一種多手機可移動三維無線充電裝置的制造方法

一種多手機可移動三維無線充電裝置的制造方法
【專利摘要】一種多手機可移動三維無線充電裝置，它包括：電源輸入、逆變直流電源、高頻逆變電路、原邊補償網絡、由原邊線圈即發射線圈和副邊線圈即接收線圈組成的松耦合變壓器、副邊補償網絡、輸出調節電路；該電源輸入連接至逆變直流電源，逆變直流電源的輸出再連接至高頻逆變電路，高頻逆變電路的輸出連接至原邊補償網絡，然后再連接至松耦合變壓器的原邊線圈；該松耦合變壓器的副邊線圈放置在原邊線圈中，其輸出連接至副邊補償網絡，然后再連接至輸出調節電路，而輸出調節電路的輸出再連接至負載；本實用新型能夠在原邊線圈內部的三維空間提供均勻電磁場，可同時向線圈內任意位置的多個手機進行無線充電，特別適合車載移動情況下手機充電。
【專利說明】
一種多手機可移動三維無線充電裝置
技術領域
[0001]本發明提供一種多手機可移動三維無線充電裝置，它涉及一種無線手機充電裝置，尤其涉及一種適合多手機、移動條件下的三維均勻磁場無線充電裝置。該技術屬于無線功率傳輸技術領域。
【背景技術】
[0002]目前，筆記本電腦、手機、平板電腦等便攜式移動設備，大都需要裝入電池或把電源適配器插入到市電中獲取電能，而電池則需要通過充電器插入到市電對其進行充電。這種傳統的有線供電或充電方式存在許多問題，比如器件磨損、接觸電火花、線路老化短路，導線裸露而產生的不安全因素，以及影響美觀等。
[0003]新型無接觸感應親合電能傳輸技術利用電磁感應親合原理傳輸電能，供電電源可以通過較大的氣隙向便攜式移動設備傳輸電能，免除了供電電源與用電負載之間的直接金屬導體連接，消除了傳統的導線直接連接方式向移動設備供電時所產生的器件磨損、短路等，提高了設備獲得電能的靈活性。
[0004]現有技術中，所涉及的無線充電裝置大都采用平面組合線圈構成充電平板向手機或電池進行無線充電。由于現有技術中所設計充電平臺采用平面線圈結構，存在電磁場分布不均勻，尤其是在離開表面后電磁場迅速減弱，因此大都要求手機或電池放置在無線充電平板或充電墊上指定的位置，并且必須靠近充電平板。本發明基于Helmholtz的工作原理，結合電源逆變技術、諧振頻率自動跟蹤技術，以及多負載解耦及控制技術設計了一種多手機可移動三維無線充電裝置。

【發明內容】

[0005]1、目的:本發明的目的是提供一種多手機可移動三維無線充電裝置，它是一種可以在線圈內部的三維空間提供均勻電磁場，可同時向線圈內任意位置的多個手機或電池等進行無線充電的裝置。它不同于現有的無線充電平板或無線充電墊，可在線圈內部的三維空間提供均勻電磁場，可同時向線圈內任意位置的多個手機或電池進行無線充電，特別適合車載移動條件下手機的充電。
[0006]2、技術方案:本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
[0007]本發明所述的多手機可移動三維無線充電裝置是指通過電磁感應耦合原理實現手機或電池的無線充電。本發明一種多手機可移動三維無線充電裝置包括:電源輸入、逆變直流電源、高頻逆變電路、原邊補償網絡、由原邊線圈(發射線圈)和副邊線圈(接收線圈)組成的松耦合變壓器、副邊補償網絡、輸出調節電路。它們之間的位置連接關系是:該電源輸入連接至逆變直流電源，逆變直流電源的輸出再連接至高頻逆變電路，高頻逆變電路的輸出連接至原邊補償網絡，然后再連接至松耦合變壓器的原邊線圈；該松耦合變壓器的副邊線圈放置在原邊線圈中，其輸出連接至副邊補償網絡，然后再連接至輸出調節電路，而輸出調節電路的輸出再連接至負載。
[0008]所述的電源輸入可以是AC220V交流電輸入，也可以是+12V車載直流電源或+5V移動直流電源輸入；
[0009]所述的逆變直流電源包括整流濾波電路A、M0SFET半橋逆變電路、隔離變壓器TRl、二次整流濾波電路B、驅動電路I和多負載解耦及控制電路等。它們之間的位置連接關系是:AC220V交流電輸入整流濾波電路A，整流濾波電路A的輸出端連接至MOSFET半橋逆變電路的輸入端，MOSFET半橋逆變電路的輸出連接至隔離變壓器TRl的原邊線圈，隔離變壓器TRl的副邊線圈連接二次整流濾波電路B;逆變直流電源的輸出電壓通過電壓傳感器將電壓信號Udf連接至多負載解耦及控制電路，多負載解耦及控制電路輸出的PffM信號再通過驅動電路I連接至半橋逆變電路的MOSFET門極驅動輸入端，同時高頻逆變電路輸出的電流通過電流傳感器將電流信號If連接至多負載解耦及控制電路，對逆變直流電源的輸出電壓進行調節。
