无线充电发射器及无线充电装置说明和原理

　　无线充电发射器及无线充电装置说明

　　技术领域

　　本实用新型涉及一种无线充电发射器及无线充电装置。

　　背景技术

　　无线充电技术是近年兴起的新兴技术，基于电磁感应原理的无线充电目前应用比较成熟。现在无线充电技术在电子消费类市场表现出巨大潜力，为无连接电源线的情况下给便携式电子设备充电提供了一种便利的解决方案。市面上主要流行使用WPC联盟的无线充电电源，其原理也是基于电磁感应原理，接收器向发射器反馈信息码，调制方式为模拟及数字相结合的PING方式，输出功率为5W，主要受电端为智能手机。然而针对平板等充电功率要求10W的电子设备，市面上并无相对成熟的产品。

　　并且，WPC联盟无线充电技术有以下不足和限制：

　　（1）输出功率小，只限于5W以下的小功率用电器；

　　（2）电力传输距离短（最大垂直距离为2CM），发射线圈与接收线圈距离加大时，反馈数据包可靠性降低； （3）数据包调制方式消耗功率大，影响输出功率。

　　（4）使用额外的通信模块（例如RFID、蓝牙、Zigbee等）将受电端数据信息反馈回发射端，作为充电器而言，将大大增加研发成本，不利于产品化。

　　实用新型内容

　　针对现有技术不足和限制，本实用新型要解决技术问题是提供一种无线充电发射器及无线充电装置，电力发射线圈及接收线圈兼作通信线圈，解决输出功率小、电量垂直传输距离短、反馈数据编码调制方式功耗大等不足。

　　本实用新型的技术方案是：

　　一种无线充电发射器，包括PWM脉冲发生器1、驱动电路、谐振发射电路、PPM解码电路和电源电路；PWM脉冲发生器1、驱动电路和谐振发射电路依次连接；谐振发射电路通过PPM解码电路与PWM脉冲发生器1的信号反馈端连接，所述PWM脉冲发生器1和驱动电路均与电源电路连接；

　　所述驱动电路包括全桥驱动芯片UBA2032T及全桥电路；驱动芯片用于对PWM脉冲发 生器1发出的驱动脉冲进行功率放大和电平变换，输出两对相位相差180度的驱动脉冲驱动全桥电路工作；

　　所述谐振发射电路包括发射线圈与谐振电容2；

　　所述PPM解码电路包括依次连接的缓冲电路、信号放大电路、二阶带通滤波电路和滞回比较电路；

　　所述电源电路包括AC-DC变换电路和DC-DC供电电路，AC-DC变换电路的输出端与DC-DC供电电路的输入端连接，

　　所述AC-DC变换电路输出电压为全桥电路的上桥臂供电，

　　所述DC-DC供电电路为PWM脉冲发生器1供电。

　　进一步地，所述谐振发射电路还直接与PWM脉冲发生器1连接。PWM脉冲发生器1对发射线圈上的输出交流电压峰值进行采样，并与其内已设定的基准值比较，自动调整PWM驱动脉冲频率，进而调整发射功率；同时通过检测交流峰值大小，可判断无线充电发射源上是否有金属异物。

　　进一步地，所述AC-DC变换电路直接由市电供电。

　　一种无线充电接收器，包括谐振接收电路、全桥整流电路、DC-DC转换电路、电流传感器、锂电池、模拟采样电路、PPM编码电路（3）和PPM发射电路；谐振接收电路、全桥整流电路、DC-DC转换电路、电流传感器和锂电池依次连接，模拟采样电路输入端与DC-DC转换电路输出端连接，模拟采样电路输出端和电流传感器输出端均与PPM编码电路（3）连接，PPM编码电路（3）和PPM发射电路连接，PPM发射电路输出端与谐振接收电路连接；

