專利名稱：一種小型電子設備無線充電裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種小型電子設備無線充電裝置，尤其涉及一種新型的帶有充電/待機/過載/短路指示的高效率無線充電系統，可用于手機、MP3、MP4及照相機等小功率(5W 及以下)電子設備的無線充電，以實現在設計要求的距離范圍提供一定電壓及功率，為其充電或者供電。
背景技術：
無線充電是近幾年非常熱門的研究方向，從早期感應式的能夠無線充電的電動牙刷及電動剃須刀到后來能夠為手機充電的Powermat無線充電套裝。如今市面上已經有不少品牌的無線充電器，無論從充電功率、充電效率還是使用便捷性方面都有了較大的提高。 2010年9月1日，全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯盟在北京宣布將Qi無線充電國際標準率先引入中國，目前也與各大公司聯合推出了符合Qi標準的各類型的手機無線充電器。但是，這些產品的有效無線充電距離都很近(在Icm以內)，即要求待充電設備與發射裝置(即充電板)緊貼，并且輸出功率大多較之有線充電的輸出功率有一定差距。

發明內容
發明目的針對現有技術中存在的問題與不足，本發明提供一種結構簡單、效率較高的小型電子設備無線充電裝置。技術方案一種小型電子設備無線充電裝置，包括發射裝置和接收裝置；所述發射裝置主要包括外部晶振、分頻器、D類功放驅動芯片或互感耦合器、D類功放模塊、諧振濾波回路、發射線圈、電平轉換模塊、電平檢測模塊、控制模塊和預警裝置；所述的接收裝置主要包括接收線圈、接收端阻抗匹配網絡、整流濾波模塊及穩壓模塊；所述外部晶振發出的高頻信號經過分頻器分頻后被送入D類功放驅動芯片或互感耦合器以產生兩路反相(相位差180度)的方波信號來驅動D類功放模塊；所述D類功放模塊的供電電壓是直流電，其包括一對MOS管，所述一對MOS管由驅動芯片產生的方波信號分別驅動；D類功放模塊的輸出經過一個諧振濾波回路接地；所述諧振濾波回路包括一個發射線圈L，一組諧振電容Cl和一組退耦電容C2，退耦電容C2的大小和諧振電容Cl的大小相同；所述發射線圈L接在D類功放模塊的輸出端；所述電平檢測模塊用來檢測諧振濾波回路輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流；所述控制模塊根據輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流的大小來判別發射裝置是處于過壓狀態、過流狀態、短路狀態、有載狀態還是空載狀態，在異常狀態下控制模塊會自動發出控制信號，關閉D類功放驅動芯片的使能端，從而使D類功放模塊停止工作，防止電路工作狀態異常而損壞或引發事故；所述異常狀態為過壓狀態、過流狀態或者短路狀態；所述預警裝置在控制模塊的控制下用于表示小型電子設備無線充電裝置工作狀態，讓用戶隨時了解整個裝置的工作狀態；所述發射線圈通過共振耦合使得交流能量近乎無輻射地傳遞到接收線圈；由于發射線圈和接收線圈之間采用共振磁耦合，屬于近場耦合，發射線圈和接收線圈的輻射電阻很小以致可以忽略，因此能量幾乎全部被發射端耦合到接收端。所述接收線圈接收到的交流能量通過所述接收阻抗匹配網絡被送入整流濾波模塊；這里的阻抗匹配網絡作用是將經過整流濾波模塊和穩壓模塊之后的帶充電負載的阻抗變換到一個合適的值，使得接收線圈接收到的交流能量高效率地傳輸到待充電設備中。由于待充電設備需要一個恒壓直流電， 因此最后需要增加所述整流濾波模塊和穩壓模塊用于將接收線圈接收的交流能量變換為恒壓直流電。所述的D類功放模塊用于將直流供電轉換成交流的正弦波從而供給發射線圈L ； 其中D類功放模塊中的一對MOS管分別為第一場效應管Ql和第二場效應管Q2 ；D類功放模塊還包括驅動芯片產生的兩路驅動信號和諧振濾波回路；所述驅動芯片產生的兩路驅動信號為第一驅動信號和第二驅動信號；所述諧振濾波回路中的諧振電容Cl的大小等于1/ ω ，其中L是發射線圈L的電感量，ω是系統工作的角頻率；其中第一場效應管Ql的漏極經過一個小電阻(0. 001 Ω 0. 1 Ω)接直流供電Vcc，柵極接第一驅動信號，源極接第二場效應管Q2的漏極；所述第二場效應管Q2的柵極接第二驅動信號，源極接地；發射線圈L 一端接于第二場效應管Q2的漏極，另一端與諧振電容Cl相連；諧振電容Cl的另一端接地； 退耦電容C2 —端接在第一場效應管Ql的漏極，另一端接在發射線圈L與諧振電容Cl相連的點。所述發射線圈L、接收線圈及接收阻抗匹配網絡三個模塊組成網絡傳輸部分；定義效率最佳等效接收阻抗^qr為“當傳輸效率最大時從接收線圈向帶充電負載看過去的等效阻抗”，則χ = |(kM%/IX)aRpr + RtRpr2_ =
