一種無線充電發(fā)射器及無線充電裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種無線充電發(fā)射器及無線充電裝置，無線充電發(fā)射器包括PWM脈沖發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)電路、諧振發(fā)射電路、PPM解碼電路和電源電路；無線充電裝置包括上述無線充電發(fā)射器和無線充電接收器，無線充電接收器包括諧振接收電路、全橋整流電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、鋰電池、模擬采樣電路、PPM編碼電路和PPM發(fā)射電路。本實(shí)用新型利用電磁耦合原理，傳送電磁能量，同時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈兼做通信線圈，通過脈沖位置調(diào)制方式(PPM)傳遞充電反饋數(shù)據(jù)，對(duì)傳輸功率進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)方式簡單、傳輸功率大、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類10W及10W以下功率的數(shù)碼產(chǎn)品。
【專利說明】一種無線充電發(fā)射器及無線充電裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種無線充電發(fā)射器及無線充電裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線充電技術(shù)是近年興起的新興技術(shù)，基于電磁感應(yīng)原理的無線充電目前應(yīng)用比 較成熟。現(xiàn)在無線充電技術(shù)在電子消費(fèi)類市場表現(xiàn)出巨大潛力，為無連接電源線的情況下 給便攜式電子設(shè)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(lián)盟的無線 充電電源，其原理也是基于電磁感應(yīng)原理，接收器向發(fā)射器反饋信息碼，調(diào)制方式為模擬及 數(shù)字相結(jié)合的PING方式，輸出功率為5W，主要受電端為智能手機(jī)。然而針對(duì)平板等充電功 率要求IOW的電子設(shè)備，市面上并無相對(duì)成熟的產(chǎn)品。
[0003] 并且，WPC聯(lián)盟無線充電技術(shù)有以下不足和限制：
[0004] (1)輸出功率小，只限于5W以下的小功率用電器；
[0005] (2)電力傳輸距離短（最大垂直距離為2CM)，發(fā)射線圈與接收線圈距離加大時(shí)，反 饋數(shù)據(jù)包可靠性降低；
[0006] (3)數(shù)據(jù)包調(diào)制方式消耗功率大，影響輸出功率。
[0007] (4)使用額外的通信模塊（例如RFID、藍(lán)牙、Zigbee等）將受電端數(shù)據(jù)信息反饋 回發(fā)射端，作為充電器而言，將大大增加研發(fā)成本，不利于產(chǎn)品化。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足和限制，本實(shí)用新型要解決技術(shù)問題是提供一種無線充電發(fā)射 器及無線充電裝置，電力發(fā)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(shù)據(jù)編碼調(diào)制方式功耗大等不足。
[0009] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：
[0010] 一種無線充電發(fā)射器，包括PWM脈沖發(fā)生器1、驅(qū)動(dòng)電路、諧振發(fā)射電路、PPM解碼 電路和電源電路；PWM脈沖發(fā)生器1、驅(qū)動(dòng)電路和諧振發(fā)射電路依次連接；諧振發(fā)射電路通 過PPM解碼電路與PWM脈沖發(fā)生器1的信號(hào)反饋端連接，所述PWM脈沖發(fā)生器1和驅(qū)動(dòng)電 路均與電源電路連接；
[0011] 所述驅(qū)動(dòng)電路包括全橋驅(qū)動(dòng)芯片UBA2032T及全橋電路；驅(qū)動(dòng)芯片用于對(duì)PWM脈沖 發(fā)生器1發(fā)出的驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行功率放大和電平變換，輸出兩對(duì)相位相差180度的驅(qū)動(dòng)脈沖 驅(qū)動(dòng)全橋電路工作；
[0012] 所述諧振發(fā)射電路包括發(fā)射線圈與諧振電容2 ;
[0013] 所述PPM解碼電路包括依次連接的緩沖電路、信號(hào)放大電路、二階帶通濾波電路 和滯回比較電路；
[0014] 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脈沖發(fā)生器1供電。
[0015] 進(jìn)一步地，所述諧振發(fā)射電路還直接與PWM脈沖發(fā)生器1連接。PWM脈沖發(fā)生器I 對(duì)發(fā)射線圈上的輸出交流電壓峰值進(jìn)行采樣，并與其內(nèi)已設(shè)定的基準(zhǔn)值比較，自動(dòng)調(diào)整PWM 驅(qū)動(dòng)脈沖頻率，進(jìn)而調(diào)整發(fā)射功率；同時(shí)通過檢測交流峰值大小，可判斷無線充電發(fā)射源上 是否有金屬異物。
