大电池的待机耗电。第十一电阻R11选1K～2.2K，第八电容C8选100nF/50V，第七电容C7选10uF/16V。

在本实施例中，为了达到待机功耗小于0.3W的目标，考虑到本实施例的无线充电电路在母机充满电后关断充电芯片时的无线发射电路待机功耗已达到5V/24mA(0.12W)以及开关电源自身的转换效率问题，以及给电池的充电电流必须达到80mA～120mA的要求，给本实施例SGD5020无线充电发射电路供电的宽电压开关电源或电源适配器必须是输入AC85V～AC265V、输出DC5V，自身待机功耗应不得大于0.12W，带负载能力需要不低于5V/200mA，优选OB2222M非隔离开关电源等具有超低待机功耗的宽电压开关电源供电方案。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电发射电路，其特征在于，包括：

供电电源端，用于接入供电电源；

本地振荡的电路，所述本地振荡的电路包括无线充电发射芯片，所述本地振荡的电路用于产生发射信号；

第一谐振回路，所述谐振回路的输入端与所述本地振荡的电路输出端连接，所述第一谐振回路对本地振荡电路产生的发射信号进行谐振放大，并发射出去；

第一限流电阻，所述限流电阻分别与无线充电发射芯片和第一谐振回路连接；

所述供电电源端的电压值为5V，第一限流电阻的阻值为3.9Ω～10Ω，第一谐振回路的谐振频率可调范围为120KHz～170KHz。

2.根据权利要求1所述待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电发射电路，其特征在于：所述无线充电发射芯片包括INR1引脚、INR2引脚和INC引脚、SW引脚，所述本地振荡电路还包括第一电阻、第二电阻和第四电容，所述第一电阻、第二电阻和第四电容一端分别连接所述无线充电发射芯片的INR1引脚、INR2引脚和INC引脚，所述第一电阻、第二电阻和第四电容的另一端共同接地。

3.根据权利要求1所述待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电发射电路，其特征在于：所述第一谐振回路包括第三电容与发射线圈，所述发射线圈并联在第三电容两端；所述第三电容一端连接所述无线充电发射芯片的SW引脚，另一端连接第二电容一端。

4.根据权利要求2所述待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电发射电路，其特征在于：所述第一限流电阻一端连接所述无线充电发射芯片的VDD引脚，另一端连接第三电容一端，所述限流电阻还连接第二电容一端，所述第二电容另一端接地。

5.根据权利要求1至3任一项所述待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电发射电路，其特征在于：还包括供电滤波电容，所述供电滤波电容一端连接供电电源端，另一端接地；还包括第一二极管，所述第一二极管阴极连接所述无线充电发射芯片的SW引脚，所述第一二极管阳极接地。

6.一种待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电电路，包括如权利要求1至5任一项所述充电发射电路，其特征在于，还包括接收电路，所述接收电路包括：

充电电池接入端；

充电芯片；

第二谐振回路，所述第二谐振回路用于接收所述充电发射电路的交变电磁场；

半波整流滤波回路，所述半波整流滤波回路与第二谐振回路的输出端连接；

电池电压检测电路，所述电池电压检测电路一端连接充电芯片。

7.根据权利要求6所述待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电电路，其特征在于：所述第二谐振回路包括接收线圈与第五电容，所述接收线圈与所述第五电容并联。

8.根据权利要求6所述待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电电路，其特征在于：所述半波整流滤波回路包括第二二极管和第六电容，所述第二二极管和第六电容之间设置第三限流电阻，所述第六电容一端与稳压管和第五电阻并联，所述第五电阻连接第二限流电阻。

9.根据权利要求6所述待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电电路，其特征在于：所述电池电压检测电路包括第八电容、第九电阻、第十电阻和第十一电阻，所述第九电阻一端连接充电电池接入端，并与所述第十电阻串联接地，所述第九电阻和第十电阻之间连接第十一电阻，所述第十一电阻一端连接第八电容，所述第八电容另一端接地。

10.根据权利要求6所述待机功耗小于0.3W的宽电压无线充电电路，其特征在于：还包括第七电阻和第八电阻，所述第七电阻一端连接充电芯片，另一端输出充电开关控制信号，所述第七电阻的另一端还连接第八电阻一端，第八电阻另一端连接供电电源端。

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