[0010]該整流濾波電路A為全橋整流濾波電路；
[0011 ] 該MOSFET半橋逆變電路由高頻電容Cl、C2和MOSFET管Ql、Q2組成;它們之間的關系是:Ql的源極與Q2的漏極串聯，再與串聯后的Cl和C2并聯組成半橋逆變電路，然后半橋逆變電路中的Ql漏極的一端連接至整流濾波電路A輸出的正極，Q2源極的一端在連接至整流濾波電路A輸出的負極;該高頻電容Cl、C2為高頻薄膜電容;該MOSFET管Ql、Q2為N溝道MOSFET，比如 FQA11N90C;
[0012]該隔離變壓器TRl由納米晶鐵芯繞制成的高頻降壓變壓器；
[0013 ]該二次整流濾波電路B包括快恢復二極管組成的全波整流電路B、濾波電感LI和電容C3等。它們之間的關系是:隔離變壓器TRl的輸出連接至全波整流電路B變換成直流電輸出，該輸出再連接至濾波電感LI和電容C3進行濾波，得到穩定的直流電壓輸出；該全波整流電路B采用快恢復二極管模塊;該濾波電感LI高頻電感;該電容C3高頻薄膜電容；
[0014]該驅動電路I采用集成光耦隔離驅動電路，比如F0D3182;
[0015]該電壓傳感器采用的是霍爾電壓傳感器(比如LEM公司的LV25-P);
[0016]該電流傳感器采用的是電流互感器(比如CHG-200);
[0017]該多負載解耦及控制電路包括PffM發生電路、內環PID調節電路、外環PID調節電路和整流濾波電路C。其間關系是:高頻逆變電路輸出的電流信號If連接至整流濾波電路C，整流濾波電路C的輸出Idf與設定的高頻逆變電路的輸出電流值Idg再連接至外環PID調節電路，外環PID調節電路的輸出信號Udg作為逆變直流電源輸出電壓給定值連接至內環PID調節電路，同時逆變直流電源輸出電壓的反饋信號Udf也連接至內環PID調節電路，內環PID調節電路的輸出連接至PWM發生電路，PWM發生電路的輸出通過驅動電路I后連接至逆變直流電源的功率開關MOSFET，調節逆變直流電源的輸出電壓來保證原邊線圈的輸入電流不變，從而保證了原邊線圈內部的電磁場恒定，使得負載數量及其充電電流變化不會影響各個負載的充電狀態。
[0018]該PffM發生電路采用的是PffM波形產生集成電路SG2525A;
[0019]該內環PID調節電路是由運算放大器、電容和電阻等構成的比例、積分和微分閉環負反饋調節路，用來調節逆變直流電源的輸出電壓；
[0020]該外環PID調節電路是由運算放大器、電容和電阻等構成的比例、積分和微分閉環負反饋調節路，用來調節高頻逆變電路的輸出電流；
[0021 ]該整流濾波電路C是由快恢復二極管、高頻電容構成整流濾波電路，用來將高頻逆變電路輸出的電流反饋信號If整流濾波變換成直流電流信號Idf;
[0022]所述的高頻逆變電路由MOSFET全橋逆變電路、驅動電路2和諧振頻率自動跟蹤電路等組成。它們之間的位置連接關系是:逆變直流電源的輸出連接至高頻逆變電路的全橋逆變電路的輸入端，全橋逆變電路的輸出連接至原邊補償網絡;高頻逆變電路輸出的電流信號If與電壓信號Uf—起連接至諧振頻率自動跟蹤電路，諧振頻率自動跟蹤電路的輸出再通過驅動電路2連接至全橋逆變電路的MOSFET功率開關管的門極輸入端。該諧振頻率自動跟蹤電路包括電流整形電路A、電壓整形電路B、相位差檢測電路、相位關系檢測電路、延時電路、相位后置處理電路、PID調節電路和SG2525A PWM產生電路。其間關系是:全橋逆變電路輸出的電流信號If與電壓信號Uf分別連接至電流整形電路A和電壓整形電路B，電流整形電路A的輸出信號Ia再連接至相位差檢測電路和相位關系檢測電路，同時電壓整形電路B的輸出信號匕連接至相位差檢測電路和延時電路，延時電路輸出信號再連接至相位關系檢測電路;相位差檢測電路輸出的相位差信號A Θ與相位關系檢測電路輸出的相位選擇信號一起連接至相位后置處理電路，相位后置處理電路的輸出再連接至PID調節電路，PID調節電路的輸出再連接PWM產生電路SG2525A的頻率調節輸入端，對其輸出的PWM脈沖的頻率進行調節，從而實現高頻逆變電路諧振頻率的自動跟蹤。