[0016] 進(jìn)一步地，所述AC-DC變換電路直接由市電供電。
[0017] -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(zhuǎn)換電路、電流傳 感器、鋰電池、模擬采樣電路、PPM編碼電路⑶和PPM發(fā)射電路；諧振接收電路、全橋整流 電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、電流傳感器和鋰電池依次連接，模擬采樣電路輸入端與DC-DC轉(zhuǎn)換 電路輸出端連接，模擬采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(fā)射電路連接，PPM發(fā)射電路輸出端與諧振接收電路連接；
[0018] 所述諧振接收電路，包括接收線圈和諧振電容4 ;
[0019] 進(jìn)一步地，所述PPM發(fā)射電路包括高速光耦和開關(guān)MOS管，用于對(duì)PPM編碼電路3 輸出的序列脈沖進(jìn)行功率放大。
[0020] 進(jìn)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(guān)穩(wěn)壓芯片 NCP699。
[0021] 一種無線充電裝置，其特征在于，包括上述的無線充電發(fā)射器和上述的無線充電 接收器，所述發(fā)射線圈與接收線圈以上下平行對(duì)齊方式放置，發(fā)射線圈與接收線圈同時(shí)為 通信線圈。
[0022] 模擬采樣電路和電流傳感器對(duì)充電電壓及電流進(jìn)行采樣，PPM編碼電路3將采樣 信號(hào)進(jìn)行PPM編碼，形成序列脈沖，經(jīng)過PPM發(fā)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(fā)射器，無線充電發(fā)射器的PPM解碼電路對(duì)無線充 電接收器的反饋數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理以使PWM脈沖發(fā)生器1能夠讀取并解碼。無線充電發(fā)射器 根據(jù)反饋信號(hào)適時(shí)調(diào)整發(fā)射功率，提高充電效率。
[0023] 若接收電路發(fā)生過流或者過壓狀況，接收器中的PPM編碼電路3向開關(guān)穩(wěn)壓芯片 NCP699發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，接收器停止發(fā)送反饋信息，電量傳輸中斷。
[0024] 以上功能的完成是基于本實(shí)用新型的硬件模塊。
[0025] 有益效果：
[0026] 1.電力傳輸線圈同時(shí)作為通信線圈，使用PPM編碼調(diào)制方式反饋充電信息【PPM是 英文Pulse Position Modulation的縮寫，中文意思是脈沖位置調(diào)制，又稱脈位調(diào)制，其 組成多為頭碼+脈沖數(shù)，PPM以其編碼方式簡單，使用方便而曾經(jīng)被廣泛的使用在一些無 線遙控系統(tǒng)中】，實(shí)現(xiàn)方式簡單、數(shù)據(jù)包反饋可靠、傳輸功率大、功耗低，支持近距離通信，發(fā) 射線圈和接收線圈即使在上下對(duì)齊相距5CM仍能夠可靠通信。并能實(shí)現(xiàn)異物檢測及諧振功 率自動(dòng)調(diào)諧等功能，使電量高效傳輸，具有較高的實(shí)用性。
[0027] 2.將AC-DC轉(zhuǎn)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；采用全橋拓?fù)潆娐罚暂^小電壓獲得高發(fā)射功率；接收器采用高性 能DC-DC轉(zhuǎn)換器，使輸出最大功率達(dá)15W。
[0028] 3.本發(fā)明大大降低了生產(chǎn)成本，易于產(chǎn)品化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1為本實(shí)用新型的無線充電裝置的原理框圖。
[0030] 圖2為無線充電發(fā)射器原理框圖。
[0031] 圖3為無線充電接收器原理框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0033] 如圖1所示，一種無線充電裝置，其特征在于，包括無線充電發(fā)射器和無線充電接 收器。無線充電發(fā)射器驅(qū)動(dòng)電路以特定頻率激勵(lì)發(fā)射線圈，諧振發(fā)射線圈與串聯(lián)的諧振電 容2產(chǎn)生LC諧振產(chǎn)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并通過 DC-DC轉(zhuǎn)換電路向鋰電池充電。
[0034] 進(jìn)一步的，無線充電接收器的PPM編碼電路通過模擬采樣電路對(duì)輸出電壓及電流 進(jìn)行采樣，并將模擬信號(hào)組合編碼，生成的PPM信號(hào)將充電信息通過接收線圈向發(fā)射線圈 通信，使無線充電發(fā)射器適時(shí)調(diào)整發(fā)射功率，提高充電效率。
[0035] 如圖2所示，無線充電發(fā)射器包括AC-DC變換電路、DC-DC供電電路、驅(qū)動(dòng)電路、PWM 脈沖發(fā)生器UPPM解碼電路及諧振發(fā)射電路。
