專利名稱：一種小型電子設備無線充電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種小型電子設備無線充電裝置，尤其涉及ー種新型的帶有充電/待機/過載/短路指示的高效率無線充電系統(tǒng)，可用于手機、MP3、MP4及照相機等小功率(5W及以下)電子設備的無線充電，以實現(xiàn)在設計要求的距離范圍提供一定電壓及功率，為其充電或者供電。
背景技術：
無線充電是近幾年非常熱門的研究方向，從早期感應式的能夠無線充電的電動牙刷及電動剃須刀到后來能夠為手機充電的Powermat無線充電套裝。如今市面上已經有不少品牌的無線充電器，無論從充電功率、充電效率還是使用便捷性方面都有了較大的提高。2010年9月I日，全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯(lián)盟在北京宣布將Qi無線充電國際標準率先引入中國，目前也與各大公司聯(lián)合推出了符合Qi標準的各類 型的手機無線充電器。但是，這些產品的有效無線充電距離都很近(在Icm以內)，即要求待充電設備與發(fā)射裝置(即充電板)緊貼，并且輸出功率大多較之有線充電的輸出功率有一定差距。

實用新型內容實用新型目的針對現(xiàn)有技術中存在的問題與不足，本實用新型提供ー種結構簡單、效率較高的小型電子設備無線充電裝置。技術方案ー種小型電子設備無線充電裝置，包括發(fā)射裝置和接收裝置；所述發(fā)射裝置主要包括外部晶振、分頻器、D類功放驅動芯片或互感耦合器、D類功放模塊、諧振濾波回路、發(fā)射線圏、電平轉換模塊、電平檢測模塊、控制模塊和預警裝置；所述的接收裝置主要包括接收線圈、接收端阻抗匹配網絡、整流濾波模塊及穩(wěn)壓模塊；所述外部晶振發(fā)出的高頻信號經過分頻器分頻后被送入D類功放驅動芯片或互感耦合器以產生兩路反相(相位差180度)的方波信號來驅動D類功放模塊；所述D類功放模塊的供電電壓是直流電，其包括ー對MOS管，所述ー對MOS管由驅動芯片產生的方波信號分別驅動山類功放模塊的輸出經過ー個諧振濾波回路接地；所述諧振濾波回路包括一個發(fā)射線圈L，ー組諧振電容Cl和ー組退耦電容C2，退耦電容C2的大小和諧振電容Cl的大小相同；所述發(fā)射線圈L接在D類功放模塊的輸出端；所述電平檢測模塊用來檢測諧振濾波回路輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流；所述控制模塊根據輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流的大小來判別發(fā)射裝置是處于過壓狀態(tài)、過流狀態(tài)、短路狀態(tài)、有載狀態(tài)還是空載狀態(tài)，在異常狀態(tài)下控制模塊會自動發(fā)出控制信號，關閉D類功放驅動芯片的使能端，從而使D類功放模塊停止工作，防止電路工作狀態(tài)異常而損壞或引發(fā)事故；所述異常狀態(tài)為過壓狀態(tài)、過流狀態(tài)或者短路狀態(tài)；所述預警裝置在控制模塊的控制下用于表示小型電子設備無線充電裝置工作狀態(tài)，讓用戶隨時了解整個裝置的工作狀態(tài)；所述發(fā)射線圈通過共振耦合使得交流能量近乎無輻射地傳遞到接收線圈；由于發(fā)射線圈和接收線圈之間采用共振磁耦合，屬于近場耦合，發(fā)射線圈和接收線圈的輻射電阻很小以致可以忽略，因此能量幾乎全部被發(fā)射端耦合到接收端。所述接收線圈接收到的交流能量通過所述接收阻抗匹配網絡被送入整流濾波模塊；這里的阻抗匹配網絡作用是將經過整流濾波模塊和穩(wěn)壓模塊之后的帶充電負載的阻抗變換到ー個合適的值，使得接收線圈接收到的交流能量高效率地傳輸?shù)酱潆娫O備中。由于待充電設備需要一個恒壓直流電，因此最后需要増加所述整流濾波模塊和穩(wěn)壓模塊用于將接收線圈接收的交流能量變換為恒壓直流電。所述的D類功放模塊用于將直流供電轉換成交流的正弦波從而供給發(fā)射線圈L ；其中D類功放模塊中的ー對MOS管分別為第一場效應管Ql和第二場效應管Q2 ；D類功放模塊還包括驅動芯片產生的兩路驅動信號和諧振濾波回路；所述驅動芯片產生的兩路驅動信號為第一驅動信號和第二驅動信號；所述諧振濾波回路中的諧振電容Cl的大小等于I/ 2し其中L是發(fā)射線圈L的電感量，ω是系統(tǒng)工作的角頻率；其中第一場效應管Ql的漏極經過一個小電阻(O. 001 Ω O. I Ω)接直流供電Vcc，柵極接第一驅動信號，源極接第二場效應管Q2的漏極；所述第二場效應管Q2的柵極接第二驅動信號，源極接地；發(fā)射線圈L一端接于第二場效應管Q2的漏極，另一端與諧振電容Cl相連；諧振電容Cl的另一端接地；退耦電容C2 —端接在第一場效應管Ql的漏扱，另一端接在發(fā)射線圈L與諧振電容Cl相連的點。所述發(fā)射線圈L、接收線圈及接收阻抗匹配網絡三個模塊組成網絡傳輸部分；定義效率最佳等效接收阻抗Zeqr為“當傳輸效率最大時從接收線圈向帶充電負載看過去的等效阻杭”，則