[0023]該驅動電路2采用集成光耦隔離驅動電路，比如F0D3182;
[0024]該電流整形電路A由電壓比較器(比如LM293)組成，將電流信號If變換成同頻率的方波信號；
[0025]該電壓整形電路B由電壓比較器(比如LM293)組成，將電壓信號Uf變換成同頻率的方波信號；
[0026]該相位差檢測電路由與非門邏輯電路(比如CD4011)組成，通過邏輯判斷檢測出電流信號Ia和電壓信號Ua之間的相位差信號；
[0027]該相位關系檢測電路由與非門邏輯電路(比如CD4013)組成，用來檢測電流信號Ia和電壓信號Ua之間的超前或滯后關系；
[0028]該延時電路由電阻和電容組成，實現對電壓信號仏的延時；
[0029]該相位后置處理電路主要由多路選擇開關電路(比如⑶4053)組成，通過相位選擇信號選擇正或負的相位誤差信號輸入PID調節電路；
[0030]該PID調節電路主要由運算放大器構成比例、積分和微分調節電路，根據輸入的相位誤差信號進行比例、積分和微分運算，其輸出連接至SG2525A PffM產生電路，調節輸出PWM波形的頻率；
[0031]該SG2525A P麗產生電路采用P麗波形產生集成電路SG2525A，用來產生頻率可調節的PWM波形。
[0032 ]所述的原邊補償網絡由多個CBB高頻電容串并聯構成。
[0033]所述的松耦合變壓器包括原邊線圈和復數個副邊線圈；該原邊線圈由一對及復數對匝數、邊長、高度和厚度相同的共軸平行放置的矩形及其他形狀的線圈組合而成，在線圈內部提供三維均勻的電磁場;原邊線圈外部安裝有鐵磁材料薄層，有效屏蔽原邊線圈泄漏的電磁場，減小電磁場的對外輻射;該副邊線圈為一個矩形及任意形狀的復數匝線圈，或者由復數個線圈串聯或并聯組合而成。
[0034]所述的原邊線圈外部安裝的鐵磁材料薄層由鐵氧體粉末壓制而成，具有高導磁性能，有效屏蔽原邊線圈對外福射的電磁場。
[0035]所述的副邊補償網絡由多個CBB高頻電容串并聯構成。
[0036]所述的輸出調節電路包括整流濾波電路D、Buck斬波電路、驅動電路3和輸出特性控制電路等。它們之間的位置連接關系是:副邊線圈的輸出連接至副邊補償網絡后再連接至整流濾波電路D，整流濾波電路D的輸出連接至Buck斬波電路，Buck斬波電路的輸出再連接至負載;Buck斬波電路輸出的電壓和電流信號連接至輸出特性控制電路，其輸出再經驅動電路3后連接至Buck斬波電路的MOSFET功率開關管的門極輸入端。
[0037]該整流濾波電路D為全橋整流濾波電路，將副邊線圈感應耦合的交流電壓整流為直流電壓；
[0038]該Buck斬波電路由MOSFET開關管Q7、快恢復二極管D5、電感L2和濾波電容C7組成，用來調節輸出電路的輸出特性，比如實現恒壓限流的輸出特性;其間的關系是:整流濾波電路D輸出的正極連接至MOSFET開關管Q7的漏極，Q7的源極再依次連接至電感L2和濾波電容C7進行濾波，電容C7的另一端連接在整流濾波電路D輸出的負極;快恢復二極管D5的陰極連接在Q7的源極，D5的陽極連接至整流濾波電路D輸出的負極；該MOSFET開關管Q7為N溝道M0SFET，比如IRF640;該快恢復二極管D5在Q7關斷時，對輸出回路進行續流;該電感L2和濾波電容C7組成濾波電路，對輸出的電壓進行濾波。
[0039]該驅動電路3采用集成光耦隔離驅動電路，比如F0D3182。
[0040]該輸出特性控制電路由Pmi產生電路、PID調節電路組成，用來對輸出電壓Ucmtf和輸出電流Icmtf的調節;其間的關系是:輸出電壓信號Ucmtf和輸出電流信號Icmt連接至PID調節電路進行誤差計算放大，其輸出再連接至HVM產生電路對HVM波形的脈沖寬度進行調節，從而實現輸出電壓和輸出電流的調節。該PWM產生電路采用PffM波形產生集成電路SG2525A;該PID調節電路由運算放大器、電容和電阻等構成的比例、積分和微分閉環負反饋調節路。
