專利名稱：一種高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電力系統(tǒng)防誤閉鎖技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于具有五防功能的手持式電腦鑰匙、PDA鑰匙的非接觸式充電裝置。
背景技術(shù)：
目前，在現(xiàn)有微機防誤閉鎖裝置中，一般采用具有五防功能的智能鑰匙(俗稱電腦鑰匙)和機械鎖具配合完成防誤閉鎖功能；所述電腦鑰匙是一種手持式的便攜類電子設(shè)備，電腦鑰匙的供電方式為內(nèi)置電池供電，為了對電池的電能進(jìn)行補充需要使用充電器對電池進(jìn)行充電，電腦鑰匙及其它便攜類電子設(shè)備的電池充電途徑一般是采用導(dǎo)電材料將電能傳送至電池，這種方式稱之為接觸式充電，參見圖1是該類接觸式充電裝置組成原理圖。通過導(dǎo)電觸點將電能傳導(dǎo)至電池或便攜式設(shè)備中的電源管理單元，采用導(dǎo)電觸點進(jìn)行電能傳輸?shù)奶攸c是效率高，消耗在傳輸環(huán)節(jié)的電能幾乎等于零，但是，由于采用了導(dǎo)電觸點，在使用中普遍存在充電觸頭易損壞或金屬表面氧化問題，導(dǎo)致的是無法有效充電。對于這一問題有大量的設(shè)計人員曾經(jīng)設(shè)計、嘗試過許多的方法對充電觸點進(jìn)行一系列的改良，例如對觸點鍍上一些分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的導(dǎo)電材料，如銀、磷化銅、鈹銅合金等，其中鈹銅合金是目前較為理想的導(dǎo)電觸點材料，它具有高導(dǎo)電，高彈性，高硬度及強度等特點，但是使用鈹銅合金仍然不能從根本上解決導(dǎo)電觸點磨損、金屬表面氧化帶來的問題，而且鈹銅合金的價格較高，主要用于高端產(chǎn)品。另外，由于充電源的觸點暴露在外部，觸點之間容易短路，使得充電器內(nèi)部必需提供非常靈敏的過流檢測機制，在檢測到觸點短路時應(yīng)切斷內(nèi)部的電源回路，否則由于短路電流過大容易造成設(shè)備的永久性損壞，甚至可能對其它財產(chǎn)造成傷害；另外，目前也出現(xiàn)了非接觸式充電裝置，主要是利用超聲波或電磁波進(jìn)行能量傳送，但其最大的缺點就是能量轉(zhuǎn)換效率低。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種安全、高效的非接觸式充電裝置。
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置，其中，該充電器部分包含充電信號發(fā)生模塊、功率驅(qū)動模塊、發(fā)送調(diào)諧部分、反饋信號檢測模塊、定時模塊、或非門、電源模塊；該便攜設(shè)備部分包括電能獲取模塊、整流穩(wěn)壓模塊、充電管理模塊；充電信號發(fā)生模塊共有兩個輸出信號及一個停止信號輸入端，兩個輸出信號輸入至功率驅(qū)動模塊，反饋信號檢測模塊與定時模塊的輸出信號經(jīng)過或非門后產(chǎn)生一停止信號并輸入至充電信號發(fā)生模塊；電源模塊向充電信號發(fā)生模塊、功率驅(qū)動模塊、發(fā)送調(diào)諧部分、反饋信號檢測模塊和定時模塊提供電源。
上述發(fā)送調(diào)諧部分包括兩個電感和一磁芯。
上述電能獲取模塊包括一電感、一電容和一磁芯，該電能獲取模塊可將磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br> 充電信號發(fā)生模塊的兩個輸出信號為脈沖信號，頻率為120HZ。
