TWI435511B - 無線充電系統及其發射端電路 - Google Patents

Description

無線充電系統及其發射端電路

本案係關於一種無線充電系統，特別關於一種無線充電系統及其發射端電路。

近來，利用電磁感應技術所構成之無線充電系統大幅發展，並廣泛應用於各種日常用品或電腦相關設備，例如電動牙刷、手機等等。在充電的過程中，無線充電系統之一發射端電路係提供電力，使得無線充電系統之一接收端電路能以電磁感應方式進行充電。

目前已知的電磁充電系統係使用獨立的發射晶片與接收晶片，因而使得成本大幅增加。另外，在無線充電系統中，發射端電路需判斷負載(即接收端電路)是否已安置好以便進行充電。實作上必須用一些特殊的方法與電路來去除負載的效應，才能準確判斷是否有負載，此舉增加了成本與電路設計的複雜度。

本案提供一種發射端電路包含一整流單元、一控制單元、一共振單元、一一次側線圈以及一電感單元。控制單元輸出一控制訊號至整流單元。共振單元具有一第一端連接到整流單元。一次側線圈與共振單元連接。電感單元與一次側線圈之一第二端連接並連接控制單元。

本案另提供一種無線充電系統，包含一發射端電路與一接收端電路構成。其中發射端電路包含：一整流單元；一控制單元，輸出一控制訊號至該整流單元；一共振單元，具有一第一端連接到該整流單元；一一次側線圈，與該共振單元連接；及一電感單元，與該一次側線圈之一第二端連接，並連接該控制單元。而接收端電路具有一二次側線圈。

以下將參照相關圖式，說明依本案較佳實施例之一種無線充電系統及其發射端電路，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖1為本發明實施例之一種無線充電系統的方塊示意圖。無線充電系統包含一發射端電路1以及一接收端電路2。其中，發射端電路1包含一次側線圈11，而接收端電路2包含二次側線圈21，當接收端電路2靠近發射端電路1到一預設距離內時，發射端電路1對一次側線圈提供電力，使得一次側線圈11與二次側線圈21兩者相鄰產生感應，因此接收端電路2藉由二次側線圈21與一次側線圈11之電磁感應作用而進行充電。

細部來說，發射端電路1更包含一整流單元12、一控制單元13、一共振單元14以及一電感單元15。整流單元12例如包含一半橋電路。控制單元13輸出一控制訊號至整流單元12。控制單元13例如包含一微控制單元(MCU)，其中微控制單元可設計與周邊電路互相整合，以達到最低成本的考量。共振單元14之一第一端與整流單元12連接，於一實施例中，共振單元14例如包含一電容器。

此外，一次側線圈11並與共振單元14連接。而一次側線圈11之一第二端與電感單元15連接。電感單元15又連接到控制單元13，於一實施例中，電感單元15例如包含一電感或電感與其他電路構成的等效電路。需說明的是，上述之電性連接關係可為直接或間接的電性連接，間接的電性連接係指經由其他電路或元件而達到的連接。另外，上述之電路單元之元件僅為舉例說明，熟悉此技術領域者皆知可利用其他等效電路來取代。

另外，發射端電路1更包含一電源供應單元16以及一變壓單元17。電源供應單元16分別與變壓單元17及控制單元13電性連接。電源供應單元16可外接電源來接收電力，並可提供電力給控制單元13。變壓單元17分別與電源供應單元16及整流單元12電性連接，並進行變壓以輸出給整流單元12使用。

另外，接收端電路2可更包含一控制單元22、一橋式整流電路23、一濾波電路24、一穩壓電路25、一充電晶片26、一半橋電路27、一電池28以及一負載調變電路29。上述元件之電性連接關係可參照圖1所示，由於接收端電路2為習知技術，故於此不再贅述。但需說明的是，控制單元22係包含一微控制單元(MCU)，藉此微控制單元可輕易地與周邊電路進行整合設計，以達到最低成本考量。

圖2為圖1中發射端電路的一種詳細電路示意圖。其中發射端電路1中的變壓單元17與電源供應單元16在電路圖中不顯示，僅顯示發射端電路1所包含的一次側線圈11、一整流單元12、一控制單元13、一共振單元14以及一電感單元15之電路。於一實施例中，整流單元12為一半橋電路所構成。控制單元13可為一微控制單元(MCU)構成，並輸出一控制訊號至整流單元12，控制訊號例如為脈寬調變訊號(PWM)。共振單元14為一電容器，其第一端N1與整流單元12連接。一次側線圈11與共振單元14電性連接，且一次側線圈11之一第二端N2係與電感單元15連接。於一實施例中，電感單元15可為一電感器35，其電感值例如為1μH以下。

