CN104158269A - 一种无线充电发射器、接收器、充电装置及无线充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线充电发射器、接收器、充电装置及无线充电方法，无线充电发射器包括第一微控制器、驱动电路、谐振发射电路、PPM解码电路和电源电路；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、第二微控制器和PPM发射电路；无线充电装置包括上述无线充电发射器和接收器。本发明利用电磁耦合原理，传送电磁能量，同时，原边线圈和次边线圈兼做通信线圈，通过脉冲位置调制方式(PPM)传递充电反馈数据，对传输功率进行智能控制，实现方式简单、传输功率大、功耗低、成本低等优点，可广泛应用于各类10W及10W以下功率的数码产品。

Description

一种无线充电发射器、接收器、充电装置及无线充电方法

技术领域

本发明涉及一种无线充电发射器、接收器、充电装置及无线充电方法。 

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)，原边线圈与次边线圈距离加大时，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。 

发明内容

针对现有技术不足和限制，本发明要解决技术问题是提供一种无线充电发射器、接收器、充电装置及无线充电方法，电力原边线圈及次边线圈兼作通信线圈，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。 

本发明的技术方案是： 

一种无线充电发射器，包括第一微控制器、驱动电路、谐振发射电路、PPM解码电路 

和电源电路；第一微控制器、驱动电路和谐振发射电路依次连接；谐振发射电路通过 

PPM解码电路与第一微控制器的信号反馈端连接，所述第一微控制器和驱动电路均与 

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； 

所述谐振发射电路包括原边线圈与第一谐振电容(1)； 

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供电电路为第一微控制器供电。 

所述谐振发射电路还与第一微控制器直接相连。 

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、第二微控制器和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第二微控制器连接，第二微控制器和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，包括次边线圈和第二谐振电容(2)； 

所述全桥整流电路和第二微控制器之间还连接有开关稳压芯片NCP699。 

进一步地，所述PPM发射电路包括高速光耦和开关MOS管，用于对第二微控制器输出的序列脉冲进行功率放大。 

一种无线充电装置，包括上述的无线充电发射器和上述的无线充电接收器，所述原边线圈与次边线圈以上下平行对齐方式放置，原边线圈与次边线圈同时为通信线圈。 

进一步地，所述第一微控制器和第二微控制器均为C8051F330单片机。 

一种无线充电方法，采用上述的无线充电装置，包括以下步骤： 

步骤一：无线充电发射器上电，并发送电磁信号；若没有收到反馈信号，进入待机状态； 

步骤二：无线充电接收器收到电磁信号后，向无线充电发射器发送反馈信号； 

步骤三：第一微控制器对接收到的信号进行识别，如果是无线充电发射器发送的反馈信号，则开始向无线充电接收器传输电量； 

步骤四：第二微控制器通过模拟采样电路采集DC-DC转换电路的输出电压，通过电流传感器采样输出电流； 

若发生过压或者过流，第二微控制器向开关稳压芯片NCP699发出关断信号，停止发送反馈信号，电量传输中断； 

否则，第二微控制器对采样到的输出电压和输出电流信号进行PPM编码，产生反馈信号经PPM发射电路和次边线圈发送到无线充电发射器；原边线圈接收反馈信号，经PPM解码电路解码发送到第一微控制器；第一微控制器读取反馈信号并进行判断，当充电功率低于预设充电功率时，增大PWM输出脉冲频率，即中心工作频率，使其往谐振频率方向调整，谐振振幅加大进而增大充电功率；当充电功率高于预设充电功率时，减小PWM输出脉冲频率使其远离谐振频率，谐振振幅减小从而减小充电功率；如此，维持充电功率的恒定。 

所述无线充电发射器上电时，设定PWM输出脉冲频率，即中心工作频率低于谐振频率。 

进一步地，所述步骤三还包括： 

第一微控制器对原边线圈上输出的交流电压峰值进行采样，与振幅电压典型值和谐振峰值电压比较： 

(1)金属异物会吸收电磁能量，使发射线圈电感量降低。在同一频率下，电感量降低时谐振振幅会变大。若采样的峰值电压在谐振峰值电压±5％内，说明发射底座上有金属异物，第一微控制器关断PWM脉冲信号，进而停止充电； 