[0041]3、優點及功效:由本發明提供的上述技術方案可以看出，本發明所述的多手機可移動三維無線充電裝置由電源輸入、逆變直流電源、高頻逆變電路、原邊補償網絡、原邊線圈、副邊線圈、副邊補償網絡、輸出調節電路和手機或手機電池負載等組成，能夠在原邊線圈內部的三維空間提供均勻電磁場，可同時向線圈內任意位置的多個手機進行無線充電，特別適合車載移動情況下手機充電，也適合各類Pad及由充電電池驅動的電動玩具的充電。
【附圖說明】
[0042]圖1為本發明的多手機可移動三維無線充電裝置的系統構成示意圖。
[0043]圖2為本發明中原邊線圈的驅動電路及控制電路的工作線路圖。
[0044]圖3為本發明中原邊線圈的結構示意圖。
[0045]圖4為本發明中副邊線圈輸出主電路及輸出特性控制電路的工作線路圖。
[0046]圖5為本發明中多負載解耦及控制電路的工作線路框圖。
[0047]圖6為本發明中高頻逆變電路諧振頻率自動跟蹤電路的工作線路框圖。
[0048]圖7為本發明中輸出特性示意圖。
[0049]圖中序號代號符號說明如下:
[0050]100為電源輸入；
[0051 ] 101為逆變直流電源；
[0052]102為高頻逆變電路；
[0053]103為原邊補償網絡；
[0054]104為松耦合變壓器的原邊線圈；
[0055]105為松耦合變壓器的副邊線圈；
[0056]106為副邊補償網絡；
[0057]107為輸出調節電路；
[0058]108為手機或手機電池負載；
[0059]201為整流濾波電路A;
[0060 ]202為MOSFET半橋逆變電路；
[0061 ]203為隔離變壓器；
[0062]204為二次整流濾波電路B;
[0063]205為驅動電路I;
[0064]206為多負載解耦及控制電路；
[0065]207為全橋逆變主電路；
[0066]208為驅動電路2;
[0067]209為諧振頻率自動跟蹤電路；
[0068]401為整流濾波電路D;
[0069]402為Buck斬波電路；
[0070]403為驅動電路3;
[0071]404為輸出特性控制電路；
[0072]501為PffM發生電路；
[0073]502為內環PID調節電路；
[0074]503為外環PID調節電路；
[0075]504為整流濾波電路C;
[0076]601為電流整形電路A;
[0077]602為相位差檢測電路；
[0078]603為相位后置處理電路；
[0079]604為PID調節電路；
[0080]605為相位關系檢測電路；
[0081 ]606為電壓整形電路B;
[0082]607為延時電路；
[0083]608為SG2525A;
[0084]MOSFET為金屬氧化物半導體場效應晶體；
[0085]PffM為脈沖寬度調節；
[0086]TRl為高頻變壓器的序號；
[0087]Q為MOSFET管的序號。
【具體實施方式】
[0088]本發明一種多手機可移動三維無線充電裝置，其【具體實施方式】是:
[0089]所述的一種多手機可移動三維無線充電裝置包括:
[0090]參見圖1所示，所述的多手機可移動三維無線充電裝置由電源輸入100、逆變直流電源101、高頻逆變電路102、原邊補償網絡103、松耦合變壓器的原邊線圈104、松耦合變壓器的副邊線圈105、副邊補償網絡106、輸出調節電路107、手機或手機電池負載108連接而成，其中，副邊線圈105放置在原邊線圈104中通過電磁耦合拾取能量。
[0091]參見圖2所示，所述原邊線圈的驅動電路及控制電路主要由整流濾波電路A201、MOSFET半橋逆變電路202、隔離變壓器203、二次整流濾波電路B204、驅動電路I 205、多負載解耦及控制電路206、全橋逆變主電路207、驅動電路2 208、諧振頻率自動跟蹤電路209連接
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[0092]參見圖3所示，所述原邊線圈基于Helmholtz線圈的工作原理，由一對匝數、邊長、高度和厚度相同的共軸平行放置的正方形線圈組成;原邊線圈外部安裝由鐵磁材料薄層，該鐵磁材料薄層由鐵氧體粉末壓制而成，具有高導磁性能，有效屏蔽原邊線圈的電磁場，減小電磁場的對外輻射。
