無線充電發射器及無線充電裝置說明和原理

　　無線充電發射器及無線充電裝置說明

　　技術領域

　　本實用新型涉及一種無線充電發射器及無線充電裝置。

　　背景技術

　　無線充電技術是近年興起的新興技術，基於電磁感應原理的無線充電目前應用比較成熟。現在無線充電技術在電子消費類市場表現出巨大潛力，為無連接電源線的情況下給可攜式電子設備充電提供了一種便利的解決方案。市面上主要流行使用WPC聯盟的無線充電電源，其原理也是基於電磁感應原理，接收器向發射器反饋信息碼，調製方式為模擬及數字相結合的PING方式，輸出功率為5W，主要受電端為智慧型手機。然而針對平板等充電功率要求10W的電子設備，市面上並無相對成熟的產品。

　　並且，WPC聯盟無線充電技術有以下不足和限制：

　　（1）輸出功率小，只限於5W以下的小功率用電器；

　　（2）電力傳輸距離短（最大垂直距離為2CM），發射線圈與接收線圈距離加大時，反饋數據包可靠性降低； （3）數據包調製方式消耗功率大，影響輸出功率。

　　（4）使用額外的通信模塊（例如RFID、藍牙、Zigbee等）將受電端數據信息反饋回發射端，作為充電器而言，將大大增加研發成本，不利於產品化。

　　實用新型內容

　　針對現有技術不足和限制，本實用新型要解決技術問題是提供一種無線充電發射器及無線充電裝置，電力發射線圈及接收線圈兼作通信線圈，解決輸出功率小、電量垂直傳輸距離短、反饋數據編碼調製方式功耗大等不足。

　　本實用新型的技術方案是：

　　一種無線充電發射器，包括PWM脈衝發生器1、驅動電路、諧振發射電路、PPM解碼電路和電源電路；PWM脈衝發生器1、驅動電路和諧振發射電路依次連接；諧振發射電路通過PPM解碼電路與PWM脈衝發生器1的信號反饋端連接，所述PWM脈衝發生器1和驅動電路均與電源電路連接；

　　所述驅動電路包括全橋驅動晶片UBA2032T及全橋電路；驅動晶片用於對PWM脈衝發 生器1發出的驅動脈衝進行功率放大和電平變換，輸出兩對相位相差180度的驅動脈衝驅動全橋電路工作；

　　所述諧振發射電路包括發射線圈與諧振電容2；

　　所述PPM解碼電路包括依次連接的緩衝電路、信號放大電路、二階帶通濾波電路和滯回比較電路；

　　所述電源電路包括AC-DC變換電路和DC-DC供電電路，AC-DC變換電路的輸出端與DC-DC供電電路的輸入端連接，

　　所述AC-DC變換電路輸出電壓為全橋電路的上橋臂供電，

　　所述DC-DC供電電路為PWM脈衝發生器1供電。

　　進一步地，所述諧振發射電路還直接與PWM脈衝發生器1連接。PWM脈衝發生器1對發射線圈上的輸出交流電壓峰值進行採樣，並與其內已設定的基準值比較，自動調整PWM驅動脈衝頻率，進而調整發射功率；同時通過檢測交流峰值大小，可判斷無線充電發射源上是否有金屬異物。

　　進一步地，所述AC-DC變換電路直接由市電供電。

　　一種無線充電接收器，包括諧振接收電路、全橋整流電路、DC-DC轉換電路、電流傳感器、鋰電池、模擬採樣電路、PPM編碼電路（3）和PPM發射電路；諧振接收電路、全橋整流電路、DC-DC轉換電路、電流傳感器和鋰電池依次連接，模擬採樣電路輸入端與DC-DC轉換電路輸出端連接，模擬採樣電路輸出端和電流傳感器輸出端均與PPM編碼電路（3）連接，PPM編碼電路（3）和PPM發射電路連接，PPM發射電路輸出端與諧振接收電路連接；

　　所述諧振接收電路，包括接收線圈和諧振電容4；

　　進一步地，所述PPM發射電路包括高速光耦和開關MOS管，用於對PPM編碼電路3輸出的序列脈衝進行功率放大。

　　進一步地，所述全橋整流電路和PPM編碼電路3之間還連接有開關穩壓晶片NCP699。

　　一種無線充電裝置，其特徵在於，包括上述的無線充電發射器和上述的無線充電接收器，所述發射線圈與接收線圈以上下平行對齊方式放置，發射線圈與接收線圈同時為通信線圈。

　　模擬採樣電路和電流傳感器對充電電壓及電流進行採樣，PPM編碼電路3將採樣信號進行PPM編碼，形成序列脈衝，經過PPM發射電路輸出到無線充電接收器的接收線圈，從而將受電端充電信息反饋到無線充電發射器，無線充電發射器的PPM解碼電路對無線充電接收器的反饋數據包進行處理以使PWM脈衝發生器1能夠讀取並解碼。無線充電發射器根據反饋信號適時調整發射功率，提高充電效率。