　　所述谐振接收电路，包括接收线圈和谐振电容4；

　　进一步地，所述PPM发射电路包括高速光耦和开关MOS管，用于对PPM编码电路3输出的序列脉冲进行功率放大。

　　进一步地，所述全桥整流电路和PPM编码电路3之间还连接有开关稳压芯片NCP699。

　　一种无线充电装置，其特征在于，包括上述的无线充电发射器和上述的无线充电接收器，所述发射线圈与接收线圈以上下平行对齐方式放置，发射线圈与接收线圈同时为通信线圈。

　　模拟采样电路和电流传感器对充电电压及电流进行采样，PPM编码电路3将采样信号进行PPM编码，形成序列脉冲，经过PPM发射电路输出到无线充电接收器的接收线圈，从而将受电端充电信息反馈到无线充电发射器，无线充电发射器的PPM解码电路对无线充电接收器的反馈数据包进行处理以使PWM脉冲发生器1能够读取并解码。无线充电发射器根据反馈信号适时调整发射功率，提高充电效率。

　　若接收电路发生过流或者过压状况，接收器中的PPM编码电路3向开关稳压芯片NCP699发出关断信号，接收器停止发送反馈信息，电量传输中断。

　　以上功能的完成是基于本实用新型的硬件模块。 有益效果：

　　1.电力传输线圈同时作为通信线圈，使用PPM编码调制方式反馈充电信息【PPM是英文Pulse Position Modulation的缩写，中文意思是脉冲位置调制，又称脉位调制，其组成多为头码+脉冲数，PPM以其编码方式简单，使用方便而曾经被广泛的使用在一些无线遥控系统中】，实现方式简单、数据包反馈可靠、传输功率大、功耗低，支持近距离通信，发射线圈和接收线圈即使在上下对齐相距5CM仍能够可靠通信。并能实现异物检测及谐振功率自动调谐等功能，使电量高效传输，具有较高的实用性。

　　2.将AC-DC转换模块嵌在板子上，可直接从市电获取电量，相比市面上供电方式为USB供电更方便可靠；采用全桥拓扑电路，以较小电压获得高发射功率；接收器采用高性能DC-DC转换器，使输出最大功率达15W。

　　3.本发明大大降低了生产成本，易于产品化。

　　具体实施方式

　　下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

　　如图1所示，一种无线充电装置，其特征在于，包括无线充电发射器和无线充电接收器。无线充电发射器驱动电路以特定频率激励发射线圈，谐振发射线圈与串联的谐振电容2产生LC谐振产生电磁波，所述无线充电接收器通过LC匹配电路接收电磁能量并通过DC-DC转换电路向锂电池充电。

　　进一步的，无线充电接收器的PPM编码电路通过模拟采样电路对输出电压及电流进行采样，并将模拟信号组合编码，生成的PPM信号将充电信息通过接收线圈向发射线圈通信，使无线充电发射器适时调整发射功率，提高充电效率。

　　如图2所示，无线充电发射器包括AC-DC变换电路、DC-DC供电电路、驱动电路、PWM脉冲发生器1、PPM解码电路及谐振发射电路。

　　PWM脉冲发生器1主要作用是：对发射线圈上的交流电压峰值进行采样，对PWM输出 脉冲频率进行微调，稳定谐振发射功率；对PPM解码电路处理的信号进行脉冲位置调制数字解码；通过PCA模块输出120kHZ的PWM驱动脉冲输出至驱动芯片；通过检测采样输出电压峰峰值的高低，可判断出发射底座上是否有金属异物，若采样峰值电压高于正常预设峰值电压范围，则关断PWM脉冲信号，进而停止充电。

　　AC-DC变换电路由AC-DC电源模块及其外围电路组成，主要完成如下功能：输出15V直流电压作为无线充电发射器主电压，作用于全桥电路上桥臂，输出功率为15W；为DC-DC供电电路供电。AC-DC电源模块选用MinMAX公司的AKF-15S15。

　　DC-DC供电电路主要由5V供电模块和3.3V供电模块组成，其中，5V供电模块作为PWM脉冲发生器1的PWM输出信号的拉升电压，且作为3.3V供电模块的输入电压；3.3V模块为PWM脉冲发生器1供电。5V供电模块选择TI公司的TPS54231D开关稳压芯片，3.3V供电模块选用AMS1117-3.3芯片。

　　驱动电路主要由全桥驱动芯片和全桥拓扑电路组成，主要完成如下功能：全桥芯片接收PWM脉冲发生器1的PWM驱动脉冲，对其电平进行转换和功率放大，输出两路一定频率、相位相差180度的PWM驱动脉冲，分别驱动全桥电路上下对角的功率MOS管。全桥拓扑电路输出频率为120kHZ、峰值为30V的交流正负方波。其中，全桥驱动芯片选用飞利浦公司的高功率驱动芯片UBA2032T。