[0093]參見圖4所示，所述輸出調節電路由整流濾波電路D 401、Buck斬波電路402、驅動電路3 403、輸出特性控制電路404連接而成。
[0094]參見圖5所示，所述的多負載解耦及控制電路206主要由PffM發生電路501、內環PID調節電路502、外環PID調節電路503、整流濾波電路C 504連接而成。
[0095]參見圖6所示，所述諧振頻率自動跟蹤電路209由電流整形電路A 601、相位差檢測電路602、相位后置處理電路603、PID調節電路604、相位關系檢測電路605、電壓整形電路B606、延時電路607、SG2525A 608等連接而成。
[0096]參見圖7所示，所述裝置的輸出特性為恒壓限流輸出特性。
[0097]所述的多手機可移動三維無線充電裝置可在原邊線圈內部的三維空間提供均勻電磁場，手機或電池可以放在線圈內部任意位置充電，特別適合車載移動情況下手機或電池充電。
[0098]所述的多手機可移動三維無線充電裝置能夠同時向線圈內任意位置的多個手機或電池進行無線充電。
[0099]所述的多手機可移動三維無線充電裝置采用逆變直流電源與高頻逆變電路串聯的主電路拓撲結構，并設計了多負載解耦及控制電路，通過調節逆變直流電源的輸出電壓來保證原邊線圈的輸入電流不變，從而保證了原邊線圈內的電磁場恒定，使得手機或手機電池的數量及其充電電流變化不會影響各個負載的充電狀態。
[0100]所述的多手機可移動三維無線充電裝置設計了一種諧振頻率自動跟蹤技術，能夠實現原邊線圈及其補償網絡諧振頻率的自動跟蹤，可以實現原邊線圈輸出功率的高效無線傳輸。
[0101]所述的多手機可移動三維無線充電裝置在原邊線圈外部安裝由鐵磁材料薄層，可以有效屏蔽線圈的電磁場，減小電磁場的對外福射。
[0102]本發明針對手機或電池無線充電的需要，提供了一種多手機可移動三維無線充電裝置，能夠在原邊線圈內部的三維空間提供均勻電磁場，可同時向線圈內任意位置的多個手機進行無線充電，特別適合車載移動情況下手機充電；而且具有多負載解耦及控制、諧振頻率自動跟蹤，以及電磁屏蔽等功能。[0103 ]就本發明而言，包括電源輸入100、逆變直流電源11、高頻逆變電路102、原邊補償網絡103、松耦合變壓器的原邊線圈104、松耦合變壓器的副邊線圈105、副邊補償網絡106、輸出調節電路107、手機或手機電池負載108等。電源輸入100經逆變直流電源1I后，變成電壓可調的直流電壓源輸出，然后輸入高頻逆變電路102再次變換成高頻逆變交流方波，該高頻逆變交流方波再輸入由原邊補償網絡103和原邊線圈104組成的串聯諧振電路產生諧振，在原邊線圈104內部產生均勻的交變電磁場。副邊線圈105與副邊補償網絡串聯構成副邊諧振電路，且具有與原邊諧振電路相同的諧振頻率；當副邊線圈105放置在原邊線圈104中通過電磁諧振耦合拾取能量，并將感應電能輸入輸出調節電路107，實現恒壓限流特性的輸出，從而實現手機或手機電池負載的安全可靠地充電。
[0104]電源輸入100可以為AC220V交流電輸入，也可以是+12V車載電源。
[0105]逆變直流電源101包括整流濾波電路A 201、M0SFET半橋逆變電路202、隔離變壓器203、二次整流濾波電路B 204、驅動電路I 205和多負載解耦及控制電路206等。其中，多負載解耦及控制電路206包括PffM發生電路501、內環PID調節電路502、外環PID調節電路503和整流濾波電路504等。
[0106]AC220V交流電源輸入整流濾波電路A 201后變換成約310V的直流電，然后再經由MOSFET構成的半橋逆變電路202變換成約20kHz的交流方波，該交流方波再輸入隔離變壓器203降壓得到同頻率的低壓交流方波，該低壓交流方波再經二次整流濾波電路B 204后變換成電壓可調的直流電壓輸出。調節半橋逆變電路202的MOSFET功率開關的導通和關斷時間就可以改變逆變直流電源1I輸出電壓的大小。
