CN108683265A - 一种功率自适应控制的无线充电收发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率自适应控制的无线充电收发装置，包括直流供电电源、电源稳压模块、信号发生模块、单片机、电流采样器、全桥驱动放大模块、发射线圈以及Qi标准接收端，信号发生模块连接全桥驱动放大模块，全桥驱动放大模块连接电流采样器，电流采样器连接单片机，单片机连接信号发生模块，四者构成闭环回路顺序级联的结构，全桥驱动放大模块输出端连接发射线圈。本发明其优点在于发射功率随充电距离和位置的改变自适应调节，保持恒定的功率输出，功率自适应控制算法精确度高，能够根据负载变化情况快速地做出功率调整，发射电路方案兼容Qi标准，无线充电距离可达50mm以上，阵列发射线圈可以有效地拓展无线充电区域。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种功率自适应控制的无线充电收发装置。
背景技术
近些年来，无线充电在逐渐改变我们的生活，伴随着手机、平板电脑、手表等一系列消费电子产品引入无线充电技术，使得无线充电具有非常广阔的发展前景。目前市场上主流的无线充电技术是基于磁感应耦合的Qi标准，例如苹果、三星等手机厂商推出的无线充电产品都是基于Qi标准，实现了不同品牌之间无线充电产品的相互兼容，可以预测Qi标准是未来无线充电产品发展的方向。
目前手机Qi无线充电技术存在以下一些问题：发射功率低、发射功率缺少自适应控制、充电距离近、收发线圈之间任何位置的偏移都会导致传输功率和传输效率明显下降等。针对于以上的问题，国内外研究者提出了一些解决方案，蔡小伟等人公开了一种基于Qi标准的无线充电器研究(蔡小伟、黄桂萍、陈阳、林华丰，基于Qi标准的无线充电器研究[J]，龙岩学院学报，2017，35(2)：19-23)，提出了一种利用STM8单片机设计符合Qi标准的无线充电器的方法，该方法利用单片机灵活扩展性，可方便嵌入到其它设备当中。但是该方法只是实现了Qi标准芯片的一些基本功能，并没有实现发射功率的自适应控制，并且充电距离近，无磁场均匀设计，充电时收发线圈需要正对。刘宏亮等人公开了一种无线充电器自适应功率输出功率控制算法(刘宏亮、方海，一种无线充电器自适应功率输出功率控制算法，中国发明专利，申请号201410015818.0，申请日2014.01.14)，通过在动态和静态两种情况下，限制瞬时功率防止微处理器复位，并且控制输出功率达到最大的控制算法。只是该算法是通过自动调整输出功率来适应输入功率的需求，防止芯片复位，而不是保持发射功率的自适应恒定输出。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种用于无线充电的收发装置，在实现兼容市场上主流Qi标准接收端无线充电时，发射功率的自适应控制和发射线圈磁场均匀分布，同时实现其结构的集成化、简洁化和低成本化。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种功率自适应控制的无线充电收发装置，包括直流供电电源、电源稳压模块、信号发生模块、单片机、电流采样器、全桥驱动放大模块、发射线圈以及Qi标准接收端；其特征在于：所述直流供电电源与电源稳压模块和全桥驱动放大模块相连；所述电源稳压模块输出连接信号发生模块、单片机以及电流采样器；所述信号发生模块的输出与全桥驱动放大模块连接，所述全桥驱动放大模块输出连接发射线圈，三者构成顺序级联的结构；所述电流采样器与全桥驱动放大模块相连，电流采样器的输出端连接单片机；所述单片机的输出端与信号发生模块相连；所述信号发生变换模块、全桥驱动放大模块、电流采样器和单片机四者构成闭环回路；所述Qi标准接收端放置于发射线圈的上方，Qi标准接收端与发射线圈之间的距离和位置可在一定范围内变化；所述无线充电收发装置的功率自适应控制工作流程为：
第一步，信号发生模块产生初始频率的脉冲宽度调制波，该调制波信号通过全桥驱动放大模块放大输出一定幅度的方波，该方波信号加载于发射线圈两端，能量通过发射线圈向自由空间发射，Qi标准接收端经过磁场耦合接收到能量；
第二步，电流采样器采集全桥驱动放大模块输出电路上的电流，并将采样到的电流信息反馈给单片机；