(2)如果采样的峰值电压低于振幅电压典型值，第一微控制器按照频率非线性修正控制法则增大中心工作频率；如果采样的峰值电压高于振幅电压典型值，第一微控制器按照频率非线性修正控制法则减小中心工作频率； 

所述振幅电压典型值是指在设定的PWM输出脉冲频率下，原边线圈上输出的交流电压峰值理论值；所述谐振峰值电压是指在设定PWM输出脉冲频率等于谐振频率时，原边线圈上输出的交流电压峰值理论值。 

进一步地，所述无线充电发射器上电时，设定PWM输出脉冲频率，即中心工作频率为120kHZ，谐振频率为150kHZ，PWM输出脉冲频率，即中心工作频率在90kHZ-150kHZ范围内调整。 

PWM输出脉冲频率在本发明中定义为中心工作频率，LC匹配的频率为固有谐振频率，称为谐振频率。 

模拟采样电路对充电电压及电流进行采样；无线充电接收器输出电路中板载电流传感器(ACS712)，将输出电流信号感应为电压信号送入第二微控制器检测，电流传感器由NCP699供电。第二微控制器将采样信号进行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次边线圈，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第一微控制器能够读取并解码。第一微控制器读取充电反馈信息，从而得知充电端充电功率需求。第一微 控制器通过内置算法程序，当充电功率低于预设充电功率时，增大PWM输出脉冲频率(中心工作频率)使其往谐振频率方向调整，谐振振幅加大进而增大充电功率；当充电功率高于预设充电功率时，减小PWM输出脉冲频率使其远离谐振频率，谐振振幅减小从而减小充电功率。如此，维持了充电功率的恒定。 

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***中】，不需要额外的通信模块，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，原边线圈和次边线圈即使在上下对齐相距5CM仍能够可靠通信。数据包采用ID标识，实现了自动目标识别功能。利用C8051F330单片机片内资源，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，无线充电电源工作时无需外接适配器，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.本发明能大大降低生产成本，易于产品化。 

附图说明

图1为本发明的无线充电装置的原理框图。 

图2为无线充电发射器原理框图。 

图3为无线充电接收器原理框图。 

图4为本发明的反馈数据包结构图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。 

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原边线圈，谐振原边线圈与串联的第一谐振电容1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，无线充电接收器的微控制器通过模拟采样电路和电流传感器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次边线圈向原边线圈通信。 

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、第一微控制器、PPM解码电路及谐振发射电路。 

第一微控制器主要作用是：对原边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，若采样峰值电压在谐振峰值电压±5％内，则关断PWM脉冲信号，进而停止充电。 

LC谐振***中，谐振电容、电感匹配存在一定的误差，LC谐振时，实际谐振电容、电感误差会匹配出偏移原设计谐振点组合，导致大批量生产时LC谐振点不一致，发射功率与设计预定值有所偏差(超出±2％)，降低产品合格率。LC谐振***有几个重要特性：第一，每一组谐振线圈与电容的组合谐振曲线不同；第二，不同驱动电压下曲线也不同；第三，在发射器工作时检测是否有金属异物存在。如此，所需的谐振线圈、电容实际谐振频率，以及它们在无金属异物下的典型曲线及其参数，在无线充电器出厂前已通过总结大量实验数据确定，通过扫描方式将线圈的典型曲线烧写到电路的EEPROM中。出厂后每一组无线充电***均有自己的典型曲线记录，工作时第一微控制器通过查表方式，对比此时中心工作频率下的振幅状态与典型值的差异量。如果此时振幅电压低于振幅电压典型值，第一微控制器通过查表方式，增大中心工作频率使振幅增大；振幅电压高于振幅电压典型值，第一微控制器减小中心工作频率使振幅减小。此时中心工作频率具体的增大量与减小量是依据表中的控制法则(大量实验总结出)进行的，每个频率对应一个振幅值。本***中设值的谐振频率为150kHZ，中心工作频率为120kHZ，频率解析度为1kHZ，解析频率下限范围为90kHZ-120kHZ，上限范围为120kHZ-150kHZ，以上控制方式为频率非线性修正。通过频率非线性修正技术，达到的效果为：实现变频，调整功率，稳定发射及充电功率；消除LC误差，使量产时发射功率误差保持在±2％；检测是否有安全隐患的金属异物存在。 