[0107]通過內環PID調節電路502和外環PID調節電路503結合的雙閉環調節電路來控制逆變直流電源101的輸出電壓，可以實現多負載解耦和控制:當手機或手機電池負載的數目或充電電流變化時，通過調節逆變直流電源1I的輸出電壓來保證原邊線圈104的輸入電流不變，從而保證了原邊線圈104內部的電磁場恒定，使得負載數量及其充電電流變化不會影響各個負載的充電狀態。高頻逆變電路1 2輸出的電流信號I f輸入整流濾波電路C504，經整流濾波后變成平均電流信號Idf，然后再與設定的高頻逆變電路的輸出電流值Idg—起輸入外環PID調節電路503，外環PID調節電路503的輸出信號Udg作為逆變直流電源的電壓給定連接至內環PID調節電路502，同時逆變直流電源輸出電壓的反饋信號Udf也連接至內環PID調節電路502，內環PID調節電路502的輸出連接至PffM發生電路501，調節PWM波形的脈沖寬度，然后調節后的PWM波形再通過驅動電路I后連接至逆變直流電源的MOSFET半橋逆變電路202，對開關管的開通和關斷時間進行調節，從而實現逆變直流電源輸出電壓調節。這樣，通過調節逆變直流電源的輸出電壓來保證原邊線圈的輸入電流不變，從而保證了原邊線圈內部的電磁場恒定，使得負載數量及其充電電流變化不會影響各個負載的充電狀態。
[0108]高頻逆變電路102由全橋逆變主電路207、驅動電路2 208、諧振頻率自動跟蹤電路209等組成。其中，諧振頻率自動跟蹤電路209包括電流整形電路A 601、相位差檢測電路602、相位后置處理電路603、PID調節電路604、相位關系檢測電路605、電壓整形電路B606、延時電路607、SG2525A 608等。
[0109]高頻逆變電路1 2的主要功能是將逆變直流電源1I輸入的直流電源通過全橋逆變主電路207再次變換成高頻交流方波輸出；同時，諧振頻率自動跟蹤電路209調節全橋逆變電路的工作頻率，使其略高于原邊補償網絡103與原邊線圈104組成的串聯電路諧振頻率，這樣原邊線圈104和原邊補償網絡103構成的諧振電路就工作在略偏感性的諧振工作狀態，不僅實現了諧振大電流的輸出，而且使全橋逆變主電路可以安全可靠地工作。
[0110]在諧振頻率自動跟蹤電路209中，高頻逆變電路102輸出的電流信號If與電壓信號Uf分別經電流整形電路A 601和電壓整形電路B 606后變換成同頻率的方波信號UPUa，二者再輸入相位差檢測電路602得到電流和電壓之間的相位差ΔΘ。同時，Ua經延時電路607后得到延時后的電壓方波信號Uaa，然后Uaa與Ia再輸入相位關系檢測電路判別是電流超前，還是電壓超前。然后，相位差A Θ和相位差選擇信號再輸入相位后置處理電路603進行相位誤差信號判別，其結果(+A Θ或一 ΔΘ)輸入PID調節電路604，經調節后輸出的電壓信號1]^對SG2525A輸出的PffM脈沖波形的頻率進行動態調節，從而實現高頻逆變電路諧振頻率的自動跟蹤。
[0111]當原邊線圈104與原邊補償網絡103構成的諧振回路工作在略偏感性的準諧振狀態時，不僅能夠輸出較大的原邊線圈勵磁電流，而且全橋逆變電路中的MOSFET開關管既能實現零電壓開通，又能減小其關斷損耗。因此，為了提高全橋逆變電路207工作可靠性及傳輸效率，應確保高頻逆變電路102中的全橋逆變電路始終工作在感性狀態。在諧振頻率自動跟蹤電路209中，電壓信號Ua通過延時電路607延時一段時間后，再與電流信號Ia進行相位超前(滯后)的判斷，這樣就使得實際跟蹤的是延時后的電壓信號Uaa。因此，當頻率跟蹤電路進入鎖定狀態時，延時后的電壓信號Uaa與電流信號13之間就不存在相位差了，然而實際上逆變器負載兩端的電壓信號則略超前于電流信號，從而實現了略偏感性的準諧振頻率自動跟足示O
[0112]原邊補償網絡103采用多個CBB高頻電容串并聯而成，然后與原邊線圈104串聯組成串聯諧振電路，連接在高頻逆變電路102的輸出端，作為其串聯諧振負載。
[0113]原邊線圈104是基于Helmholtz線圈的基本原理，由一對匝數、邊長、高度和厚度相同的共軸平行放置的正方形線圈組成，并對線圈的匝數、高度和厚度進行了數值計算和優化，使得線圈內部的電磁場分布達到最均勻的狀態。一種優化的具體實施例的線圈參數為:邊長a為200mm，單層線圈，每個線圈的Bi數為65Bi，線圈高度h為50mm，線圈的中心距d為100mm。此外，原邊線圈外部安裝由鐵磁材料薄層，可以有效屏蔽線圈的電磁場，減小電磁場的對外輻射。
