CN104617646A - 一种基于zvs自激磁共振的智能无线充电装置 - Google Patents

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李颖
陈晖�
牟进强
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Abstract

本发明涉及一种基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置，其特征在于：它包括发射端电能变换模块、ZVS自激共振发射模块、无线接收与电能变换模块和智能控制模块；发射端电能变换模块将市电变换为直流稳压电源，并供ZVS自激共振发射模块使用；ZVS自激共振发射模块通过自激振荡将直流供电电压转化为LC谐振交流电并建立磁场；无线接收与电能变换模块将通过磁场无线接收的电磁信号转化成电能，并通过恒压恒流等电能变换将合适的电能提供给待充电设备；智能控制模块用于对待充电设备进行过流保护和过充保护。本发明可以广泛用于小功率移动设备(例如手机、平板电脑等)的短距离无线充电领域。

Description

一种基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置
技术领域
本发明涉及一种智能无线充电装置，特别是关于一种基于ZVS(Zero VoltageSwitch，零电压开关)自激磁共振的智能无线充电装置。
背景技术
目前，无线充电技术的原理有三种：电磁感应式充电、无线电波式充电和磁场共振式充电。目前市场上的产品以电磁感应式和磁场共振式两种无线充电解决方案为主，其中最为常见的充电解决方案采用了电磁感应式充电，比如QI(Wireless Power Consortium，无线充电联盟)标准组织。
1)电磁感应式充电：电磁感应式充电是在初级线圈上接通交流电，通过电磁感应在次级线圈产生电流，从而将能量从传输端转移到接收端，这种传输方法需要一对一进行短距离充电，待充电设备需要对准线圈，而且充电器必须具备对被充电产品进行辨识的能力，否则会向附近任意金属物质传输能量，导致其发热从而产生危险。
2)无线电波式充电：无线电波式充电主要由微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，但是由于发射器发送的大量功率以无线电波的方式被浪费掉，所以传输功率和效率都很低，无法在2、3个小时之内完成手机等移动设备的充电任务。
3)磁场共振式充电：磁场共振式充电是根据不同谐振线圈产生的磁场频率相同时，磁场会发生共振，形成共振能量传输通道的原理，从而实现电能的无线传输，而此时的磁场频率称为谐振频率。相对于以上两种常见的无线电能传输方式，其能量传输距离更远，且传输方向不受限制，而且磁场共振式引入谐振频率，使电能在特定谐振频率下传输，提高了它的抗干扰能力。
磁场共振式充电方法大多采用桥式电路或桥式硬开关电路实现磁场共振，谐振频率不易获得，而且必须对所需频率进行保护。不同线圈的谐振频率不一致时，也会降低传输效率，并且当磁场频率过高时，开关管损耗增大，且需有外部信号源给出特定时序信号驱动开关管，驱动电路复杂繁琐，导致***较为庞大，这些都直接限制了无线充电的距离和效率。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种尽可能提高无线电能的传输距离和传输效率、且智能化控制待充电设备的基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置，其特征在于：它包括发射端电能变换模块、ZVS自激共振发射模块、无线接收与电能变换模块和智能控制模块；所述发射端电能变换模块将市电变换为直流稳压电源，并供所述ZVS自激共振发射模块使用；所述ZVS自激共振发射模块通过自激振荡将直流供电电压转化为LC谐振交流电并建立磁场；所述无线接收与电能变换模块将通过所述磁场无线接收的电磁信号转化成电能，并将其转换成可用的恒流恒压电能形式提供给待充电设备；所述智能控制模块用于对待充电设备进行过流保护和过充保护。
所述发射端电能变换模块包括同步整流机构和第一DC-DC变换机构；所述同步整流机构将市电变成直流信号，并传送给所述第一DC-DC变换机构；所述第一DC-DC变换机构对该直流信号处理，转换成直流稳压电源供所述ZVS自激共振发射模块使用。
所述同步整流机构采用MOS管全桥整流电路。
所述ZVS自激共振发射模块包括ZVS谐振电路和发射线圈，且所述ZVS谐振电路连接所述第一DC-DC变换机构；所述ZVS谐振电路产生高频磁场，并通过所述发射线圈发射电磁波。
所述第一DC-DC变换机构和所述第二DC-DC变换机构采用KA3525芯片设计直流斩波电路实现直流电压变换；所述ZVS谐振电路采用IRF540开关管设计ZVS电路激发LC振荡。
所述无线接收与电能变换模块包括接收线圈、AC-DC变换机构、第二DC-DC变换机构和恒流供电机构；所述接收线圈通过磁场共振无线连接所述发射线圈；