^ecrρIui^r iVeqr · i^ecr
\ ^t ·其中RL是接收負載電阻，k是發射線圈L和接收線圈之間的耦合系數，ω是整個無線能量傳輸裝置的工作角頻率，Lt是發射線圈L自感，Lr是接收線圈自感，Rpr是接收線圈寄生電阻，Rt是MOS管的導通電阻rDS、發射線圈L寄生電阻Rpt和電容的寄生電阻之和，Reqr是效率最佳等效接收電阻，Xeqr是效率最佳等效接收電抗，j是虛數單位。當效率最佳等效接收電阻Reqr等于接收負載電阻RL時，接收阻抗匹配網絡采用一元件的Bl型阻抗匹配網絡或B2型阻抗匹配網絡。當效率最佳等效接收電阻Reqr小于接收負載電阻RL時，接收阻抗匹配網絡采用兩元件的ALl型阻抗匹配網絡、AL2型阻抗匹配網絡、AL3型阻抗匹配網絡、及AL4型阻抗匹配網絡；三元件的APil型阻抗匹配網絡、APi2型阻抗匹配網絡、APi3型阻抗匹配網絡、APi4 型阻抗匹配網絡、ATl型阻抗匹配網絡、AT2型阻抗匹配網絡、AT3型阻抗匹配網絡、AT4型阻抗匹配網絡、及AT5型阻抗匹配網絡。當效率最佳等效接收電阻Reqr大于接收負載電阻RL時，接收阻抗匹配網絡采用兩元件的CLl型阻抗匹配網絡及CL2型阻抗匹配網絡；三元件的CPil型阻抗匹配網絡、 CPi2型阻抗匹配網絡、CTl型阻抗匹配網絡、CT2型阻抗匹配網絡、CT3型阻抗匹配網絡、及 CT4型阻抗匹配網絡。每種阻抗匹配網絡中的第一端口 Portl用于連接接收裝置的接收線圈；第二端口 Port2用于連接接收裝置的負載電阻RL。
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電平檢測模塊用來檢測諧振濾波回路輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流；其中諧振濾波回路電流和電壓檢測的電路，交流信號經過整流濾波后輸出的直流通過一個運算放大器組成的低通濾波器，輸出給控制模塊，控制模塊通過判定所獲取的電壓值的大小來判斷D類功放模塊的工作狀態；直流輸入電流檢測的電路通過檢測連接直流供電端Vcc和第一場效應管Ql之間的一個小電阻(0. 001 Ω 0. 1 Ω)兩端的壓降并進行放大從而得到輸入電流，再通過一個運算放大器組成的低通濾波器，輸出給控制模塊，控制模塊通過判定所獲取值的大小來判斷D類功放模塊的工作狀態；所述控制模塊為單片機來根據輸入電壓值來判定工作狀態并輸出使能信號，交流信號經過整流濾波后輸出的直流通過一個運算放大器組成的低通濾波器，輸出給單片機IO 口，單片機通過判定所獲取的電壓值的大小來判斷D類功放模塊的工作狀態。所述整流濾波模塊包括整流電路，所述整流電路包括二極管全橋整流、無橋pfc 整流和同步全橋整流方式；首先正弦波通過一個整流電路后變為半波，之后通過一個濾波電容將半波變為近似直流電平(此時仍有一定紋波)，近似直流電平經穩壓模塊輸出。由于從接收線圈接收到的是高頻正弦功率信號，而待充電設備負載需要一個恒壓直流電，因此需要一個整流濾波、穩壓模塊予以轉換。由于待充電設備需要一個不隨前端影響的恒定電壓的輸入，即當線圈距離或其他前端參數發生變化而造成直流電平上下波動時仍能保持恒定電壓輸出，因此需要一個穩壓模塊。所述整流濾波模塊和穩壓模塊為使用具有整流、濾波、穩壓功能的芯片。發射線圈L和接收線圈的背面加有磁性介質以防磁場對周圍的環境產生影響。所述報警裝置為指示燈和蜂鳴器。本發明提供的小型設備無線充電裝置將有效無線充電距離大大增加，可達到5cm， 即待充電設備和充電板相隔5cm時依然能進行有效地充電。通過調整D類功放、阻抗匹配網絡以及線圈的參數，可以方便地改變整個無線充電裝置在一定距離下的傳輸功率及傳輸效率，使得本發明可以靈活應用于各種小功率電子設備及各種應用場景中。同時本裝置帶有充電/待機指示功能及異常報警功能，當發射裝置沒有檢測到待充電設備時，會自動進入低功耗待機狀態；當待充電設備放在發射裝置上時，發射裝置會自動進入充電狀態為其提供電能。當有大面積金屬放置在其上時，發射裝置將會自動檢測，并關閉功放模塊以避免損壞元器件(同時也避免了金屬發熱而引發事故)。此時，異常指示及蜂鳴器會啟動以提醒用戶。