[0? Μ] 副邊線圈105為60mmX 60mm矩形線圈，Bi數為65阻，放置在原邊線圈104中拾取電磁能量，轉化為感應電能輸出。
[0115]副邊補償網絡106同樣采用多個CBB高頻電容串并聯而成，然后與副邊線圈105串聯組成串聯諧振電路，其諧振頻率與原邊串聯諧振電路相同。副邊串聯諧振電路的輸出連接至輸出調節電路107，為其提供電能輸入。
[0116]輸出調節電路107由整流濾波電路D 401、Buck斬波電路402、驅動電路3 403、輸出特性控制電路404連接而成。副邊補償網絡106與副邊線圈105組成串聯諧振電路拾取的電磁能量連接至輸出調節電路1 7的整流濾波電路D 401后變成直流電壓，該直流電源再輸入Buck斬波電路402進行調節，實現恒壓限流輸出特性。恒壓限流輸出特性是這樣實現的:輸出調節電路107輸出的電壓信號Uciutf和電流信號Iciutf連接至輸出特性調節電路404，實現輸出電壓和電流的閉環負反饋調節，調節后的PffM信號再經驅動電路3 403控制Buck斬波電路402的MOSFET功率開關管開通和關斷的時間，就可以實現恒壓限流特性輸出。
[0117]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0118]圖1是多手機可移動三維無線充電裝置的系統構成示意圖，主要由電源輸入100、逆變直流電源101、高頻逆變電路102、原邊補償網絡103、松耦合變壓器的原邊線圈104、松耦合變壓器的副邊線圈105、副邊補償網絡106、輸出調節電路107、手機或手機電池108等連接而成。
[0119]參考圖1，電源輸入100經逆變直流電源101后，變成電壓可調的直流電壓源輸出，然后輸入高頻逆變電路102再次變換成高頻逆變交流方波，該高頻逆變交流方波再輸入由原邊補償網絡103和原邊線圈104組成的串聯諧振電路產生諧振，在原邊線圈104內部產生均勻的交變電磁場。副邊線圈105與副邊補償網絡串聯構成副邊諧振電路，且具有與原邊諧振電路相同的諧振頻率，副邊線圈105放置在原邊線圈104中通過電磁諧振耦合拾取能量，并將感應電能輸入輸出調節電路107，實現恒壓限流特性的輸出，從而實現手機或手機電池負載的安全可靠地充電。
[0120]圖2是原邊線圈104的驅動電路工作原理圖。原邊線圈104的驅動電路由電源輸入
100、逆變直流電源11、高頻逆變電路102、原邊補償網絡103、松耦合變壓器的原邊線圈104連接而成。逆變直流電源101包括整流濾波電路A 201、M0SFET半橋逆變電路202、隔離變壓器203、二次整流濾波電路B 204、驅動電路I 205和多負載解耦及控制電路206等。高頻逆變電路102由全橋逆變主電路207、驅動電路2 208、諧振頻率自動跟蹤電路209等組成。
[0121]參考圖2，AC220V交流電源輸入整流濾波電路A 201后變換成約310V的直流電，然后再經由MOSFET構成的半橋逆變電路202變換成約20kHz的交流方波，該交流方波再輸入隔離變壓器203降壓得到同頻率的低壓交流方波，該低壓交流方波再經二次整流濾波電路B204后變換成電壓可調的直流電壓輸出。逆變直流電源101的輸出連接至高頻逆變電路102的輸入，通過全橋逆變主電路207再次變換成高頻交流方波輸出，同時高頻逆變電路102的輸出電流和電壓信號輸入諧振頻率自動跟蹤電路209進行諧振頻率的自動調節，其輸出通過驅動電路3 208調節全橋逆變電路的工作頻率，使其略高于原邊補償網絡103與原邊線圈104組成的串聯電路諧振頻率，這樣原邊線圈104和原邊補償網絡103構成的諧振電路就工作在略偏感性的諧振工作狀態。
[0122]圖3是原邊線圈104的結構示意圖。
[0123]參考圖3，原邊線圈104是基于Helmholtz線圈的基本原理，由一對匝數、邊長、高度和厚度相同的共軸平行放置的正方形線圈組成，并對線圈的匝數、高度和厚度進行了數值計算和優化，使得線圈內部的電磁場分布達到最均勻的狀態。一種優化的具體實施例的線圈參數為:邊長a為200mm，單層線圈，每個線圈的Bi數為65阻，線圈高度h為50mm，線圈的中心距d為100mm。原邊線圈外部安裝由鐵磁材料薄層，可以有效屏蔽線圈的電磁場，減小電磁場的對外輻射。
