CN211063419U - 基于磁共振的无线充电装置及充电自动断电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于磁共振的无线充电装置,包括供能电路和负载电路，供能电路和负载电路之间通过谐振体连接，谐振体为谐振电路，负载电路对负载进行供电；谐振体包括首端谐振体、末端谐振体和中间谐振体，中间谐振体的线圈利用自身的分布电容使自身谐振频率达到整个无线充电装置的谐振频率，实现增大能量的传输距离。在负载电路与负载之间设有USB接口的充电自动断电系统，充电自动断电系统包括取样电路、开关电路与单片机以及自动唤醒电路。本实用新型还公开了充电自动断电系统。本实用新型可以实现充电自动断电，设备没有充电时处于休眠状态，对设备起到了保护作用，对于负载来说，也减少时间过充现象，利于其使用寿命的延长。

Description

基于磁共振的无线充电装置及充电自动断电系统

技术领域

本实用新型涉及无线充电装置的技术领域，具体涉及一种基于磁共振的无线充电装置及充电自动断电系统的技术。

背景技术

一般目前，市场出售的无线充是电磁感应型，充电距离受到很大限制，和充电板的距离基本都不能离的很远，同时充电的功率也不是很大。

现有的无线充电技术主要有：①电磁感应耦合技术：通过相对很直接的接触来进行能量传输，尤如把机器放在一个垫子上就能进行充电。电磁感应是基于主线圈产生主磁场，二次线圈要处于这一磁场之中，所以使得传输距离非常有限。在较大距离下，这种非共振、非辐射耦合传输效率非常低，能量损耗严重。②磁场共振技术：当两个物体在同一频率实现共振时，将实现能量的无线传输。③基于微波或光波的辐射技术：通过某种独特的接收器接收空气中尚未散失的辐射能量，并将其转换成电能，储存在电池中，目前，除了太阳能辐射的热能之外，由于损耗大、效率低制约了其应用。这三种基于不同原理的技术在传输距离上分别对应近、中和远距离。例如中国专利申请号：201810108221.9，该专利没有涉及充电自动断电系统，因此存在缺陷，不能很好地保护设备。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种基于磁共振的无线充电装置及充电自动断电系统，能够实现充电自动断电功能。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现。

本实用新型基于磁共振的无线充电装置,包括供能电路和负载电路，所述供能电路和所述负载电路之间通过谐振体连接，所述谐振体为谐振电路，所述负载电路对所述负载进行供电；所述谐振体包括首端谐振体、末端谐振体和中间谐振体，所述首端谐振体将所述供能电路传来的电能转变成磁场能，并将磁场能传递给所述中间谐振体，所述中间谐振体通过谐振方式以高频磁场为媒介实现电能的中距离无线传输，且以电磁感应方式将能量传递给所述末端谐振体，所述末端谐振体将系统的磁场能转变成电能；所述中间谐振体的线圈利用自身的分布电容使自身谐振频率达到整个无线充电装置的谐振频率；

所述负载电路与负载之间设有USB接口的充电自动断电系统，所述充电自动断电系统包括USB接口电路、取样电路、开关电路与单片机以及自动唤醒电路，取样电路包括第四取样电阻、第二取样电阻，开关电路包括第一开关三极管，自动唤醒电路包括第三三极管，USB接口电路包括USB接口，USB接口的第1脚为负极脚，USB接口的第4脚为正极接VDD5V电源，USB接口的第2脚与第3脚连接，单片机的第1脚为电源正极脚，单片机的第2脚为IO输出口，单片机的第3脚为IO输入口，单片机的第14脚为电源负极脚，单片机的第13脚为AD模数功能脚；第四取样电阻与第二取样电阻并联连接，单片机的第2脚通过第二电阻连接第一开关三极管的基极，单片机的第13脚通过电阻第六电阻与第一开关三极管的发射极连接，单片机由VDD5V电源供电，所述第一开关三极管的集电极连接USB接口的第1脚，第一开关三极管的发射极还通过并联连接的第四取样电阻与第二取样电阻后接地，单片机的第3脚连接第三三极管集电极，第三三极管基极与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端连接USB接口的第1脚，第三三极管基极还通过第一三电阻接地，第三三极管发射极通过第一二电阻接地，所述负载接入USB接口时，第三三极管导通，把单片机的第三脚电平拉低，单片机检测到第三脚低电平，表示有所述负载接入；单片机第2脚给高电平到第一开关三极管的基极，第一开关三极管导通，给所述负载充电，单片机的第2脚提供给低电平，控制第一开关三极管关闭，停止给所述负载充电。