有益效果與現有技術相比，本發明具有如下優點1)結構簡單，應用廣泛。因為本發明所采用的元器件都很常見，并且整個系統框圖思路清晰、結構簡單，因此無需修改結構，只需要更換不同的元件參數便可以廣泛地應用于任何小型電子設備的無線充電領域。2)遠距離和高效率之間的可調性。本發明擁有比現有產品在更遠距離下進行有效傳輸的優良特性，在近距離時又具有高效率傳輸特性。同時，簡單地調整網絡傳輸部分各元件的參數便可以在近距離高效傳輸和遠距離有效傳輸之間靈活選擇。3)大功率輸出。本發明可以提供5V/1A的功率輸出，達到了有線式充電的輸出功率，充電時間與有線式充電相同。4)安全無輻射。由于本裝置的核心部分，即網絡傳輸部分采用共振磁耦合，能量幾乎無輻射地從發射線圈傳遞到接收線圈，另外，我們在發射線圈和接收線圈的背面加上了一塊軟磁介質，極大地減小了磁場對周圍的環境產生的影響。同時，由于采用的頻率低，因此對人體安全無影響。


圖1為本發明實施例的系統框圖；圖2為本發明實施例采用的D類功放電路圖；圖3為本發明實施例的網絡傳輸部分結構示意圖；圖如為Bl型阻抗匹配網絡電路圖；圖4b為Bl型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻 RL過程的史密斯圓圖；圖如為Bl型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖fe為本發明的B2型阻抗匹配網絡電路圖；圖恥為B2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻 RL過程的史密斯圓圖；圖5c為B2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖6a為本發明的ALl型阻抗匹配網絡電路圖；圖6b為ALl型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻 RL過程的史密斯圓圖。圖6c為ALl型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖7a為本發明的AL2型阻抗匹配網絡電路圖；圖7b為AL2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻 RL過程的史密斯圓圖；圖7c為AL2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖。圖為本發明的AL3型阻抗匹配網絡電路圖；圖8b為AL3型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻 RL過程的史密斯圓圖；圖8c為AL3型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖9a為本發明的AL4型阻抗匹配網絡電路圖；圖9b為AL4型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻 RL過程的史密斯圓圖；圖9c為AL4型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖IOa為本發明的APil型阻抗匹配網絡電路圖IOb為APil型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖IOc為APil型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖Ila為本發明的APi2型阻抗匹配網絡電路圖；圖lib為APi2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖Ilc為APi2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖12a為本發明的APi3型阻抗匹配網絡電路圖；圖12b為APi3型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖12c為APi3型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖13a為本發明的APi4型阻抗匹配網絡電路圖；圖1 