權利要求1.ー種小型電子設備無線充電裝置，其特征在于包括發(fā)射裝置和接收裝置；所述發(fā)射裝置主要包括外部晶振、分頻器、D類功放驅動芯片或互感耦合器、D類功放模塊、諧振濾波回路、電平轉換模塊、電平檢測模塊、控制模塊和預警裝置；所述的接收裝置主要包括接收線圈、接收端阻抗匹配網絡、整流濾波模塊及穩(wěn)壓模塊； 所述外部晶振發(fā)出的高頻信號經過分頻器分頻后被送入D類功放驅動芯片或互感耦合器以產生兩路反相的方波信號來驅動D類功放模塊；所述D類功放模塊的供電電壓是直流電，其包括ー對MOS管，所述ー對MOS管由驅動芯片產生的方波信號分別驅動；D類功放模塊的輸出經過ー個諧振濾波回路接地；所述諧振濾波回路包括ー個發(fā)射線圈L，ー組諧振電容Cl和ー組退耦電容C2，退耦電容C2的大小和諧振電容Cl的大小相同；所述發(fā)射線圈L接在D類功放模塊的輸出端；所述電平檢測模塊用來檢測諧振濾波回路輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流；所述控制模塊根據輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流的大小來判別發(fā)射裝置是處于過壓狀態(tài)、過流狀態(tài)、短路狀態(tài)、有載狀態(tài)還是空載狀態(tài)，在異常狀態(tài)下控制模塊會自動發(fā)出控制信號，關閉D類功放驅動芯片的使能端，從而使D類功放模塊停止工作；所述異常狀態(tài)為過壓狀態(tài)、過流狀態(tài)或者短路狀態(tài)；所述預警裝置在控制模塊的控制下用于表示小型電子設備無線充電裝置工作狀態(tài)； 所述發(fā)射線圈通過共振耦合使得交流能量傳遞到接收線圈；所述接收線圈接收到的交流能量通過所述接收阻抗匹配網絡被送入整流濾波模塊；所述整流濾波模塊和穩(wěn)壓模塊用于將接收線圈接收的交流能量變換為恒壓直流電。
2.如權利要求書I所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于所述的D類功放模塊用于將直流供電轉換成交流的正弦波從而供給發(fā)射線圈L ;其中D類功放模塊中的一對MOS管分別為第一場效應管Ql和第二場效應管Q2 ；D類功放模塊還包括驅動芯片產生的兩路驅動信號和諧振濾波回路；所述驅動芯片產生的兩路驅動信號為第一驅動信號(I)和第二驅動信號(2);所述諧振濾波回路中的諧振電容Cl的大小等于1/ 2し其中L是發(fā)射線圈L的電感量，Co是系統(tǒng)工作的角頻率；其中第一場效應管Ql的漏極經過一個小電阻接直流供電Vcc，柵極接第一驅動信號(I)，源極接第二場效應管Q2的漏極；所述第二場效應管Q2的柵極接第二驅動信號(2)，源極接地；所述小電阻為0. 001 Q 0. I Q的電阻；發(fā)射線圈L 一端接于第二場效應管Q2的漏扱，另一端與諧振電容Cl相連；諧振電容Cl的另ー端接地；退耦電容C2—端接在第一場效應管Ql的漏極，另一端接在發(fā)射線圈L與諧振電容Cl相連的點。
3.如權利要求書I所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于所述發(fā)射線圈L、接收線圈及接收阻抗匹配網絡三個模塊組成網絡傳輸部分；定義效率最佳等效接收阻抗Zeqr為“當傳輸效率最大時從接收線圈向帶充電負載看過去的等效阻杭”，則 其中RL是接收負載電阻，k是發(fā)射線圈L和接收線圈之間的耦合系數(shù)，CO是整個無線能量傳輸裝置的工作角頻率，Lt是發(fā)射線圈L自感，Lr是接收線圈自感，Rpr是接收線圈寄生電阻，Rt是MOS管的導通電阻rDS、發(fā)射線圈L寄生電阻Rpt和電容的寄生電阻之和，Reqr是效率最佳等效接收電阻，Xeqr是效率最佳等效接收電抗，j是虛數(shù)単位。