发射模块上电时，初始的中心工作频率为120kHZ。第一微控制器通过解析采样的峰峰值电压，与典型值比较，通过频率非线性修正技术使频率以1KHZ的解析度以120KHZ为中心在90kHZ-150kHZ范围内变动，稳定发射功率。 

谐振***中，PWM输出脉冲频率等于谐振频率时，谐振振幅最大。振幅大，输出功率就大。设置PWM输出脉冲频率低于谐振频率，当PWM输出频率远离谐振频率时，振幅减小；PWM输出频率靠近谐振频率时，振幅增大。根据这个原理，调节PWM输出脉冲频率便可调节输出功率。 

AC-DC变换电路由AC-DC电源模块及其***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供电模块作为第一微控制器的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模块为第一微控制器供电。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：全桥芯片接收第一微控制器的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。 

谐振发射电路由第一谐振电容1及谐振原边线圈通过串联谐振方式组成，主要完成以下功能：第一谐振电容1与原边线圈在交流正负方波激励下产生谐振发送电磁波；原边线圈兼做通信线圈用。本发明中心工作频率设定为120kHZ，电容与线圈按照进行参数匹配，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***工作时，PPM解码电路接收原边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调制信号转化为第一微控制器能够读取的脉冲信号。电路由一片四路运放LM324及其***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、第二微控制器及PPM发射电路组成。 

接收器LC谐振电路中，第二谐振电容2与次边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***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5 V，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，第二微控制器对DC-DC转换器输出的充电电流进行采样，对输出的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。采样电压及电流信号经过RC低通滤波后输入到微控制器，第二微控制器对四路模拟电压及电流信号进行数字脉冲调制编码(PPM)，并发出相应的脉冲序列，驱动PPM发射电路。具体原理为：第二微控制器首先输出一定宽度的帧同步脉冲，然后第二微控制器对电流信号和四路输出模拟电压信号进行采样，其中将四路模拟采样值求平均，以提高采样精度，并将求出的电压平均值和电流值进行A/D转换。接着计数器进行减1运算，当计数器减到0时，第二微控制器输出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。第二微控制器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，第二微控制器对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：高速光耦接收第二微控制器发出的脉冲序列，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次边线圈发送至无线充电发射器。第一微控制器读取充电反馈信息，从而得知充电端充电功率需求。第一微控制器通过内置算法程序，当充电功率低于预设充电功率时，增大PWM输出脉冲频率使其往谐振频率方向移动，谐振振幅加大进而增大充电功率；当充电功率高于预设充电功率时，减小PWM输出脉冲频率使其远离谐振频率，谐振振幅减小从而减小充电功率。如此，维持了充电功率的恒定。 

本发明选择PPM(脉冲位置调制)调制方式，反馈数据包定义如图4所示，包括：包头标识，用于指定数据包传输数据内容；ID标识，用于对数据包进行识别；数据码组，用于传送输出电流电压数据信息；数据校验和，用于对传输过程中出现的误码进行校验，减少误码率。下表1为反馈数据包结构。 

表1反馈数据包结构 

进一步地，若上电后无线充电发射器未收到无线充电接收器发送的数据包，则无线充电发射器不发射电磁能量，处于待机状态，直至收到反馈数据包。无线充电发射器通过接 收数据包的ID标志位进行识别。无线充电电源充电过程为：发射板上电时，发射板向接收板传输电量，此时发射板并未接收到接收板反馈信号(PPM传输协议)，处于待机状态；次边线圈接收电磁能量，感应出电压向接收***供电，微控制器开始工作并生成反馈信号，经过功率放大反馈到发射板，发射板接收到反馈信号后才由待机状态转向工作状态。 