為APi4型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖13c為APi4型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖14a為本發明的ATl型阻抗匹配網絡電路圖；圖14b為ATl型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖Hc為ATl型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖15a為本發明的AT2型阻抗匹配網絡電路圖；圖15b為AT2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖15c為AT2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖16a為本發明的AT3型阻抗匹配網絡電路圖；圖16b為AT3型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖16c為AT3型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖17a為本發明的AT4型阻抗匹配網絡電路圖；圖17b為AT4型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖17c為AT4型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖18a為本發明的AT5型阻抗匹配網絡電路圖；圖18b為AT5型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖18c為AT5型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖19a為本發明的CLl型阻抗匹配網絡電路圖；圖19b為CLl型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖19c為CLl型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖20a為本發明的CL2型阻抗匹配網絡電路圖；圖20b為CL2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖20c為CL2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖21a為本發明的CPil型阻抗匹配網絡電路圖；圖21b為CPil型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖21c為CPil型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖22a為本發明的CPi2型阻抗匹配網絡電路圖；圖22b為CPi2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖22c為CPi2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖23a為本發明的CTl型阻抗匹配網絡電路圖；圖2 為CTl型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖。圖23c為CTl型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖2 為本發明的CT2型阻抗匹配網絡電路圖；圖24b為CT2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖2 為CT2型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖25a為本發明的CT3型阻抗匹配網絡電路圖；圖2 為CT3型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖25c為CT3型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖^a為本發明的CT4型阻抗匹配網絡電路圖；圖^b為CT4型阻抗匹配網絡將效率最佳等效接收電阻Reqr匹配到接收負載電阻RL過程的史密斯圓圖；圖26c為CT4型阻抗匹配網絡將效率最佳等效發射電阻Reqt匹配到功率源最佳負載電阻RS過程的史密斯圓圖；圖27為本發明中所采用的諧振濾波回路電流檢測模塊電路圖；圖觀為本發明中所采用的諧振濾波回路電壓檢測模塊電路圖；圖四為本發明中所采用的直流輸入電流檢測模塊電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。