所述谐振体包括第一谐振体、第二谐振体、第三谐振体和第四谐振体，所述首端谐振体为第一谐振体，末端谐振体为第四谐振体，中间谐振体由第二谐振体与第三谐振体构成，所述第一谐振体采用小尺寸线圈将所述供能电路传来的电能转变成磁场能，第一谐振体将磁场能传递给所述第二谐振体；所述第三谐振体以电磁感应方式将能量传递给所述第四谐振体，所述第二谐振体与所述第三谐振体均为两个大尺寸线圈，两者通过谐振以高频磁场为媒介实现电能的中距离无线传输；所述第四谐振体为一个小尺寸线圈与所述负载电路相连，小尺寸线圈与大尺寸线圈表示的是所述第一谐振体、第四谐振体与所述第二谐振体、第三谐振体的线圈大小的相对比较。

所述第二谐振体通过第二反射阻抗、第一分布电容、第二等效串联电阻和第二等效电感串联组成闭合回路；所述第三谐振体通过第三反射阻抗、第二分布电容、第三等效串联电阻和第三等效电感串联组成闭合回路；所述第一谐振体包括第一补偿电容和第一等效电感，在所述第一补偿电容与第一等效电感之间依次串联有所述第一谐振体的第一等效串联电阻和第一反射阻抗，所述供能电路的等效电压源的一端连接所述第一谐振体的第一补偿电容，另一端连接所述第一谐振体的第一等效电感；所述第四谐振体包括第二补偿电容和第四等效串联电阻，在所述第二补偿电容和第四等效串联电阻之间还串联有第四谐振体的第四等效电感，所述负载电路的等效负载电阻的一端连接所述第四谐振体的第二补偿电容，另一端连接所述第四谐振体的第四等效串联电阻；所述第一反射阻抗为所述第二谐振体对所述供能电路的反射阻抗；所述第二反射阻抗为所述第三谐振体对所述第二谐振体的反射阻抗；所述第三反射阻抗为所述负载电路对所述第三谐振体的反射阻抗。

进一步来说，本实用新型充电自动断电系统，其特征在于：所述充电自动断电系统包括USB接口电路、取样电路、开关电路与单片机以及自动唤醒电路，取样电路包括第四取样电阻、第二取样电阻，开关电路包括第一开关三极管，自动唤醒电路包括第三三极管，USB接口电路包括USB接口，USB接口的第1脚为负极脚，USB接口的第4脚为正极接VDD5V电源，USB接口的第2脚与第3脚连接，单片机的第1脚为电源正极脚，单片机的第2脚为IO输出口，单片机的第3脚为IO输入口，单片机的第14脚为电源负极脚，单片机的第13脚为AD模数功能脚；第四取样电阻与第二取样电阻并联连接，单片机的第2脚通过第二电阻连接第一开关三极管的基极，单片机的第13脚通过电阻第六电阻与第一开关三极管的发射极连接，单片机由VDD5V电源供电，所述第一开关三极管的集电极连接USB接口的第1脚，第一开关三极管的发射极还通过并联连接的第四取样电阻与第二取样电阻后接地，单片机的第3脚连接第三三极管集电极，第三三极管基极与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端连接USB接口的第1脚，第三三极管基极还通过第一三电阻接地，第三三极管发射极通过第一二电阻接地，被充电设备接入USB接口时，第三三极管导通，把单片机的第三脚电平拉低，单片机检测到第三脚低电平，表示有被充电设备接入；单片机第2脚给高电平到第一开关三极管的基极，第一开关三极管导通，给被充电设备充电，单片机的第2脚提供给低电平，控制第一开关三极管关闭，停止给负载充电。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

本实用新型无线充电装置基于磁场共振耦合传能，可以克服电磁感应耦合和基于微波或光波辐射技术的无线能量传输的缺点，磁场会通过类似“隧道”的传能形式到达具有相同谐振频率的接收线圈。本实用新型无线充电系统可以随身随地、高效率的进行能量的传输，不但克服了电池能量对智能穿戴设备、水下设备的限制，还有效延长了智能穿戴设备、水下设备的续航时间需求。本实用新型无线充电装置由于加设了充电自动断电系统，因此可以实现充电自动断电，设备没有充电时处于休眠状态，对设备起到了保护作用，对于负载来说，也减少时间过充现象，利于其使用寿命的延长。