第三步，单片机经过数据处理后，利用程序控制信号发生模块产生的脉冲宽度调制波的频率，当采样得到的电流值为极大值时，停止工作频率的调控并锁定相应频率；
第四步，每隔一定时间重复第一、二、三步，确保任何时候电流采样器采集到的电流都处于极大值，进而完成无线充电收发装置的功率自适应控制。
进一步的，所述的发射线圈包括平面螺旋阵列发射线圈、介质基板、馈电网络、四个结构尺寸相同的第一金属化通孔以及两个结构尺寸相同的第二金属化通孔；所述平面螺旋阵列发射线圈包括四个结构尺寸相同的第一平面螺旋线圈、第二平面螺旋线圈、第三平面螺旋线圈以及第四平面螺旋线圈，四个平面螺旋线圈呈现2*2的方阵排列；所述馈电网络包括第一金属铜片、第二金属铜片以及谐振电容；所述平面螺旋阵列发射线圈通过四个结构尺寸相同的第一金属化通孔与馈电网络中的第一金属铜片相连；所述平面螺旋阵列发射线圈通过两个结构尺寸相同的第二金属化通孔与馈电网络中的第二金属铜片相连，实现四个平面螺旋线圈与谐振电容并联谐振的效果；所述谐振电容的两端分别连接第一金属铜片和第二金属铜片的中间位置，该2*2方阵结构的平面螺旋线圈可以有效地拓展无线充电区域。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明采用的发射电路模块可以实现发射功率随充电距离变化自适应控制，保持恒定的功率输出；
(2)本发明采用的功率自适应控制算法精确度高，能够根据负载变化情况快速地做出功率调整；
(3)本发明采用的发射电路方案兼容Qi标准，对具有Qi标准的手机进行无线充电时，充电距离可达50mm以上，而市场上普遍的Qi标准无线充电距离小于10mm，对比现有Qi技术本发明具有充电距离远的优势；
(4)本发明采用的阵列发射线圈可有效实现空间磁场均匀分布，接收端在发射线圈大小的平面区域内平行移动时，充电效率基本保持不变，本发明克服了Qi标准无线充电收发线圈需要正对以及充电位置单一的问题。
本发明的目的、特征及优点将结合实施例，参照附图作如下进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明的发射线圈结构示意图。
图3是本发明发射线圈的顶层电路结构示意图。
图4是本发明发射线圈的底层馈电网络结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：如图1的总体结构示意图所示，一种功率自适应控制的无线充电收发装置，包括直流供电电源、电源稳压模块、信号发生模块、单片机、电流采样器、全桥驱动放大模块、发射线圈以及Qi标准接收端。所述的12V直流供电电源对全桥驱动电路进行直接供电；所述的电源稳压模块采用AMS1117-3.3稳压芯片，12V直流供电电源经过稳压模块DC-DC降压后获得3.3V的直流电压，对信号发生模块、单片机以及电流采样器进行供电；所述信号发生模块由DDS芯片AD9833作为主芯片，通过30MHz的有源晶振提供准确稳定的参考频率；所述的单片机由控制芯片STM32F103C8T6作为主芯片，配置8MHz晶振；所述电流采样器采用集成式单电源仪表放大器AD623，配置放大倍数为101倍的放大器对采样电阻上的电压进行采样；所述全桥驱动放大模块由2个IR2111半桥驱动芯片和4个IRLR7843大功率场效应管构成；所述信号发生模块的输出与全桥驱动放大模块连接，所述全桥驱动放大模块输出连接发射线圈，三者构成顺序级联的结构；所述电流采样器与全桥驱动放大模块相连，电流采样器的输出端连接单片机；所述单片机的输出端与信号发生模块相连；所述信号发生变换模块、全桥驱动放大模块、电流采样器和单片机四者构成闭环回路；所述Qi标准接收端放置于发射线圈的上方，Qi标准接收端与发射线圈之间的距离和位置可在一定范围内变化；所述无线充电收发装置的功率自适应控制工作流程为：
第一步，信号发生模块的AD9833芯片产生初始频率的脉冲宽度调制波，该调制波信号通过全桥驱动放大模块放大输出一定幅度的方波，该方波信号加载于发射线圈两端，能量通过发射线圈向自由空间发射，Qi标准接收端放置于发射线圈上方，经过磁场耦合接收到能量；
第二步，电流采样器采集全桥驱动放大模块输出电路上的电流，并将采样到的电流信息反馈给单片机；
第三步，单片机经过数据处理后，由控制芯片STM32F103C8T6通过程序控制信号发生模块中主芯片AD9833产生的脉冲宽度调制波频率的大小，控制芯片STM32F103C8T6和主芯片AD9833通过IIC协议进行数据交换，当采样得到的电流值为极大值时，停止工作频率的调控并锁定相应频率；