首先，將圖1中每個模塊所使用的電子元件型號予以說明。外部晶振采用的是16. OOOMHz晶振。分頻器采用一片CD4060。D類功放驅動芯片采用的是TPS28225。D類功放的MOS管采用的是CSD17307。主控單元采用STC12C5A60S2_44單片機。電平轉換模塊采用L7805。電平檢測模塊采用的是LM393 (包含兩個運算放大器)。接收阻抗匹配網絡采用ALl型阻抗匹配網絡。發射線圈采用線徑0. lmm*40紗包線繞的2層每層10圈外徑Φ = 40mm的圓形線圈。接收線圈采用線徑0. lmm*40絞合線繞的單層10圈外徑Φ = 40mm的圓形線圈。電平檢測模塊采用諧振濾波回路電流、電壓檢測，以及直流輸入電流檢測。接收阻抗匹配網絡采用圖7a所示的AL2型阻抗匹配網絡電路。整流電路可以采用二極管全橋整流或無橋pfc整流或同步全橋整流方式。整流濾波模塊和穩壓模塊采用BQ51013，它集成了整流、濾波和穩壓的功能。外部晶振經過分頻器后輸入驅動芯片然后供給D類功放，D類功放連接諧濾波振回路。諧振濾波回路中的發射線圈將能量發射出去。檢測部分將檢測到的電壓電流信號送給單片機，單片機由電壓電流的大小判定系統是處于有載、空載還是異常的狀態下從而做出控制。接收線圈將接收到的線圈經過BQ51013的整流濾波穩壓再供給5V輸入的如手機等用電器。如圖1所示，外部晶振發出的高頻信號經過分頻器分頻后被送入D類功放驅動芯片或互感耦合器以產生兩路反相(相位差180度)的方波信號來驅動D類功放模塊；D類功放模塊的供電電壓是直流電，其包括一對MOS管，一對MOS管由驅動芯片產生的方波信號分別驅動；D類功放模塊的輸出經過一個諧振濾波回路接地；諧振濾波回路包括一個發射線圈L，一組諧振電容Cl和一組退耦電容C2，退耦電容C2的大小和諧振電容Cl的大小相同；發射線圈L接在D類功放模塊的輸出端；電平檢測模塊用來檢測諧振濾波回路輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流；控制模塊根據輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流的大小來判別發射裝置是處于過壓狀態、過流狀態、短路狀態、有載狀態還是空載狀態，在異常狀態下控制模塊會自動發出控制信號，關閉D類功放驅動芯片的使能端，從而使D類功放模塊停止工作，防止電路工作狀態異常而損壞或引發事故；異常狀態為過壓狀態、過流狀態或者短路狀態；預警裝置在控制模塊的控制下用于表示小型電子設備無線充電裝置工作狀態，讓用戶隨時了解整個裝置的工作狀態；發射線圈通過共振耦合使得交流能量近乎無輻射地傳遞到接收線圈；由于發射線圈和接收線圈之間采用共振磁耦合，屬于近場耦合，發射線圈和接收線圈的輻射電阻很小以致可以忽略，因此能量幾乎全部被發射端耦合到接收端。接收線圈接收到的交流能量通過接收阻抗匹配網絡被送入整流濾波模塊；這里的阻抗匹配網絡作用是將經過整流濾波模塊和穩壓模塊之后的帶充電負載的阻抗變換到一個合適的值，使得接收線圈接收到的交流能量高效率地傳輸到待充電設備中。由于待充電設備需要一個恒壓直流電，因此最后需要增加整流濾波模塊和穩壓模塊用于將接收線圈接收的交流能量變換為恒壓直流電。如圖2所示，D類功放模塊用于將直流供電轉換成交流的正弦波從而供給發射線圈L ；其中D類功放模塊中的一對MOS管分別為第一場效應管Ql和第二場效應管Q2 ；D類功放模塊還包括驅動芯片產生的兩路驅動信號和諧振濾波回路；驅動芯片產生的兩路驅動信號為第一驅動信號1和第二驅動信號2 ；諧振濾波回路中的諧振電容Cl的大小等于1/ ω ，其中L是發射線圈L的電感量，ω是系統工作的角頻率；其中第一場效應管Ql的漏極經過一個小電阻(0.001Ω 0. 