本實用新型高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置由于采用電磁非接觸耦合方式進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，使設(shè)備省去了充電電極，從而有效解決了接觸式充電方式存在的固有缺陷，另外，本實用新型針對漏磁、磁滯損耗和線圈損耗的改進(jìn)，以及根據(jù)串/并聯(lián)振蕩電路的特點，對初級、次級振蕩電路形式及具體連接方法的選擇，從而達(dá)到安全、高效的目的。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中接觸式充電裝置組成原理圖；圖2為本實用新型非接觸式充電裝置電氣原理框圖；圖3為本實用新型中充電信號發(fā)生模塊和功率驅(qū)動模塊的電氣原理圖；圖4為本實用新型中反饋信號檢測模塊電氣原理圖；圖5為本實用新型中定時模塊電氣原理圖；圖6為本實用新型中定時模塊充放電波形。
具體實施方式
一種非接觸式充電裝置，由充電器及便攜設(shè)備兩部分組成，充電器部分將電能轉(zhuǎn)換成一個固定頻率的交變磁場，便攜設(shè)備部分通過電感切割該交變磁場的磁力線，將磁能轉(zhuǎn)換成電能給內(nèi)部的電池提供充電電壓，其特征在于，便攜式設(shè)備的電能是通過電磁場的空間耦合得到的，在便攜式設(shè)備獲取電能時不需要通過導(dǎo)電材料與充電器接觸。
該非接觸式充電裝置的工作原理框圖參見圖2，充電器部分包含充電信號發(fā)生模塊、功率驅(qū)動模塊、發(fā)送調(diào)諧部分、反饋信號檢測模塊、定時模塊、或非門、電源模塊。其中充電器部分的主要功能有三點1、產(chǎn)生一個頻率為120KHz的交變磁場，其特點是該磁場具有較大的功率及穩(wěn)定的頻率。2、檢測便攜設(shè)備的位置是否在有效充電磁場范圍內(nèi)。3、在有效磁場內(nèi)未檢測到有便攜設(shè)備時充電器進(jìn)入間歇式的工作狀態(tài)。
便攜設(shè)備部分包含電能獲取模塊、整流穩(wěn)壓模塊、充電管理模塊。其主要功能有以下三點1、將頻率為120KHz的交變磁場轉(zhuǎn)換成交流電壓，其特點是能對磁場的頻率進(jìn)行選擇以及能以較高的效率將磁能轉(zhuǎn)換成電能。2、將交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓給內(nèi)部電池及元器件供電。3、對內(nèi)部電池充電周期的檢測及控制。
以下對充電器部分的框圖原理進(jìn)行分析參見圖3，充電信號發(fā)生模塊共有兩個輸出信號及一個停止信號輸入端，輸出信號為兩個頻率為120KHz且相位角相差180°的脈沖信號。該信號被送到功率驅(qū)動模塊進(jìn)行電流放大，當(dāng)脈沖電流通過發(fā)送調(diào)諧電感時在磁芯內(nèi)部及周圍產(chǎn)生磁場，由于電感L1、L2是按照120KHz的頻率輪流導(dǎo)通的，且L1、L2的導(dǎo)通電流相反，因此最終產(chǎn)生的這個磁場是一個頻率為120KHz的交變磁場，通過這樣的過程完成電能到磁能的轉(zhuǎn)換。
在使用過程中便攜式設(shè)備是有大部分時間不在充電器上充電的，因此在此期間可以將充電器電路的主要耗電部分停止工作，這樣做不但可以有效的節(jié)約電力資源而且能夠延長充電器電路的使用壽命。為此在充電信號發(fā)生模塊中加入停止控制信號，停止信號由反饋信號模塊與定時模塊通過“或非門”后產(chǎn)生。當(dāng)反饋信號檢測模塊檢測到有便攜式設(shè)備在充電座上時輸出信號A為邏輯“1”電平，由于1“或”任何數(shù)等于“1”，此時定時器模塊輸出的信號成了無關(guān)信號，停止信號C＝not A＝“0”，此時充電信號發(fā)生器正常工作，當(dāng)反饋信號檢測模塊檢測到?jīng)]有便攜式設(shè)備在充電座上時輸出信號A為邏輯“0”，由于0“或”任何數(shù)等于“任何數(shù)”，因此停止信號C＝not B，停止信號C僅取決于B信號，B信號是由定時器模塊產(chǎn)生的一個占空比為1.8％的脈沖信號，在一個脈沖周期內(nèi)輸出邏輯“1”的時間為80ms，輸出邏輯“0”的時間約為4.5s，也就是說，此時充電信號發(fā)生器每隔4.5s工作一次，每次工作時間為80ms。