附图说明

图1为本实用新型充电自动断电系统USB接口电路结构示意图；

图2为本实用新型充电自动断电系统控制系统单片机电路结构示意图；

图3为本实用新型充电自动断电系统取样电路、开和关电路及自动唤醒电路电路结构示意图，其中开和关电路即开关电路；

图4为本实用新型充电自动断电系统中单片机的相关引脚示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明。

本实用新型基于磁共振的无线充电装置,包括供能电路和负载电路，所述供能电路和所述负载电路之间通过谐振体连接，所述谐振体为谐振电路，所述负载电路对所述负载进行供电；所述谐振体包括首端谐振体、末端谐振体和中间谐振体，所述首端谐振体将所述供能电路传来的电能转变成磁场能，并将磁场能传递给所述中间谐振体，所述中间谐振体通过谐振方式以高频磁场为媒介实现电能的中距离无线传输，且以电磁感应方式将能量传递给所述末端谐振体，所述末端谐振体将系统的磁场能转变成电能；所述中间谐振体的线圈利用自身的分布电容使自身谐振频率达到整个无线充电装置的谐振频率。谐振体包括第一谐振体、第二谐振体、第三谐振体和第四谐振体，所述首端谐振体为第一谐振体，末端谐振体为第四谐振体，中间谐振体由第二谐振体与第三谐振体构成，所述第一谐振体采用小尺寸线圈将所述供能电路传来的电能转变成磁场能，第一谐振体将磁场能传递给所述第二谐振体；所述第三谐振体以电磁感应方式将能量传递给所述第四谐振体，所述第二谐振体与所述第三谐振体均为两个大尺寸线圈，两者通过谐振以高频磁场为媒介实现电能的中距离无线传输；所述第四谐振体为一个小尺寸线圈与所述负载电路相连，小尺寸线圈与大尺寸线圈表示的是所述第一谐振体、第四谐振体与所述第二谐振体、第三谐振体的线圈大小的相对比较。

第二谐振体通过第二反射阻抗、第一分布电容、第二等效串联电阻和第二等效电感串联组成闭合回路；所述第三谐振体通过第三反射阻抗、第二分布电容、第三等效串联电阻和第三等效电感串联组成闭合回路；所述第一谐振体包括第一补偿电容和第一等效电感，在所述第一补偿电容与第一等效电感之间依次串联有所述第一谐振体的第一等效串联电阻和第一反射阻抗，所述供能电路的等效电压源的一端连接所述第一谐振体的第一补偿电容，另一端连接所述第一谐振体的第一等效电感；所述第四谐振体包括第二补偿电容和第四等效串联电阻，在所述第二补偿电容和第四等效串联电阻之间还串联有第四谐振体的第四等效电感，所述负载电路的等效负载电阻的一端连接所述第四谐振体的第二补偿电容，另一端连接所述第四谐振体的第四等效串联电阻；所述第一反射阻抗为所述第二谐振体对所述供能电路的反射阻抗；所述第二反射阻抗为所述第三谐振体对所述第二谐振体的反射阻抗；所述第三反射阻抗为所述负载电路对所述第三谐振体的反射阻抗。