　　谐振发射电路由谐振电容2及谐振发射线圈通过串联谐振方式组成，主要完成以下功能：谐振电容2与发射线圈在交流正负方波激励下产生谐振发送电磁波；发射线圈兼做通信线圈用。本实用新型中心工作频率（即PWM脉冲输出频率）设定为120kHZ，电容与线圈按照进行参数匹配，LC谐振频率为150kHZ。作为关键器件，电容选用高功率多层次谐振电容，线圈选用高品质电感线圈。

　　PPM解码电路主要由缓冲电路、信号放大电路、二阶带通滤波电路、滞回比较电路组成。其工作原理：充电系统工作时，PPM解码电路接收发射线圈上接收到的无线接收器发出的PPM调制信息先经由运放组成的射随器缓冲输出，然后经信号放大电路及二阶带通滤波电路进行放大和滤波，送入滞回比较器进行脉冲整形，将50kHZ的PPM调制信号转化为PWM脉冲发生器1能够读取的脉冲信号。电路由一片四路运放LM324及其外围器件构成。

　　如图3所示，无线接收器：主要由LC谐振电路、全桥整流电路、DC-DC转换电路、模拟采样电路、电流传感器、PPM编码电路3及PPM发射电路组成。

　　接收器LC谐振电路中，谐振电容4与接收线圈以串联方式连接，电容与线圈按照 进行参数匹配，参数匹配综合考虑接收效率，作为关键器件，电容选用高 功率多层次谐振电容，线圈选用高品质电感线圈。

　　全桥整流电路由四个肖特基整流管SS39搭接而成，对感应电压进行整流。

　　DC-DC转换电路由开关稳压芯片及其外围电路组成，其主要功能如下：将全桥整流电路输出的10V直流电压斩波降压至5V，并对锂电池进行充电。考虑到平板锂电池充电功率为10W，DC-DC开关稳压芯片采用NS公司生产的LM2596-5，使接收器在正常充电情况下最大输出功率为15W。

　　如图3所示，模拟采样电路对DC-DC转换器输出的5V电压进行四路模拟采样，四路采样点均为经分压后的输出充电电压，以提高采样精度，利于编码。采样电压经过RC低通滤波后输入到PPM编码电路，PPM编码电路3对四路模拟电压进行数字脉冲调制编码（PPM），发出相应的脉冲序列，驱动PPM发射电路。具体原理为：PPM编码电路3首先输出一定宽度的帧同步脉冲，然后PPM编码电路3对四路输出模拟信号进行采样，将四路模拟采样值求平均，以提高采样精度，并将求出的平均值进行A/D转换。接着计数器进行减1运算，当计数器减到0时，PPM编码电路3输出PPM序列脉冲。解调依据于每个脉冲的相对位置，解调时只需判断出PPM脉冲与同步脉冲之间时间间隔就可以得到数字信号。PPM编码电路3通过模拟采样电路对输出电压进行采样，当锂电池电压充满后，PPM编码电路3对NCP699发出关断信号停止充电动作，以保护电池。

　　PPM发射电路由光耦及开关MOS管组成：高速光耦接收PPM编码电路3发出的脉冲序列，并对脉冲序列进行电平功率放大驱动开关MOS管，开关管开漏输出将反馈数据包通过接收线圈发送至无线充电发射器。

　　原理

       AirVolt 的发射器将电能转换成一种无线电波，利用连接手机的接收装置获取电波，然后转换成电能。

　　

　　并且，AirVolt还有一项独家研发的“Smart Charging”技术。当手机电量低于20%时会自动开始充电，当电量到达80%时停止充电，以确保手机的使用安全和电池的工作寿命，超贴心有木有？

　　

　　不仅如此，AirVolt 还同时兼容ios与安卓系统。

　　

　　不过，AirVolt 还是有缺点的，相比有线充电，AirVolt 的无线充电效率较低。如果平时手机需要2.5小时才能充满，那用AirVolt 可能需要3小时左右。

　　但这也是无线充电普遍存在的问题。换个角度想想如果可以边充电边玩，充电效率比较低这个缺点还是可以忽略的啦！