　　若接收電路發生過流或者過壓狀況，接收器中的PPM編碼電路3向開關穩壓晶片NCP699發出關斷信號，接收器停止發送反饋信息，電量傳輸中斷。

　　以上功能的完成是基於本實用新型的硬體模塊。 有益效果：

　　1.電力傳輸線圈同時作為通信線圈，使用PPM編碼調製方式反饋充電信息【PPM是英文Pulse Position Modulation的縮寫，中文意思是脈衝位置調製，又稱脈位調製，其組成多為頭碼+脈衝數，PPM以其編碼方式簡單，使用方便而曾經被廣泛的使用在一些無線遙控系統中】，實現方式簡單、數據包反饋可靠、傳輸功率大、功耗低，支持近距離通信，發射線圈和接收線圈即使在上下對齊相距5CM仍能夠可靠通信。並能實現異物檢測及諧振功率自動調諧等功能，使電量高效傳輸，具有較高的實用性。

　　2.將AC-DC轉換模塊嵌在板子上，可直接從市電獲取電量，相比市面上供電方式為USB供電更方便可靠；採用全橋拓撲電路，以較小電壓獲得高發射功率；接收器採用高性能DC-DC轉換器，使輸出最大功率達15W。

　　3.本發明大大降低了生產成本，易於產品化。

　　具體實施方式

　　下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步說明。

　　如圖1所示，一種無線充電裝置，其特徵在於，包括無線充電發射器和無線充電接收器。無線充電發射器驅動電路以特定頻率激勵發射線圈，諧振發射線圈與串聯的諧振電容2產生LC諧振產生電磁波，所述無線充電接收器通過LC匹配電路接收電磁能量並通過DC-DC轉換電路向鋰電池充電。

　　進一步的，無線充電接收器的PPM編碼電路通過模擬採樣電路對輸出電壓及電流進行採樣，並將模擬信號組合編碼，生成的PPM信號將充電信息通過接收線圈向發射線圈通信，使無線充電發射器適時調整發射功率，提高充電效率。

　　如圖2所示，無線充電發射器包括AC-DC變換電路、DC-DC供電電路、驅動電路、PWM脈衝發生器1、PPM解碼電路及諧振發射電路。

　　PWM脈衝發生器1主要作用是：對發射線圈上的交流電壓峰值進行採樣，對PWM輸出 脈衝頻率進行微調，穩定諧振發射功率；對PPM解碼電路處理的信號進行脈衝位置調製數字解碼；通過PCA模塊輸出120kHZ的PWM驅動脈衝輸出至驅動晶片；通過檢測採樣輸出電壓峰峰值的高低，可判斷出發射底座上是否有金屬異物，若採樣峰值電壓高於正常預設峰值電壓範圍，則關斷PWM脈衝信號，進而停止充電。

　　AC-DC變換電路由AC-DC電源模塊及其外圍電路組成，主要完成如下功能：輸出15V直流電壓作為無線充電發射器主電壓，作用於全橋電路上橋臂，輸出功率為15W；為DC-DC供電電路供電。AC-DC電源模塊選用MinMAX公司的AKF-15S15。

　　DC-DC供電電路主要由5V供電模塊和3.3V供電模塊組成，其中，5V供電模塊作為PWM脈衝發生器1的PWM輸出信號的拉升電壓，且作為3.3V供電模塊的輸入電壓；3.3V模塊為PWM脈衝發生器1供電。5V供電模塊選擇TI公司的TPS54231D開關穩壓晶片，3.3V供電模塊選用AMS1117-3.3晶片。

　　驅動電路主要由全橋驅動晶片和全橋拓撲電路組成，主要完成如下功能：全橋晶片接收PWM脈衝發生器1的PWM驅動脈衝，對其電平進行轉換和功率放大，輸出兩路一定頻率、相位相差180度的PWM驅動脈衝，分別驅動全橋電路上下對角的功率MOS管。全橋拓撲電路輸出頻率為120kHZ、峰值為30V的交流正負方波。其中，全橋驅動晶片選用飛利浦公司的高功率驅動晶片UBA2032T。