本实用新型基于磁共振的无线充电装置的具体电路结构及其电路图，参照中国专利申请号：201810108221.9。

在负载电路与负载之间设有USB接口的充电自动断电系统。

如图1-图3，充电自动断电系统包括USB接口电路、取样电路、开关电路与单片机U8以及自动唤醒电路，取样电路包括第四取样电阻RJ4、第二取样电阻RJ2，开关电路包括第一开关三极管Q1，自动唤醒电路包括第三三极管Q3，USB接口电路包括USB接口。在图1中，USB接口的第1脚为负极脚，USB接口的第4脚为正极接VDD5V电源，USB接口的第2脚与第3脚连接；如图4，单片机U8的第1脚为电源正极脚，单片机U8的第2脚为IO输出口，单片机U8的第3脚为IO输入口，单片机U8的第14脚为电源负极脚，单片机U8的第13脚为AD模数功能脚即图中第13脚所示模拟输入，单片机U8型号为松翰单片机2711。在图2、图3中，第四取样电阻RJ4与第二取样电阻RJ2并联连接，单片机U8的第2脚通过第二电阻R2连接第一开关三极管Q1的基极，单片机U8的第13脚通过电阻第六电阻R6与第一开关三极管Q1的发射极连接，单片机U8由VDD5V电源供电，所述第一开关三极管Q1的集电极连接USB接口的第1脚，第一开关三极管Q1的发射极还通过并联连接的第四取样电阻RJ4与第二取样电阻RJ2后接地，单片机U8的第3脚连接第三三极管Q3集电极，第三三极管Q3基极与第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端连接USB接口的第1脚，第三三极管Q3基极还通过第一三电阻R13接地，第三三极管Q3发射极通过第一二电阻R12接地；负载接入USB接口时，第三三极管Q3导通，把单片机U8的第三脚电平拉低，单片机U8检测到第三脚低电平，表示有负载接入；单片机U8第2脚给高电平到第一开关三极管Q1的基极，第一开关三极管Q1导通，给所述负载充电，单片机U8的第2脚提供给低电平，控制第一开关三极管Q1关闭，停止给负载充电。

具体原理如下：

当负载如被充电设备手机接入系统USB时，由于VDD5V电压通过设备回路加到第九电阻R9一端，第九电阻R9另一端连第三三极管Q3基极，第三三极管Q3的发射结正偏，第三三极管Q3导通，第三三极管Q3集电极接U8第3脚，因此，第三三极管Q3导通后，把单片机U8的第三脚电平拉低，单片机U8检测到第3脚低电平，表示有负载手机接入；由于单片机U8第2脚通过第二电阻R2接第一开关三极管Q1的基极，单片机U8第2脚给高电平到第一开关三极管Q1的基极，这时第一开关三极管Q1导通，第一开关三极管Q1的发射极连接第四取样电阻RJ4与第二取样电阻RJ2接地，第一开关三极管Q1的集电极接USB的负极，这时就可以给设备充电，第四取样电阻RJ4与第二取样电阻RJ2与第一开关三极管Q1的连接处通过第六电阻R6连接单片机13脚(AD模数功能脚)即图中模拟输入，充电过程中，当单片机U8第13脚检测到第四取样电阻RJ4与第二取样电阻RJ2的取样电压低于0.01V，这时说明设备电量已充满，再充电10分钟后，单片机U8第二脚给低电平，控制第一开关三极管Q1关闭，停止给设备充电。

Claims (4)

1.一种基于磁共振的无线充电装置,包括供能电路和负载电路，所述供能电路和所述负载电路之间通过谐振体连接，所述谐振体为谐振电路，所述负载电路对所述负载进行供电；所述谐振体包括首端谐振体、末端谐振体和中间谐振体，所述首端谐振体将所述供能电路传来的电能转变成磁场能，并将磁场能传递给所述中间谐振体，所述中间谐振体通过谐振方式以高频磁场为媒介实现电能的中距离无线传输，且以电磁感应方式将能量传递给所述末端谐振体，所述末端谐振体将系统的磁场能转变成电能；所述中间谐振体的线圈利用自身的分布电容使自身谐振频率达到整个无线充电装置的谐振频率；其特征在于:所述负载电路与负载之间设有USB接口的充电自动断电系统，

所述充电自动断电系统包括USB接口电路、取样电路、开关电路与单片机以及自动唤醒电路，取样电路包括第四取样电阻、第二取样电阻，开关电路包括第一开关三极管，自动唤醒电路包括第三三极管，USB接口电路包括USB接口，USB接口的第1脚为负极脚，USB接口的第4脚为正极接VDD5V电源，USB接口的第2脚与第3脚连接，单片机的第1脚为电源正极脚，单片机的第2脚为IO输出口，单片机的第3脚为IO输入口，单片机的第14脚为电源负极脚，单片机的第13脚为AD模数功能脚；

第四取样电阻与第二取样电阻并联连接，

单片机的第2脚通过第二电阻连接第一开关三极管的基极，单片机的第13脚通过电阻第六电阻与第一开关三极管的发射极连接，单片机由VDD5V电源供电，所述第一开关三极管的集电极连接USB接口的第1脚，第一开关三极管的发射极还通过并联连接的第四取样电阻与第二取样电阻后接地，