此外，電感單元15更可包含一濾波單元36，其與電感器35並聯，並可濾除高頻雜訊。於一實施例中，濾波單元36例如為包含一電阻與一電容構成的電路，此外電感單元15更包括一量測單元37，連接到一次側線圈11之一第二端N2與控制單元13，以分壓電阻方式來量測第二節點N₂ 。

為更清楚說明上述架構運作優點，在此以圖3與圖4做進一步說明。圖3為圖2中共振單元14連接處的一第一端N₁ 與一次側線圈11之一第二端N₂ 在無負載與有負載情況下的波形示意圖。如圖1所示接收端電路2具有多個元件所構成的負載。當接收端電路2與發射端電路1的一次側線圈11未在一預設距離接近時，對一次側線圈11而言即為沒有負載情況，此時在第一端N₁ 與第二端N₂ 皆呈現電感性，故兩端之波形近似同相位，如圖3所顯示的上面N1的方波圖形與中間N2弦波圖形為相同相位。

然而，當接收端電路2以一預設距離靠近發射端電路1的一次側線圈11時，接收端電路2對一次側線圈11來說形成負載，使得在第一端N₁ 呈現電阻性，但第二端N₂ 仍呈現電感性，故兩端之波形有相位差約90度，如圖3所顯示的上面N1的方波圖形與下面N2弦波圖形所示。因此，藉由第一端N₁ 與第二端N₂ 之波形的相位，將第一端N₁ 與第二端N₂ 波形傳送到控制單元13，控制單元13根據上述相位比較即可判斷是否有負載，即接收端電路2是否靠近到一預設定距離，然後再由發射端1以無線傳送方式送出電源，以準確控制是否提供電源。

上述同相位與相位差90度判斷的機制可利用在兩個不同時間點量測第二端N₂ 之電壓，例如圖3所示兩個不同時間點f1處與f2處，其中f0可設計在方波上升緣，然後f1設計在小於1/4T(週期)，f2設計為f1+1/4T(即落於1/4T於1/2T之間)，若f1處與f2處的電壓反相(如圖3最下面圖形)即代表有負載情況，有接收端電路2靠近進行充電，反之若fl處與f2處的電壓同相(如圖3中間圖形)即代表無負載情況，無接收端電路2靠近到一預設距離內，發射端電路1不需進行充電動作。如圖2所示，本實施例係利用一分壓電阻作為量測單元37，以量測第二節點N₂ 在不同時間點f1處與f2處的電壓值。

請參照圖3所示，在本實施例中，當偵測到第一節點N₁ 由低電位變化至高電位後(即f0處)，控制單元13經過一小段處理時間後，於f1處啟動類比數位轉換器(ADC)的功能讀取第二節點N₂ 的第一電壓值，然後再於f2處讀取第二節點N₂ 的第二電壓值。若f1處與f2處的電壓反相即代表有負載。需說明的是，由於f1處與f2處的時間間隔很小(例如為1～2μ sec.)，當類比數位轉換器的轉換速度不夠快(例如僅數百KHz)時，第二節點N₂ 於f2處的電壓值需延到下一週期再做讀取的動作，例如圖3所示之f2'處。

當然，上述f0、f1與f2的位置僅為舉例說明，f0、f1與f2亦可在別的位置。圖4為另一個第一節點與第二節點的波形圖，即圖3改變f0、f1與f2位置的變化。於此，f0係較圖3稍微提前，這樣會使得在有負載的情況下，於f1處的電壓會趨近於第二節點N₂ 電壓的最大值。f1處的電壓可換算為流過一次側線圈的交流電流振幅，若電流大於某一預設值，則中止輸出控制訊號，以避免電路燒毀。於此係利用控制單元13來達到此功能，控制單元13可依據f1處的電壓值與一預設值之比對而中止輸出控制訊號。於此，控制單元13係比對f1處的電壓值所轉換後的電流值與該預設值，而決定是否中止輸出控制訊號。

綜上所述，本案之發射端電路之共振單元之第一端連接到整流單元，電感單元與一次側線圈之第二端連接。藉此，在未負載時，共振單元之第一端呈現電感性，並且一次側線圈之第二端呈現電感性，使得第一端與第二端之波形為同相位；而在負載時，上述之第一端呈現電阻性，而第二端呈現電感性，使得第一端與第二端之波形為相差90度的相位。因此，藉由第一端與第二端之波形的相位，即可判斷是否有負載。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本案之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧發射端電路