所述接收线圈将通过高频磁场收到的交流谐振电压传送给所述AC-DC变换机构；所述AC-DC变换机构将其转换成直流电压，并将其传送给所述第二DC-DC变换机构；所述第二DC-DC变换机构输出可调直流电压，将输出的可调直流电压供给所述恒流供电机构；所述恒流供电机构提供恒流电压为待充电设备供电。
所述AC-DC变换机构采用MOS管全桥整流电路；所述恒流供电机构采用LM3421芯片设计恒流稳压电路实现恒流输出。
所述智能控制模块包括电流传感器、电压传感器、单片机、继电器和人机交互界面，且所述单片机内预先设定电流阈值和电压阈值，所述继电器连接所述第二DC-DC变换机构；所述电流传感器和所述电压传感器通过采集待充电设备输入端的电流和电压信号输入给所述单片机，所述单片机通过对比其内预先设定的电流阈值和电压阈值进行判断：当待充电设备输入端的电压或电流超出阈值时，所述单片机输出信号控制所述继电器动作，实现所述第二DC-DC变换机构的关断，以防待充电设备过流或过充；当待充电设备输入端的电压或电流未超出阈值时，所述单片机不输出控制信号，继续对待充电设备充电；通过所述人机交互界面实时显示当前充电电压以及电流，并且根据待充电设备的规格要求设置充电电压阈值和电流阈值。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用磁共振式无线充电技术，共振式无线充电具有非辐射电磁能谐振隧道效应，设计产生高频谐振磁场，提高了电能传输的抗干扰性，并且该谐振磁场不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场，其能量传输距离更远，且传输方向不受限制，其有效传输距离为几十厘米到几米。因此相较于现阶段无线充电装置都采用的是感应式无线充电技术而言，传播距离更长。2、由于ZVS谐振电路在MOS管开关过程前后产生谐振，开关管开通前电压先降到零，大大减少了开关管的开关损耗，又由于非辐射电磁能谐振隧道效应，使得在几十厘米到几米范围内能量损失也很少，进而使得传输效率很高。3、本***由于采用了ZVS谐振电路，可以自行谐振，相比于传统桥式电路而言，电路简单易于实现。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于小功率移动设备(例如手机、平板电脑等)的短距离无线充电领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括发射端电能变换模块1、ZVS自激共振发射模块2、无线接收与电能变换模块3和智能控制模块4。
其中，发射端电能变换模块1将市电变换为直流稳压电源，并供ZVS自激共振发射模块2使用；ZVS自激共振发射模块2通过自激振荡将直流供电电压转化为LC谐振交流电并建立磁场；无线接收与电能变换模块3将通过磁场无线接收的电磁信号转化成电能，并将其转换成可用的恒流恒压电能形式提供给待充电设备；智能控制模块4用于对待充电设备进行过流保护和过充保护。
发射端电能变换模块1包括同步整流机构11和第一DC-DC变换机构12。ZVS自激共振发射模块2包括ZVS谐振电路21和发射线圈22。无线接收与电能变换模块3包括接收线圈31、AC-DC变换机构32、第二DC-DC变换机构33和恒流供电机构34；智能控制模块4包括电流传感器41、电压传感器42、单片机43、继电器44和人机交互界面45，且单片机43内预先设定电流阈值和电压阈值。
同步整流机构11依次电连接第一DC-DC变换机构12、ZVS谐振电路21和发射线圈22，发射线圈22通过磁场共振无线连接接收线圈31，接收线圈31依次电连接AC-DC变换机构32、第二DC-DC变换机构33、恒流供电机构34和待充电设备。电流传感器41和电压传感器42电连接在待充电设备的输入端，并分别连接单片机43的输入端，单片机43的输出端分别连接恒流供电机构34、继电器44和人机交互界面45，且继电器44电连接第二DC-DC变换机构33。
上述实施例中，同步整流机构11可以采用MOS管全桥整流电路，具体采用LT4320和IRF540芯片实现。第一DC-DC变换机构12和第二DC-DC变换机构33可以采用KA3525芯片设计直流斩波电路，实现直流电压变换。ZVS谐振电路21可以采用IRF540开关管设计ZVS电路激发LC振荡。AC-DC变换机构32同样可以采用MOS管全桥整流电路，具体使用LT4320和IRF540芯片实现。恒流供电机构34可以采用LM3421芯片设计恒流稳压电路实现恒流输出。
本发明工作时：
1)市电经过发射端电能变换模块1中的同步整流机构11将其变成直流信号，并将其传送给第一DC-DC变换机构12对该直流信号处理，转换成直流稳压电源供ZVS自激共振发射模块2使用；
2)ZVS自激共振发射模块2中的ZVS谐振电路21产生高频磁场(该高频磁场为发射线圈22和接收线圈31形成共振状态下的磁场，可以预先计算获得)，并通过发射线圈22发射电磁波，根据电磁感应定律，在接收线圈31中也产生变化的磁场，当发射线圈22和接收线圈31产生的磁场频率相同时，即都达到谐振频率，磁场发生共振，形成共振能量传输通道，提高无线电能传输的效率；