单片机的第3脚连接第三三极管集电极，第三三极管基极与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端连接USB接口的第1脚，第三三极管基极还通过第一三电阻接地，第三三极管发射极通过第一二电阻接地，

所述负载接入USB接口时，第三三极管导通，把单片机的第三脚电平拉低，单片机检测到第三脚低电平，表示有所述负载接入；单片机第2脚给高电平到第一开关三极管的基极，第一开关三极管导通，给所述负载充电，单片机的第2脚提供给低电平，控制第一开关三极管关闭，停止给所述负载充电。

2.根据权利要求1所述的基于磁共振的无线充电装置，其特征在于:所述谐振体包括第一谐振体、第二谐振体、第三谐振体和第四谐振体，所述首端谐振体为第一谐振体，末端谐振体为第四谐振体，中间谐振体由第二谐振体与第三谐振体构成，

所述第一谐振体采用小尺寸线圈将所述供能电路传来的电能转变成磁场能，第一谐振体将磁场能传递给所述第二谐振体；所述第三谐振体以电磁感应方式将能量传递给所述第四谐振体，所述第二谐振体与所述第三谐振体均为两个大尺寸线圈，两者通过谐振以高频磁场为媒介实现电能的中距离无线传输；所述第四谐振体为一个小尺寸线圈与所述负载电路相连，小尺寸线圈与大尺寸线圈表示的是所述第一谐振体、第四谐振体与所述第二谐振体、第三谐振体的线圈大小的相对比较。

3.根据权利要求2所述的基于磁共振的无线充电装置，其特征在于:所述第二谐振体通过第二反射阻抗、第一分布电容、第二等效串联电阻和第二等效电感串联组成闭合回路；所述第三谐振体通过第三反射阻抗、第二分布电容、第三等效串联电阻和第三等效电感串联组成闭合回路；所述第一谐振体包括第一补偿电容和第一等效电感，在所述第一补偿电容与第一等效电感之间依次串联有所述第一谐振体的第一等效串联电阻和第一反射阻抗，所述供能电路的等效电压源的一端连接所述第一谐振体的第一补偿电容，另一端连接所述第一谐振体的第一等效电感；所述第四谐振体包括第二补偿电容和第四等效串联电阻，在所述第二补偿电容和第四等效串联电阻之间还串联有第四谐振体的第四等效电感，所述负载电路的等效负载电阻的一端连接所述第四谐振体的第二补偿电容，另一端连接所述第四谐振体的第四等效串联电阻；所述第一反射阻抗为所述第二谐振体对所述供能电路的反射阻抗；所述第二反射阻抗为所述第三谐振体对所述第二谐振体的反射阻抗；所述第三反射阻抗为所述负载电路对所述第三谐振体的反射阻抗。

4.一种充电自动断电系统，其特征在于：所述充电自动断电系统包括USB接口电路、取样电路、开关电路与单片机以及自动唤醒电路，取样电路包括第四取样电阻、第二取样电阻，开关电路包括第一开关三极管，自动唤醒电路包括第三三极管，USB接口电路包括USB接口，USB接口的第1脚为负极脚，USB接口的第4脚为正极接VDD5V电源，USB接口的第2脚与第3脚连接，单片机的第1脚为电源正极脚，单片机的第2脚为IO输出口，单片机的第3脚为IO输入口，单片机的第14脚为电源负极脚，单片机的第13脚为AD模数功能脚；

第四取样电阻与第二取样电阻并联连接，

单片机的第2脚通过第二电阻连接第一开关三极管的基极，单片机的第13脚通过电阻第六电阻与第一开关三极管的发射极连接，单片机由VDD5V电源供电，所述第一开关三极管的集电极连接USB接口的第1脚，第一开关三极管的发射极还通过并联连接的第四取样电阻与第二取样电阻后接地，

单片机的第3脚连接第三三极管集电极，第三三极管基极与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端连接USB接口的第1脚，第三三极管基极还通过第一三电阻接地，第三三极管发射极通过第一二电阻接地，

被充电设备接入USB接口时，第三三极管导通，把单片机的第三脚电平拉低，单片机检测到第三脚低电平，表示有被充电设备接入；单片机第2脚给高电平到第一开关三极管的基极，第一开关三极管导通，给被充电设备充电，单片机的第2脚提供给低电平，控制第一开关三极管关闭，停止给被充电设备充电。

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