11‧‧‧一次側線圈

12‧‧‧整流單元

13‧‧‧控制單元

14‧‧‧共振單元

15．．．電感單元

16．．．電源供應單元

17．．．變壓單元

2．．．接收端電路

21．．．二次側線圈

22．．．控制單元

23．．．橋式整流電路

24．．．濾波電路

25．．．穩壓電路

26．．．充電晶片

27．．．半橋電路

28．．．電池

29．．．負載調變電路

35．．．電感器

36．．．濾波單元

37．．．量測單元

N₁ ．．．第一端

N₂ ．．．第二端

圖1為本發明較佳實施例之一種無線充電系統的方塊示意圖；圖2為圖1中發射端電路的一種詳細電路示意圖；圖3為圖2中共振單元之第一節點與一次側線圈之第二節點在無負載與有負載情況下的波形示意圖；以及圖4為另一個第一節點與第二節點的波形圖。

1．．．發射端電路

11．．．一次側線圈

12．．．整流單元

13．．．控制單元

14．．．共振單元

15．．．電感單元

35．．．電感器

36．．．濾波單元

37．．．量測單元

N₁ ．．．第一端

N₂ ．．．第二端

Claims (18)

1. 一種發射端電路，包含：一整流單元；一控制單元，輸出一控制訊號至該整流單元；一共振單元，具有一第一端連接到該整流單元；一一次側線圈，與該共振單元連接；以及一電感單元，與該一次側線圈之一第二端連接，並連接該控制單元；其中當一接收端電路靠近該發射端電路到一預設距離時，該第一端與第二端具有一相位差。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發射端電路，其中當該接收端電路並未以該預設距離靠近該發射端電路時，該第一端與第二端為同相位。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發射端電路，其中該電感單元係包含一電感器。
4. 如申請專利範圍第3項所述之發射端電路，其中該電感單元更包含：一濾波單元，與該一次側線圈之該第二端連接，並與該電感單元並聯連接。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發射端電路，其中該濾波單元包含一電阻與一電容串聯。
6. 如申請專利範圍第3項所述之發射端電路，其中該電感單元更包含：一量測單元，連接到該一次側線圈的該第二端與該控 制單元，並於一第一時間量測出該第二端的一第一電壓值，於一第二時間量測該第二端的一第二電壓值。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發射端電路，其中當該接收端電路是以該預設距離靠近該發射端電路時，該第一電壓值與該第二電壓值的電壓反相。
8. 如申請專利範圍第6項所述之發射端電路，其中當該接收端電路並未以該預設距離靠近該發射端電路時，該第一電壓值與該第二電壓值的電壓同相。
9. 如申請專利範圍第6項所述之發射端電路，其中該控制單元具有一預設值，當該第一電壓值或該第二電壓值大於該預設值時，則該控制單元中止輸出該控制訊號。
10. 一種無線充電系統，包含：一發射端電路，包含：一整流單元；一控制單元，輸出一控制訊號至該整流單元；一共振單元，具有一第一端連接到該整流單元；一一次側線圈，與該共振單元連接；及一電感單元，與該一次側線圈之一第二端連接，並連接該控制單元；以及一接收端電路，具有一二次側線圈；當該接收端電路靠近該發射端電路到一預設距離時，該第一端與第二端具有一相位差。
11. 如申請專利範圍第10項所述之無線充電系統，當該接收端電路並未以該預設距離靠近該發射端電路時，該第一端與第二端為同相位。
12. 如申請專利範圍第10項所述之無線充電系統，其中該電感單元係包含一電感器。
13. 如申請專利範圍第12項所述之無線充電系統，其中該電感單元更包含：一濾波單元，與該一次側線圈之該第二端連接，並與該電感單元形成並聯連接。
14. 如申請專利範圍第13項所述之無線充電系統，其中該濾波單元包含一電阻與一電容串聯。
15. 如申請專利範圍第12項所述之無線充電系統，其中該電感單元更包含：一量測單元，連接到該一次側線圈的該第二端與該控制單元，並於一第一時間量測出該第二端的一第一電壓值，於一第二時間量測該第二端的一第二電壓值。
16. 如申請專利範圍第15項所述之無線充電系統，當該接收端電路是以該預設距離靠近該發射端電路時，該第一電壓值與該第二電壓值的電壓反相。
17. 如申請專利範圍第15項所述之無線充電系統，其中當該接收端電路並未以該預設距離靠近該發射端電路時，該第一電壓值與該第二電壓值的電壓同相。
18. 如申請專利範圍第15項所述之無線充電系統，其中 該控制單元具有一預設值，當該第一電壓值或該第二電壓值大於該預設值時，則該控制單元中止輸出該控制訊號。