Claims (9)

1.一种无线充电发射器，其特征在于，包括第一微控制器、驱动电路、谐振发射电路、PPM解码电路和电源电路；第一微控制器、驱动电路和谐振发射电路依次连接；谐振发射电路通过PPM解码电路与第一微控制器的信号反馈端连接，所述第一微控制器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；

所述谐振发射电路包括原边线圈与第一谐振电容(1)；

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供电电路为第一微控制器供电。

所述谐振发射电路还与第一微控制器直接相连。

2.根据权利要求1所述的无线充电发射器，其特征在于，所述AC-DC变换电路直接由市电供电。

3.一种无线充电接收器，其特征在于，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、第二微控制器和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第二微控制器连接，第二微控制器和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，包括次边线圈和第二谐振电容(2)；

所述全桥整流电路和第二微控制器之间还连接有开关稳压芯片NCP699。

4.根据权利要求3所述的无线充电接收器，其特征在于，所述PPM发射电路包括高速光耦和开关MOS管，用于对第二微控制器输出的序列脉冲进行功率放大。

5.一种无线充电装置，其特征在于，包括权利要求1—2中任一项所述的无线充电发射器和权利要求3—4中任一项所述的无线充电接收器，所述原边线圈与次边线圈以上下平行对齐方式放置，原边线圈与次边线圈同时为通信线圈。

6.根据权利要求5所述的无线充电装置，其特征在于，所述第一微控制器和第二微控制器均为C8051F330单片机。

7.一种无线充电方法，其特征在于，采用权利要求8所述的无线充电装置，包括以下步骤：

步骤一：无线充电发射器上电，并发送电磁信号；若没有收到反馈信号，进入待机状态；

步骤二：无线充电接收器收到电磁信号后，向无线充电发射器发送反馈信号；

步骤三：第一微控制器对接收到的信号进行识别，如果是无线充电发射器发送的反馈信号，则开始向无线充电接收器传输电量；

步骤四：第二微控制器通过模拟采样电路采集DC-DC转换电路的输出电压，通过电流传感器采样输出电流；

若发生过压或者过流，第二微控制器向开关稳压芯片NCP699发出关断信号，停止发送反馈信号，电量传输中断；

否则，第二微控制器对采样到的输出电压和输出电流信号进行PPM编码，产生反馈信号经PPM发射电路和次边线圈发送到无线充电发射器；原边线圈接收反馈信号，经PPM解码电路解码发送到第一微控制器；第一微控制器读取反馈信号并进行判断，当充电功率低于预设充电功率时，增大PWM输出脉冲频率；当充电功率高于预设充电功率时，减小PWM输出脉冲频率；

所述无线充电发射器上电时，设定PWM输出脉冲频率低于谐振频率。

8.根据权利要求7所述的无线充电方法，其特征在于，所述步骤三还包括：

第一微控制器对原边线圈上输出的交流电压峰值进行采样，与振幅电压典型值和谐振峰值电压比较：

(1)若采样的峰值电压在谐振峰值电压±5％内，说明发射底座上有金属异物，第一微控制器关断PWM脉冲信号，进而停止充电；

(2)如果采样的峰值电压低于振幅电压典型值，第一微控制器按照设定的控制法则增大中心工作频率；如果采样的峰值电压高于振幅电压典型值，第一微控制器按照设定的控制法则减小中心工作频率；

所述振幅电压典型值是指在设定的PWM输出脉冲频率下，原边线圈上输出的交流电压峰值理论值；所述谐振峰值电压是指在设定PWM输出脉冲频率等于谐振频率时，原边线圈上输出的交流电压谐振峰值理论值。

9.根据权利要求7所述的无线充电方法，其特征在于，所述无线充电发射器上电时，设定PWM输出脉冲频率为120kHZ，谐振频率为150kHZ，PWM输出脉冲频率在90kHZ-150kHZ范围内调整。