4.如權利要求書3所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于當效率最佳等效接收電阻Reqr等于接收負載電阻RL時，接收阻抗匹配網絡采用一元件的BI型阻抗匹配網絡或B2型阻抗匹配網絡。
5.如權利要求書3所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于當效率最佳等效接收電阻Reqr小于接收負載電阻RL時，接收阻抗匹配網絡采用兩元件的ALl型阻抗匹配網絡、AL2型阻抗匹配網絡、AL3型阻抗匹配網絡、及AL4型阻抗匹配網絡；三元件的APil型阻抗匹配網絡、APi2型阻抗匹配網絡、APi3型阻抗匹配網絡、APi4型阻抗匹配網絡、ATI型阻抗匹配網絡、AT2型阻抗匹配網絡、AT3型阻抗匹配網絡、AT4型阻抗匹配網絡、及AT5型阻抗匹配網絡。
6.如權利要求書3所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于當效率最佳等效接收電阻Reqr大于接收負載電阻RL吋，接收阻抗匹配網絡采用兩元件的CLl型阻抗匹配網絡及CL2型阻抗匹配網絡；三元件的CPil型阻抗匹配網絡、CPi2型阻抗匹配網絡、CTl型阻抗匹配網絡、CT2型阻抗匹配網絡、CT3型阻抗匹配網絡、及CT4型阻抗匹配網絡。
7.如權利要求書4-5任一項所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于每種阻抗匹配網絡中的第一端ロ Portl用于連接接收裝置的接收線圈；第二端ロ Port2用于連接接收裝置的負載電阻RL。
8.如權利要求書I所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在干電平檢測模塊用來檢測諧振濾波回路輸出電流、輸出電壓和直流輸入電流；其中的諧振濾波回路電流和電壓檢測的電路，交流信號經過整流濾波后輸出的直流通過ー個運算放大器組成的低通濾波器，輸出給控制模塊，控制模塊通過判定所獲取的電壓值的大小來判斷D類功放模塊的エ作狀態(tài)；直流輸入電流檢測的電路通過檢測連接直流供電端Vcc和第一場效應管Ql之間的ー個小電阻兩端的壓降并進行放大從而得到輸入電流，再通過ー個運算放大器組成的低通濾波器，輸出給控制模塊，控制模塊通過判定所獲取電壓值的大小來判斷D類功放模塊的工作狀態(tài)；所述控制模塊由一個單片機來根據輸入電壓值來判定工作狀態(tài)并輸出使能信號，交流信號經過整流濾波后輸出的直流通過ー個運算放大器組成的低通濾波器，輸出給單片機IO ロ，單片機通過判定所獲取的電壓值的大小來判斷D類功放模塊的工作狀態(tài)。
9.如權利要求書I所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于所述整流濾波模塊包括整流電路，所述整流電路包括ニ極管全橋整流、無橋Pfc整流和同步全橋整流方式；首先正弦波通過ー個整流電路后變?yōu)榘氩?，之后通過ー個濾波電容將半波變?yōu)榻浦绷麟娖?，近似直流電平經穩(wěn)壓模塊輸出。
10.如權利要求書I所述的小型電子設備無線充電裝置，其特征在于所述整流濾波模塊和穩(wěn)壓模塊為使用具有整流、濾波、穩(wěn)壓功能的芯片；發(fā)射線圈L和接收線圈的背面加有磁性介質以防磁場對周圍的環(huán)境產生影響；所述報警裝置為指示燈和蜂鳴器。
專利摘要本實用新型公開了一種小型電子設備無線充電裝置，主要由發(fā)射裝置和接收裝置組成。其中發(fā)射裝置包括外部晶振、分頻器、D類功放驅動芯片或互感耦合器、D類功放模塊、諧振濾波回路、發(fā)射線圈及電平轉換模塊、電平檢測模塊、控制模塊、指示燈及蜂鳴器；接收裝置包括接收線圈、接收端阻抗匹配網絡、整流濾波模塊及穩(wěn)壓模塊。本實用新型可以應用于手機、MP3、MP4及照相機等所有小功率(5W及以下)電子設備的無線充電，可以實現(xiàn)在設計要求的距離范圍內為其提供一定電壓及功率進行充電或者供電。本實用新型具有結構簡單、應用廣泛、可以在一定距離內高效充電、安全無輻射等優(yōu)點。
文檔編號H02J7/02GK202405844SQ20122001364
公開日2012年8月29日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權日2012年1月13日
發(fā)明者侯宏民, 劉碩, 周小陽, 周永春, 崔鐵軍, 李鵬, 楊艷, 陳林輝 申請人:東南大學