下面對框圖中的各個主要功能模塊的實現(xiàn)方式進(jìn)行分析。
一、充電信號發(fā)生模塊及功率驅(qū)動模塊。
二、反饋信號檢測模塊。
三、定時模塊。
四、電能獲取模塊。
1、充電信號發(fā)生模塊及功率驅(qū)動模塊。
充電信號發(fā)生模塊及功率驅(qū)動模塊的原理圖參見圖3。充電信號發(fā)生模塊是一個以SG3524集成芯片構(gòu)成的電路，它是美國硅通用公司(SiliconGeneral)生產(chǎn)的雙端輸出式脈寬調(diào)制集成電路。
直流電源Vs從腳15接入后送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的+5V基準(zhǔn)電壓。+5V再送到內(nèi)部(或外部)電路的其他元器件作為基準(zhǔn)電源。振蕩器腳7外接電容CT，腳6外接電阻RT。振蕩器頻率f由外接電阻RT和電容CT決定，f＝1.18/RTCT，在本電路中通過對RT、CT的設(shè)定將f設(shè)計為240KHz。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門，另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端，比較器的反向端接誤差放大器的輸出。
誤差放大器A1實際上是個差分放大器，腳1為其反向輸入端，腳2為其同相輸入端。同相輸入端接到基準(zhǔn)電壓的分壓電阻上取得2.5V的電壓，另一個輸入端接地。誤差放大器的輸出電壓Va與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，從而在比較器的輸出端出現(xiàn)一個隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的PWM方波脈沖，比較電壓Va等于2.5V時方波脈沖的占空比為50％，并且Va越低方波脈沖的占空比越大。再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端?；蚍情T的另兩個輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端互補，交替輸出高低電平，其作用是將PWM脈沖交替送至兩個三極管V1及V2的基極。最后，晶體管T1及T2分別輸出脈沖寬度調(diào)制波，兩者相位相差180°。脈沖頻率為振蕩器頻率的1/2。當(dāng)腳10加高電平時使關(guān)斷電路內(nèi)部的晶體管飽和導(dǎo)通，將Va拉成0V，使PWM比較器的輸出恒為高電平，通過或非門反相后可實現(xiàn)對輸出脈沖的封鎖，即控制晶體管V1、V2截止。另外在充電信號發(fā)生模塊與功率驅(qū)動模塊之間還加入了電流負(fù)反饋信號，將反饋電阻R4串接到負(fù)載的電流回路上，當(dāng)負(fù)載電流通過R4時產(chǎn)生了反饋電壓Vf，Vf＝i1*R4，將Vf送入到限流比較器中，當(dāng)負(fù)載線圈電流i1增大時Vf也同時增大，常態(tài)下限流比較器的輸出為高電平，一旦R4上的壓降超過200mV時就輸出低電平，同樣會將Va拉成0V并且使得晶體管V1、V2截止。設(shè)計的最大負(fù)載電流可通過對R4阻值的調(diào)整來確定。
功率驅(qū)動模塊采用了CMOS管作電流放大器件，其特點是輸入阻抗高及驅(qū)動電流大，它的工作原理較為簡單，在SG3524的輸出控制下兩個CMOS管輪流導(dǎo)通，在負(fù)載電感L1、L2上產(chǎn)生一個頻率為120KHz的交變磁場。