[0036] PWM脈沖發(fā)生器1主要作用是：對(duì)發(fā)射線圈上的交流電壓峰值進(jìn)行采樣，對(duì)PWM輸 出脈沖頻率進(jìn)行微調(diào)，穩(wěn)定諧振發(fā)射功率；對(duì)PPM解碼電路處理的信號(hào)進(jìn)行脈沖位置調(diào)制 數(shù)字解碼；通過PCA模塊輸出120kHZ的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖輸出至驅(qū)動(dòng)芯片；通過檢測采樣輸出 電壓峰峰值的高低，可判斷出發(fā)射底座上是否有金屬異物，若采樣峰值電壓高于正常預(yù)設(shè) 峰值電壓范圍，則關(guān)斷PWM脈沖信號(hào)，進(jìn)而停止充電。
[0037] 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(fā)射器主電壓，作用于全橋電路上橋臂，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。
[0038] 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脈沖發(fā)生器1的PWM輸出信號(hào)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脈沖發(fā)生器1供電。5V供電模塊選擇TI公司的TPS54231D開關(guān)穩(wěn)壓芯片，3.3V 供電模塊選用AMS1117-3. 3芯片。
[0039] 驅(qū)動(dòng)電路主要由全橋驅(qū)動(dòng)芯片和全橋拓?fù)潆娐方M成，主要完成如下功能：全橋芯 片接收PWM脈沖發(fā)生器1的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，對(duì)其電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換和功率放大，輸出兩路一定頻 率、相位相差180度的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，分別驅(qū)動(dòng)全橋電路上下對(duì)角的功率MOS管。全橋拓?fù)?電路輸出頻率為120kHZ、峰峰值為30V的交流正負(fù)方波。其中，全橋驅(qū)動(dòng)芯片選用飛利浦公 司的高功率驅(qū)動(dòng)芯片UBA2032T。
[0040] 諧振發(fā)射電路由諧振電容2及諧振發(fā)射線圈通過串聯(lián)諧振方式組成，主要完成以 下功能：諧振電容2與發(fā)射線圈在交流正負(fù)方波激勵(lì)下產(chǎn)生諧振發(fā)送電磁波；發(fā)射線圈兼 做通信線圈用。本實(shí)用新型中心工作頻率（即PWM脈沖輸出頻率）設(shè)定為120kHZ，電容與 線圈按照/=1/(2^^)進(jìn)行參數(shù)匹配，LC諧振頻率為150kHZ。作為關(guān)鍵器件，電容選用高 功率多層次諧振電容，線圈選用高品質(zhì)電感線圈。
[0041] PPM解碼電路主要由緩沖電路、信號(hào)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(tǒng)工作時(shí)，PPM解碼電路接收發(fā)射線圈上接收到的無線接收器發(fā) 出的PPM調(diào)制信息先經(jīng)由運(yùn)放組成的射隨器緩沖輸出，然后經(jīng)信號(hào)放大電路及二階帶通濾 波電路進(jìn)行放大和濾波，送入滯回比較器進(jìn)行脈沖整形，將50kHZ的PPM調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)化為 PWM脈沖發(fā)生器1能夠讀取的脈沖信號(hào)。電路由一片四路運(yùn)放LM324及其外圍器件構(gòu)成。
[0042] 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(zhuǎn)換電路、模 擬采樣電路、電流傳感器、PPM編碼電路3及PPM發(fā)射電路組成。
[0043] 接收器LC諧振電路中，諧振電容4與接收線圈以串聯(lián)方式連接，電容與線圈按照 /=1 / (2;rVZZ7)進(jìn)行參數(shù)匹配，參數(shù)匹配綜合考慮接收效率，作為關(guān)鍵器件，電容選用高功 率多層次諧振電容，線圈選用高品質(zhì)電感線圈。
[0044] 全橋整流電路由四個(gè)肖特基整流管SS39搭接而成，對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行整流。
[0045] DC-DC轉(zhuǎn)換電路由開關(guān)穩(wěn)壓芯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IOV直流電壓斬波降壓至5V，并對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。考慮到平板鋰電池充電 功率為l〇W，DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓芯片采用NS公司生產(chǎn)的LM2596-5,使接收器在正常充電情況 下最大輸出功率為15W。