1Ω)接直流供電Vcc，柵極接第一驅動信號1，源極接第二場效應管Q2的漏極；第二場效應管Q2的柵極接第二驅動信號2，源極接地；發射線圈L 一端接于第二場效應管Q2的漏極，另一端與諧振電容Cl相連；諧振電容Cl的另一端接地；退耦電容C2 —端接在第一場效應管Ql的漏極，另一端接在發射線圈L與諧振電容Cl相連的點ο由于D類功放模塊是制約整個無線充電裝置總效率的一個重要因素，盡量提高D 類功放模塊的效率將對整個系統效率的提高帶來很大的貢獻，因此本實施例采用了工作在開關狀態的理想效率可以達到100%的D類功率放大器。但由于實際的功放管并非理想開關，開關導通時還有一個導通電阻rDS，會消耗一定功率，因此實際效率能達到90%以上。發射線圈L、接收線圈及接收阻抗匹配網絡三個模塊組成網絡傳輸部分；是影響整個系統總效率的另一個重要因素。線圈的電參數、線圈之間的物理距離和阻抗匹配網絡的電參數都關系到網絡傳輸部分的效率，這里將詳細說明關于如何設計網絡傳輸部分中各元件的參數使得網絡部分的傳輸效率最大化。如圖3所示，定義一個變量效率最佳等效接收阻抗^qr為“當傳輸效率最大時從接收線圈向帶充電負載看過去的等效阻抗”，則
權利要求
1.一種小型電子設備無線充電裝置，其特征在于包括發射裝置和接收裝置；所述發射裝置主要包括外部晶振、分頻器、D類功放驅動芯片或互感耦合器、D類功放模塊、諧振濾波回路、電平轉換模塊、電平檢測模塊、控制模塊和預警裝置；所述的接收裝置主要包括接收線圈、接收端阻抗匹配網絡、整流濾波模塊及穩壓模塊；所述外部晶振發出的高頻信號經過分頻器分頻后被送入D類功放驅動芯片或互感耦合器以產生兩路反相的方波信號來驅動D類功放模塊；所述D類功放模塊的供電電壓是直流電，其包括一對MOS管，所述一對MOS管由驅動芯片產生的方波信號分別驅動；D類功放模塊的輸出經過一個諧振濾波回路接地；所述諧振濾波回路包括一個發射線圈L，一組諧振電容Cl和一組退耦電容C2，退耦電容C2的大小和諧振電容Cl的大小相同；所述發射線圈L接在D類功放模塊的輸出端；所述電平檢測模塊用來檢測諧振濾波回路輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流；所述控制模塊根據輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流的大小來判別發射裝置是處于過壓狀態、過流狀態、短路狀態、有載狀態還是空載狀態，在異常狀態下控制模塊會自動發出控制信號，關閉D類功放驅動芯片的使能端，從而使D類功放模塊停止工作；所述異常狀態為過壓狀態、過流狀態或者短路狀態；所述預警裝置在控制模塊的控制下用于表示小型電子設備無線充電裝置工作狀態；所述發射線圈通過共振耦合使得交流能量傳遞到接收線圈；所述接收線圈接收到的交流能量通過所述接收阻抗匹配網絡被送入整流濾波模塊；所述整流濾波模塊和穩壓模塊用于將接收線圈接收的交流能量變換為恒壓直流電。
2.如權利要求書1所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于所述的D類功放模塊用于將直流供電轉換成交流的正弦波從而供給發射線圈L ；其中D類功放模塊中的一對MOS管分別為第一場效應管Ql和第二場效應管Q2 ；D類功放模塊還包括驅動芯片產生的兩路驅動信號和諧振濾波回路；所述驅動芯片產生的兩路驅動信號為第一驅動信號(1)和第二驅動信號O)；所述諧振濾波回路中的諧振電容Cl的大小等于1/ 2L，其中L是發射線圈L的電感量，ω是系統工作的角頻率；其中第一場效應管Ql的漏極經過一個小電阻接直流供電Vcc，柵極接第一驅動信號(1)，源極接第二場效應管Q2的漏極；所述第二場效應管Q2的柵極接第二驅動信號O)，源極接地；所述小電阻為0. 001 Ω 0. 1 Ω的電阻；發射線圈L 一端接于第二場效應管Q2的漏極，另一端與諧振電容Cl相連；諧振電容Cl的另一端接地；退耦電容C2—端接在第一場效應管Ql的漏極，另一端接在發射線圈L與諧振電容 Cl相連的點。
3.如權利要求書1所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于所述發射線圈L、 接收線圈及接收阻抗匹配網絡三個模塊組成網絡傳輸部分；定義效率最佳等效接收阻抗 ^qr為“當傳輸效率最大時從接收線圈向帶充電負載看過去的等效阻抗”，則其中RL是接收負載電阻，k是發射線圈L和接收線圈之間的耦合系數，ω是整個無線能量傳輸裝置的工作角頻率，Lt是發射線圈L自感，Lr是接收線圈自感，Rpr是接收線圈寄生電阻，Rt是MOS管的導通電阻rDS、發射線圈L寄生電阻Rpt和電容的寄生電阻之和， Reqr是效率最佳等效接收電阻，Xeqr是效率最佳等效接收電抗，j是虛數單位。