第四步，每隔一定时间重复第一、二、三步，确保任何时候电流采样器采集到的电流都处于极大值，进而完成无线充电收发装置的功率自适应控制。
进一步的，如图2的发射线圈结构图所示，所述的发射线圈，包括平面螺旋阵列发射线圈1、介质基板2、馈电网络3、四个结构尺寸相同的第一金属化通孔4以及两个结构尺寸相同的第二金属化通孔5。所述发射线圈长宽为20.8cm*20.8cm，介质基板2为1.2mm厚度的FR4基板，基板介电常数为4.6，损耗正切角为0.025，四个结构尺寸相同的第一金属化通孔4半径均为0.8mm，两个结构尺寸相同的第二金属化通孔5半径均为1mm。如图3所示，所述平面螺旋阵列发射线圈1包括四个结构尺寸相同的第一平面螺旋线圈11、第二平面螺旋线圈12、第三平面螺旋线圈13以及第四平面螺旋线圈14，四个平面螺旋线圈呈现2*2的方阵排列，并且印刷于介质基板2的上表面，每个平面螺旋线圈有5匝，线圈每匝宽度为6mm。如图4所示，所述馈电网络3包括第一金属铜片31、第二金属铜片32以及谐振电容33，馈电网络3印刷于介质基板2的底面，谐振电容33的容值为450nF，所述平面螺旋阵列发射线圈1通过四个结构尺寸相同的第一金属化通孔4与馈电网络3中的第一金属铜片31相连；平面螺旋阵列发射线圈1通过两个结构尺寸相同的第二金属化通孔5与馈电网络3中的第二金属铜片33相连，实现四个平面螺旋线圈与谐振电容33并联谐振的效果；所述谐振电容33的两端分别连接第一金属铜片31和第二金属铜片32的中间位置。该2*2方阵结构的平面螺旋线圈能够有效地拓展平面无线充电区域，当Qi标准接收端在第一平面螺旋线圈11、第二平面螺旋线圈12、第三平面螺旋线圈13以及第四平面螺旋线圈14中心位置上方时都可以进行无线充电，同时充电的功率会随着充电距离的变化进行自适应控制，发射端保持恒定发射功率输出，最远的无线充电距离可达50mm以上。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种功率自适应控制的无线充电收发装置，包括直流供电电源、电源稳压模块、信号发生模块、单片机、电流采样器、全桥驱动放大模块、发射线圈以及Qi标准接收端；其特征在于：所述直流供电电源与电源稳压模块和全桥驱动放大模块相连；所述电源稳压模块输出连接信号发生模块、单片机以及电流采样器；所述信号发生模块的输出与全桥驱动放大模块连接，所述全桥驱动放大模块输出连接发射线圈，三者构成顺序级联的结构；所述电流采样器与全桥驱动放大模块相连，电流采样器的输出端连接单片机；所述单片机的输出端与信号发生模块相连；所述信号发生变换模块、全桥驱动放大模块、电流采样器和单片机四者构成闭环回路；所述Qi标准接收端放置于发射线圈的上方，Qi标准接收端与发射线圈之间的距离和位置可在一定范围内变化。
2.根据权利要求1所述的一种功率自适应控制的无线充电收发装置，其特征在于：信号发生模块由能产生方波的电路构成，电流采样器由仪表放大器和采样电阻构成，全桥驱动电路由两个半桥驱动芯片和四个场效应管构成。
3.根据权利要求1所述的一种功率自适应控制的无线充电收发装置，其特征在于：所述的发射线圈包括平面螺旋阵列发射线圈(1)、介质基板(2)、馈电网络(3)、四个结构尺寸相同的第一金属化通孔(4)以及两个结构尺寸相同的第二金属化通孔(5)；所述平面螺旋阵列发射线圈(1)包括四个结构尺寸相同的第一平面螺旋线圈(11)、第二平面螺旋线圈(12)、第三平面螺旋线圈(13)以及第四平面螺旋线圈(14)，四个平面螺旋线圈呈现2*2的方阵排列；所述馈电网络(3)包括第一金属铜片(31)、第二金属铜片(32)以及谐振电容(33)；所述平面螺旋阵列发射线圈(1)通过四个结构尺寸相同的第一金属化通孔(4)与馈电网络(3)中的第一金属铜片(31)相连；所述平面螺旋阵列发射线圈(1)通过两个结构尺寸相同的第二金属化通孔(5)与馈电网络(3)中的第二金属铜片(32)相连，实现四个平面螺旋线圈与谐振电容(33)并联谐振的效果；所述谐振电容(33)的两端分别连接第一金属铜片(31)和第二金属铜片(32)的中间位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20181019 |