[0046] 如圖3所示，模擬采樣電路對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出的5V電壓進(jìn)行四路模擬采樣， 四路采樣點(diǎn)均為經(jīng)分壓后的輸出充電電壓，以提高采樣精度，利于編碼。采樣電壓經(jīng)過RC 低通濾波后輸入到PPM編碼電路，PPM編碼電路3對(duì)四路模擬電壓進(jìn)行數(shù)字脈沖調(diào)制編碼 (PPM)，發(fā)出相應(yīng)的脈沖序列，驅(qū)動(dòng)PPM發(fā)射電路。具體原理為：PPM編碼電路3首先輸出一 定寬度的幀同步脈沖，然后PPM編碼電路3對(duì)四路輸出模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，將四路模擬采樣 值求平均，以提高采樣精度，并將求出的平均值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。接著計(jì)數(shù)器進(jìn)行減1運(yùn)算， 當(dāng)計(jì)數(shù)器減到〇時(shí)，PPM編碼電路3輸出PPM序列脈沖。解調(diào)依據(jù)于每個(gè)脈沖的相對(duì)位置， 解調(diào)時(shí)只需判斷出PPM脈沖與同步脈沖之間時(shí)間間隔就可以得到數(shù)字信號(hào)。PPM編碼電路 3通過模擬采樣電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，當(dāng)鋰電池電壓充滿后，PPM編碼電路3對(duì)NCP699 發(fā)出關(guān)斷信號(hào)停止充電動(dòng)作，以保護(hù)電池。
[0047] PPM發(fā)射電路由光耦及開關(guān)MOS管組成：高速光耦接收PPM編碼電路3發(fā)出的脈 沖序列，并對(duì)脈沖序列進(jìn)行電平功率放大驅(qū)動(dòng)開關(guān)MOS管，開關(guān)管開漏輸出將反饋數(shù)據(jù)包 通過接收線圈發(fā)送至無線充電發(fā)射器。
【權(quán)利要求】
1. 一種無線充電發(fā)射器，其特征在于，包括PWM脈沖發(fā)生器（1)、驅(qū)動(dòng)電路、諧振發(fā)射電 路、PPM解碼電路和電源電路；PWM脈沖發(fā)生器（1)、驅(qū)動(dòng)電路和諧振發(fā)射電路依次連接；諧 振發(fā)射電路通過PPM解碼電路與PWM脈沖發(fā)生器（1)的信號(hào)反饋端連接，所述PWM脈沖發(fā) 生器（1)和驅(qū)動(dòng)電路均與電源電路連接； 所述驅(qū)動(dòng)電路包括全橋驅(qū)動(dòng)芯片UBA2032T及全橋電路； 所述諧振發(fā)射電路包括發(fā)射線圈與諧振電容（2); 所述PPM解碼電路包括依次連接的緩沖電路、信號(hào)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脈沖發(fā)生器（1)供電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線充電發(fā)射器，其特征在于，所述諧振發(fā)射電路還直接與 PWM脈沖發(fā)生器（1)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無線充電發(fā)射器，其特征在于，所述AC-DC變換電路直接 由市電供電。
4. 一種無線充電裝置，其特征在于，包括無線充電發(fā)射器和無線充電接收器，所述無線 充電發(fā)射器為權(quán)利要求1一3中任一項(xiàng)所述的無線充電發(fā)射器；所述無線充電接收器包括 諧振接收電路、全橋整流電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、電流傳感器、鋰電池、模擬采樣電路、PPM編 碼電路⑶和PPM發(fā)射電路；諧振接收電路、全橋整流電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、電流傳感器和 鋰電池依次連接，模擬采樣電路輸入端與DC-DC轉(zhuǎn)換電路輸出端連接，模擬采樣電路輸出 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⑶和PPM發(fā)射電路連 接，PPM發(fā)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)。 所述發(fā)射線圈與接收線圈以上下平行對(duì)齊方式放置，發(fā)射線圈與接收線圈同時(shí)為通信 線圈。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線充電裝置，其特征在于，所述PPM發(fā)射電路包括高速光耦 和開關(guān)MOS管，用于對(duì)PPM編碼電路（3)輸出的序列脈沖進(jìn)行功率放大。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線充電裝置，其特征在于，所述全橋整流電路和PPM編碼電 路（3)之間還連接有開關(guān)穩(wěn)壓芯片NCP699。
【文檔編號(hào)】H02J7/02GK204190475SQ201420450334
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年8月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月11日
【發(fā)明者】藍(lán)力, 黃波, 孫文德, 聶世剛, 譚永祥 申請(qǐng)人:長城信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司, 長沙湘計(jì)海盾科技有限公司