無線充電發(fā)射器及無線充電裝置說明

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　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)

　　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10W的電子設(shè)備，市面上并無相對(duì)成熟的產(chǎn)品。

　　并且，WPC聯(lián)盟無線充電技術(shù)有以下不足和限制：

　?。?）輸出功率小，只限于5W以下的小功率用電器；

　?。?）電力傳輸距離短（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； （3）數(shù)據(jù)包調(diào)制方式消耗功率大，影響輸出功率。

　?。?）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

　　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。

　　本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：

　　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；

　　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；

　　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。

　　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1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。

　　進(jìn)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(zhuǎn)換電路、電流傳感器、鋰電池、模擬采樣電路、PPM編碼電路（3）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；

　　所述諧振接收電路，包括接收線圈和諧振電容4；

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　以上功能的完成是基于本實(shí)用新型的硬件模塊。 有益效果：

　　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 Posion Modulaon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。

　　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?，以較小電壓獲得高發(fā)射功率；接收器采用高性能DC-DC轉(zhuǎn)換器，使輸出功率達(dá)15W。

　　3.本發(fā)明大大降低了生產(chǎn)成本，易于產(chǎn)品化。

　　具體實(shí)施方式

　　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。

　　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。

　　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。

　　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1、PPM解碼電路及諧振發(fā)射電路。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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)潆娐份敵鲱l率為120kHZ、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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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 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。

　　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。

　　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10V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10W，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輸出功率為15W。

　　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，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，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0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。

　　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。

　　原理

       AirVolt 的發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換成一種無線電波，利用連接手機(jī)的接收裝置獲取電波，然后轉(zhuǎn)換成電能。

　　并且，AirVolt還有一項(xiàng)研發(fā)的“Smart Charging”技術(shù)。當(dāng)手機(jī)電量低于20%時(shí)會(huì)自動(dòng)開始充電，當(dāng)電量到達(dá)80%時(shí)停止充電，以確保手機(jī)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(shí)兼容ios與安卓系統(tǒng)。

　　不過，AirVolt 還是有缺點(diǎn)的，相比有線充電，AirVolt 的無線充電效率較低。如果平時(shí)手機(jī)需要2.5小時(shí)才能充滿，那用AirVolt 可能需要3小時(shí)左右。

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