2、反饋信號檢測模塊反饋信號檢測模塊的電路原理圖參見圖4。它由磁＝＞電轉(zhuǎn)換電路及整流濾波電路構(gòu)成。磁＝＞電轉(zhuǎn)換電路主要有感應(yīng)電感L3組成，電感L3繞在初級磁芯的副繞組上，當(dāng)便攜式設(shè)備端的次級磁芯靠近初極磁芯以時，電感L3兩端產(chǎn)生交流感應(yīng)電壓，將該交流電壓整流、濾波后產(chǎn)生一個穩(wěn)定的邏輯電平輸出。最終得到的結(jié)果是當(dāng)便攜式設(shè)備端的次級磁芯靠近充電座時反饋信號檢測模塊輸出邏輯“1”，不靠近時檢測模塊輸出邏輯“0”。當(dāng)檢測模塊輸出為“1”時，“或非門”輸出為“0”3、定時模塊定時模塊是一個以NE555型集成芯片構(gòu)成的電路，它的作用是產(chǎn)生一個一個占空比為1.8％，頻率約0.2HZ為的固定脈沖信號。它的電路原理圖參見圖5。
由圖可知，NE555內(nèi)部包含放電晶體管T1，兩個電壓比較器A1和A2，一個RS觸發(fā)器以及由三個電阻(阻值各為5KΩ)組成。
電源電壓剛接通時，電容C1兩端電壓Vc1小于1/3Vcc，比較器A1、A2的輸出電平分別為“1”、“0”，RS觸發(fā)器得到這個狀態(tài)輸入后輸出Q＝1/Q＝0(RS觸發(fā)器的狀態(tài)表參見表1)，放電晶體管T1截止。通電后Vcc通過電阻R1及二極管D1給電容器C1充電，Vc1漸漸升高，當(dāng)Vc1＞1/3Vcc時A1、A2的輸出電平分別為“1”、“1”，RS觸發(fā)器得到這個狀態(tài)輸入后輸出狀態(tài)不變，仍然是Q＝1/Q＝0，放電晶體管T1截止，Vcc繼續(xù)通過電阻R1及二極管D1給電容器C1充電，當(dāng)Vc1＞2/3Vcc時A1、A2的輸出電平分別為“0”、“1”，RS觸發(fā)器得到這個狀態(tài)輸入后輸出狀態(tài)反轉(zhuǎn)，輸出Q＝0/Q＝1，此時放電晶體管T1導(dǎo)通，電容器C1上的電荷通過R2、D2進(jìn)行釋放，Vc1電壓逐漸降低，在1/3Vcc＜Vc1＜2/3Vcc期間A1、A2的輸出電平保持為“0”、“1”，當(dāng)Vc1＜1/3Vcc時RS觸發(fā)器得到這個狀態(tài)輸入后輸出狀態(tài)反轉(zhuǎn)，T1截止，NE555的工作狀態(tài)又回到原來的狀態(tài)，并且C1又開始下一個周期的充放電過程，C1充放電過程的波形及Q點輸出波形參見圖6。在此只需要改變R1、R2的阻值大小就可以改變輸出脈沖的占空比。
4、電能獲取模塊電能獲取模塊設(shè)計在便攜式設(shè)備的內(nèi)部，它的結(jié)構(gòu)較為簡單(參見圖)它主要由次級磁芯、電感L1及電容C1三個部件組成并且采用并聯(lián)接法，當(dāng)便攜式設(shè)備內(nèi)的次級磁芯靠近且正對充電座內(nèi)的初級貼芯時，次級鐵芯會產(chǎn)生與初級鐵芯通頻率的磁力線，當(dāng)磁力線在電感L1中通過時，電感L1相對做磁力線動，并且在線圈兩端產(chǎn)生與磁力線同頻率的交變電壓，再通過便攜式設(shè)備內(nèi)部的整流穩(wěn)壓電路將這個交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電給內(nèi)部供電。在此電容器C1的作用是與電感L1組成一個并聯(lián)諧振電路，諧振頻率設(shè)計為120KHz。采用了諧振后只有頻率為120KHz的電磁場本實用新型高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置由于采用電磁非接觸耦合方式進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，使設(shè)備省去了充電電極，從而有效解決了接觸式充電方式存在的固有缺陷，另外，本實用新型針對漏磁、磁滯損耗和線圈損耗的改進(jìn)，以及根據(jù)串/并聯(lián)振蕩電路的特點，對初級、次級振蕩電路形式及具體連接方法的選擇，達(dá)到安全、高效的目的。