3)无线接收与电能变换模块3中的接收线圈31将通过磁场无线接收到的交流谐振电压传送给AC-DC变换机构32；AC-DC变换机构32将其转换成直流电压，并将其传送给第二DC-DC变换机构33；第二DC-DC变换机构33输出可调直流电压，将输出的可调直流电压供给恒流供电机构34，输出恒流电压给待充电设备；
4)智能控制模块4中的电流传感器41和电压传感器42通过采集待充电设备输入端的电流和电压信号传送给单片机43，单片机43通过对比其内预先设定的电流阈值和电压阈值进行判断：当待充电设备输入端的电压或电流超出相应阈值时，单片机43输出信号控制继电器44动作，实现第二DC-DC变换机构33的关断，以防待充电设备过流或过充；当待充电设备输入端的电压或电流未超出阈值时，单片机44不输出控制信号，继续对待充电设备充电。
通过人机交互界面45显示当前充电电压以及电流，并且根据待充电设备的规格要求设置充电电压阈值和电流阈值。另外，当待充电设备的充电电压变换时，可以通过人机交互界面45设置相应的恒流供电机构34中电阻和电容值参数，通过单片机43将控制信号传送给恒流供电机构34实现输出不同的恒流电压，以满足不同待充电设备的要求。
上述各实例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置，其特征在于：它包括发射端电能变换模块、ZVS自激共振发射模块、无线接收与电能变换模块和智能控制模块；
所述发射端电能变换模块将市电变换为直流稳压电源，并供所述ZVS自激共振发射模块使用；
所述ZVS自激共振发射模块通过自激振荡将直流供电电压转化为LC谐振交流电并建立磁场；
所述无线接收与电能变换模块将通过所述磁场无线接收的电磁信号转化成电能，并将其转换成可用的恒流恒压电能形式提供给待充电设备；
所述智能控制模块用于对待充电设备进行过流保护和过充保护。
2.如权利要求1所述的一种基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置，其特征在于：所述发射端电能变换模块包括同步整流机构和第一DC-DC变换机构；所述同步整流机构将市电变成直流信号，并传送给所述第一DC-DC变换机构；所述第一DC-DC变换机构对该直流信号处理，转换成直流稳压电源供所述ZVS自激共振发射模块使用。
3.如权利要求2所述的一种基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置，其特征在于：所述同步整流机构采用MOS管全桥整流电路。
4.如权利要求2或3所述的一种基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置，其特征在于：所述ZVS自激共振发射模块包括ZVS谐振电路和发射线圈，且所述ZVS谐振电路连接所述第一DC-DC变换机构；所述ZVS谐振电路产生高频磁场，并通过所述发射线圈发射电磁波。
5.如权利要求4所述的一种基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置，其特征在于：所述第一DC-DC变换机构和所述第二DC-DC变换机构采用KA3525芯片设计直流斩波电路实现直流电压变换；所述ZVS谐振电路采用IRF540开关管设计ZVS电路激发LC振荡。
6.如权利要求5所述的一种基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置，其特征在于：所述无线接收与电能变换模块包括接收线圈、AC-DC变换机构、第二DC-DC变换机构和恒流供电机构；所述接收线圈通过磁场共振无线连接所述发射线圈；
所述接收线圈将通过高频磁场收到的交流谐振电压传送给所述AC-DC变换机构；所述AC-DC变换机构将其转换成直流电压，并将其传送给所述第二DC-DC变换机构；所述第二DC-DC变换机构输出可调直流电压，将输出的可调直流电压供给所述恒流供电机构；所述恒流供电机构提供恒流电压为待充电设备供电。
7.如权利要求6所述的一种基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置，其特征在于：所述AC-DC变换机构采用MOS管全桥整流电路；所述恒流供电机构采用LM3421芯片设计恒流稳压电路实现恒流输出。
8.如权利要求6或7所述的一种基于ZVS自激磁共振的智能无线充电装置，其特征在于：所述智能控制模块包括电流传感器、电压传感器、单片机、继电器和人机交互界面，且所述单片机内预先设定电流阈值和电压阈值，所述继电器连接所述第二DC-DC变换机构；
所述电流传感器和所述电压传感器通过采集待充电设备输入端的电流和电压信号输入给所述单片机，所述单片机通过对比其内预先设定的电流阈值和电压阈值进行判断：当待充电设备输入端的电压或电流超出阈值时，所述单片机输出信号控制所述继电器动作，实现所述第二DC-DC变换机构的关断，以防待充电设备过流或过充；当待充电设备输入端的电压或电流未超出阈值时，所述单片机不输出控制信号，继续对待充电设备充电；通过所述人机交互界面实时显示当前充电电压以及电流，并且根据待充电设备的规格要求设置充电电压阈值和电流阈值。
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