　　諧振發射電路由諧振電容2及諧振發射線圈通過串聯諧振方式組成，主要完成以下功能：諧振電容2與發射線圈在交流正負方波激勵下產生諧振發送電磁波；發射線圈兼做通信線圈用。本實用新型中心工作頻率（即PWM脈衝輸出頻率）設定為120kHZ，電容與線圈按照進行參數匹配，LC諧振頻率為150kHZ。作為關鍵器件，電容選用高功率多層次諧振電容，線圈選用高品質電感線圈。

　　PPM解碼電路主要由緩衝電路、信號放大電路、二階帶通濾波電路、滯回比較電路組成。其工作原理：充電系統工作時，PPM解碼電路接收發射線圈上接收到的無線接收器發出的PPM調製信息先經由運放組成的射隨器緩衝輸出，然後經信號放大電路及二階帶通濾波電路進行放大和濾波，送入滯回比較器進行脈衝整形，將50kHZ的PPM調製信號轉化為PWM脈衝發生器1能夠讀取的脈衝信號。電路由一片四路運放LM324及其外圍器件構成。

　　如圖3所示，無線接收器：主要由LC諧振電路、全橋整流電路、DC-DC轉換電路、模擬採樣電路、電流傳感器、PPM編碼電路3及PPM發射電路組成。

　　接收器LC諧振電路中，諧振電容4與接收線圈以串聯方式連接，電容與線圈按照 進行參數匹配，參數匹配綜合考慮接收效率，作為關鍵器件，電容選用高 功率多層次諧振電容，線圈選用高品質電感線圈。

　　全橋整流電路由四個肖特基整流管SS39搭接而成，對感應電壓進行整流。

　　DC-DC轉換電路由開關穩壓晶片及其外圍電路組成，其主要功能如下：將全橋整流電路輸出的10V直流電壓斬波降壓至5V，並對鋰電池進行充電。考慮到平板鋰電池充電功率為10W，DC-DC開關穩壓晶片採用NS公司生產的LM2596-5，使接收器在正常充電情況下最大輸出功率為15W。

　　如圖3所示，模擬採樣電路對DC-DC轉換器輸出的5V電壓進行四路模擬採樣，四路採樣點均為經分壓後的輸出充電電壓，以提高採樣精度，利於編碼。採樣電壓經過RC低通濾波後輸入到PPM編碼電路，PPM編碼電路3對四路模擬電壓進行數字脈衝調製編碼（PPM），發出相應的脈衝序列，驅動PPM發射電路。具體原理為：PPM編碼電路3首先輸出一定寬度的幀同步脈衝，然後PPM編碼電路3對四路輸出模擬信號進行採樣，將四路模擬採樣值求平均，以提高採樣精度，並將求出的平均值進行A/D轉換。接著計數器進行減1運算，當計數器減到0時，PPM編碼電路3輸出PPM序列脈衝。解調依據於每個脈衝的相對位置，解調時只需判斷出PPM脈衝與同步脈衝之間時間間隔就可以得到數位訊號。PPM編碼電路3通過模擬採樣電路對輸出電壓進行採樣，當鋰電池電壓充滿後，PPM編碼電路3對NCP699發出關斷信號停止充電動作，以保護電池。

　　PPM發射電路由光耦及開關MOS管組成：高速光耦接收PPM編碼電路3發出的脈衝序列，並對脈衝序列進行電平功率放大驅動開關MOS管，開關管開漏輸出將反饋數據包通過接收線圈發送至無線充電發射器。

　　原理

       AirVolt 的發射器將電能轉換成一種無線電波，利用連接手機的接收裝置獲取電波，然後轉換成電能。

　　

　　並且，AirVolt還有一項獨家研發的「Smart Charging」技術。當手機電量低於20%時會自動開始充電，當電量到達80%時停止充電，以確保手機的使用安全和電池的工作壽命，超貼心有木有？

　　

　　不僅如此，AirVolt 還同時兼容ios與安卓系統。

　　

　　不過，AirVolt 還是有缺點的，相比有線充電，AirVolt 的無線充電效率較低。如果平時手機需要2.5小時才能充滿，那用AirVolt 可能需要3小時左右。

　　但這也是無線充電普遍存在的問題。換個角度想想如果可以邊充電邊玩，充電效率比較低這個缺點還是可以忽略的啦！

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