4.如權利要求書3所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于當效率最佳等效接收電阻Reqr等于接收負載電阻RL時，接收阻抗匹配網絡采用一元件的Bl型阻抗匹配網絡或B2型阻抗匹配網絡。
5.如權利要求書3所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于當效率最佳等效接收電阻Reqr小于接收負載電阻RL時，接收阻抗匹配網絡采用兩元件的ALl型阻抗匹配網絡、AL2型阻抗匹配網絡、AL3型阻抗匹配網絡、及AL4型阻抗匹配網絡；三元件的APil型阻抗匹配網絡、APi2型阻抗匹配網絡、APi3型阻抗匹配網絡、APi4型阻抗匹配網絡、ATI型阻抗匹配網絡、AT2型阻抗匹配網絡、AT3型阻抗匹配網絡、AT4型阻抗匹配網絡、及AT5型阻抗匹配網絡。
6.如權利要求書3所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于當效率最佳等效接收電阻Reqr大于接收負載電阻RL時，接收阻抗匹配網絡采用兩元件的CLl型阻抗匹配網絡及CL2型阻抗匹配網絡；三元件的CPil型阻抗匹配網絡、CPi2型阻抗匹配網絡、CTl型阻抗匹配網絡、CT2型阻抗匹配網絡、CT3型阻抗匹配網絡、及CT4型阻抗匹配網絡。
7.如權利要求書4-5任一項所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于每種阻抗匹配網絡中的第一端口 Portl用于連接接收裝置的接收線圈；第二端口 Port2用于連接接收裝置的負載電阻RL。
8.如權利要求書1所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于電平檢測模塊用來檢測諧振濾波回路輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流；其中的諧振濾波回路電流和電壓檢測的電路，交流信號經過整流濾波后輸出的直流通過一個運算放大器組成的低通濾波器，輸出給控制模塊，控制模塊通過判定所獲取的電壓值的大小來判斷D類功放模塊的工作狀態；直流輸入電流檢測的電路通過檢測連接直流供電端Vcc和第一場效應管Ql之間的一個小電阻兩端的壓降并進行放大從而得到輸入電流，再通過一個運算放大器組成的低通濾波器，輸出給控制模塊，控制模塊通過判定所獲取電壓值的大小來判斷D類功放模塊的工作狀態；所述控制模塊由一個單片機來根據輸入電壓值來判定工作狀態并輸出使能信號，交流信號經過整流濾波后輸出的直流通過一個運算放大器組成的低通濾波器，輸出給單片機IO 口，單片機通過判定所獲取的電壓值的大小來判斷D類功放模塊的工作狀態。
9.如權利要求書1所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于所述整流濾波模塊包括整流電路，所述整流電路包括二極管全橋整流、無橋Pfc整流和同步全橋整流方式； 首先正弦波通過一個整流電路后變為半波，之后通過一個濾波電容將半波變為近似直流電平，近似直流電平經穩壓模塊輸出。
10.如權利要求書1所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于所述整流濾波模塊和穩壓模塊為使用具有整流、濾波、穩壓功能的芯片；發射線圈L和接收線圈的背面加有磁性介質以防磁場對周圍的環境產生影響；所述報警裝置為指示燈和蜂鳴器。
全文摘要
本發明公開了一種小型電子設備無線充電裝置，主要由發射裝置和接收裝置組成。其中發射裝置包括外部晶振、分頻器、D類功放驅動芯片或互感耦合器、D類功放模塊、諧振濾波回路、發射線圈及電平轉換模塊、電平檢測模塊、控制模塊、指示燈及蜂鳴器；接收裝置包括接收線圈、接收端阻抗匹配網絡、整流濾波模塊及穩壓模塊。本發明可以應用于手機、MP3、MP4及照相機等所有小功率(5W及以下)電子設備的無線充電，可以實現在設計要求的距離范圍內為其提供一定電壓及功率進行充電或者供電。本發明具有結構簡單、應用廣泛、可以在一定距離內高效充電、安全無輻射等優點。
文檔編號H02J7/02GK102545354SQ20121000952
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者侯宏民, 劉碩, 周小陽, 周永春, 崔鐵軍, 李鵬, 楊艷, 陳林輝 申請人:東南大學