本實用新型還有其他一些變形或者改進(jìn)。如果本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員受到本實用新型的啟發(fā)做出的顯而易見的非實質(zhì)性的改變或者改進(jìn)，均屬于本實用新型權(quán)利要求書的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置，其特征在于，該充電器部分包含充電信號發(fā)生模塊、功率驅(qū)動模塊、發(fā)送調(diào)諧部分、反饋信號檢測模塊、定時模塊、或非門、電源模塊；該便攜設(shè)備部分包括電能獲取模塊、整流穩(wěn)壓模塊、充電管理模塊；充電信號發(fā)生模塊共有兩個輸出信號及一個停止信號輸入端，兩個輸出信號輸入至功率驅(qū)動模塊，反饋信號檢測模塊與定時模塊的輸出信號經(jīng)過或非門后產(chǎn)生一停止信號并輸入至充電信號發(fā)生模塊；電源模塊向充電信號發(fā)生模塊、功率驅(qū)動模塊、發(fā)送調(diào)諧部分、反饋信號檢測模塊和定時模塊提供電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置，其特征在于，上述發(fā)送調(diào)諧部分包括兩個電感和一磁芯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置，其特征在于，上述電能獲取模塊包括一電感、一電容和一磁芯，該電能獲取模塊可將磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置，其特征在于，充電信號發(fā)生模塊的兩個輸出信號為脈沖信號，頻率為120HZ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置，其特征在于，充電信號發(fā)生模塊的兩個輸出信號相位角相差180度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置，其特征在于，充電信號發(fā)生模塊是以雙端輸出式脈寬調(diào)制集成芯片構(gòu)成的電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置，其特征在于，上述反饋信號檢測模塊包括磁、電轉(zhuǎn)換電路和整流濾波電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置，其特征在于，所述定時模塊產(chǎn)生的固定脈沖信號頻率為0.2Hz。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高轉(zhuǎn)換效率非接觸式充電裝置，其特征在于，所述定時模塊產(chǎn)生的脈沖信號占空比為1.8％。
專利摘要本實用新型涉及電力系統(tǒng)防誤閉鎖技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于具有五防功能的手持式電腦鑰匙、PDA鑰匙的非接觸式充電裝置。一種非接觸式充電裝置，由充電器及便攜設(shè)備兩部分組成，充電器部分將電能轉(zhuǎn)換成一個固定頻率的交變磁場，便攜設(shè)備部分通過電感切割該交變磁場的磁力線，將磁能轉(zhuǎn)換成電能給內(nèi)部的電池提供充電電壓，其特征在于，便攜式設(shè)備的電能是通過電磁場的空間耦合得到的。本實用新型采用電磁非接觸耦合方式進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，省去了充電電極，解決了接觸式充電方式存在的固有缺陷，本實用新型針對漏磁、磁滯損耗和線圈損耗的改進(jìn)，以及根據(jù)串/并聯(lián)振蕩電路的特點，對初級、次級振蕩電路形式及具體連接方法的選擇，達(dá)到安全、高效的目的。
文檔編號H02J17/00GK2850099SQ200520064968
公開日2006年12月20日 申請日期2005年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月26日
發(fā)明者栗新, 呂茅利, 陳永金, 董立海 申請人:珠海市共創(chuàng)有限公司