[0124]圖4是輸出特性調節電路107的工作原理圖。輸出特性調節電路107由整流濾波電路D401、Buck斬波電路402、驅動電路3 403、輸出特性控制電路404等連接而成。
[0125]參考圖4，副邊補償網絡106與副邊線圈105組成串聯諧振電路拾取的電磁能量連接至輸出調節電路107的整流濾波電路D 401后變成直流電壓，該直流電源再輸入Buck斬波電路402進行調節，實現恒壓限流輸出特性。恒壓限流輸出特性是這樣實現的:輸出調節電路107輸出的電壓信號Uciutf和電流信號Iciutf連接至輸出特性調節電路404，實現輸出電壓和電流的閉環負反饋調節，調節后的PWM信號再經驅動電路3 403控制Buck斬波電路402的MOSFET功率開關管開通和關斷的時間，就可以實現恒壓限流特性輸出。
[0126]圖5是多負載解耦及控制電路的工作原理圖。多負載解耦及控制電路206包括PWM發生電路501、內環PID調節電路502、外環PID調節電路503和整流濾波電路504等。
[0127]參考圖5，高頻逆變電路102輸出的電流信號If輸入整流濾波電路C504，經整流濾波后變成平均電流信號Idf，然后再與設定的高頻逆變電路的輸出電流值Idg—起輸入外環PID調節電路503，外環PID調節電路503的輸出信號1^作為逆變直流電源的電壓給定連接至內環PID調節電路502，同時逆變直流電源輸出電壓的反饋信號Udf也連接至內環PID調節電路502，內環PID調節電路502的輸出連接至PffM發生電路501，調節PffM波形的脈沖寬度，然后調節后的PWM波形再通過驅動電路I后連接至逆變直流電源的MOSFET半橋逆變電路202，對開關管的開通和關斷時間進行調節，從而實現逆變直流電源輸出電壓調節。
[0128]圖6是諧振頻率自動跟蹤電路209的工作原理圖。諧振頻率自動跟蹤電路209包括電流整形電路A 601、相位差檢測電路602、相位后置處理電路603、PID調節電路604、相位關系檢測電路605、電壓整形電路B 606、延時電路607、SG2525A 608等。
[0129]參考圖6，高頻逆變電路102輸出的電流信號If與電壓信號Uf分別經電流整形電路A601和電壓整形電路B 606后變換成同頻率的方波信號IjPUa，二者再輸入相位差檢測電路602得到電流和電壓之間的相位差ΔΘ。同時，Ua經延時電路607后得到延時后的電壓方波信號Uaa，然后Uaa與Ia再輸入相位關系檢測電路判別是電流超前，還是電壓超前。然后，相位差A Θ和相位差選擇信號再輸入相位后置處理電路603進行相位誤差信號判別，其結果(+Δ Θ或一 A Θ)輸入PID調節電路604，經調節后輸出的電壓信號Uca^tSG2525A輸出的P麗脈沖波形的頻率進行動態調節，從而實現諧振頻率的自動跟蹤。
[0130]圖7是輸出調節電路107的輸出特性示意圖。
[0131]參考圖7，通過調節電路107的輸出電壓和輸出電流的閉環負反饋調節，實現了輸出調節電路的恒壓限流特性的輸出。
[0132]本發明所述的多手機可移動三維無線充電裝置由電源輸入100、逆變直流電源
101、高頻逆變電路102、原邊補償網絡103、松耦合變壓器的原邊線圈104、松耦合變壓器的副邊線圈105、副邊補償網絡106、輸出調節電路107、手機或手機手機電池負載108等組成，能夠在原邊線圈內部的三維空間提供均勻電磁場，可同時向線圈內任意位置的多個手機進行無線充電，特別適合車載移動情況下手機充電；而且具有多負載解耦及控制、諧振頻率自動跟蹤，以及電磁屏蔽等功能。
[0133]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種多手機可移動三維無線充電裝置，其特征在于:它包括:電源輸入、逆變直流電源、高頻逆變電路、原邊補償網絡、由原邊線圈即發射線圈和副邊線圈即接收線圈組成的松耦合變壓器、副邊補償網絡、輸出調節電路;它們之間的位置連接關系是:該電源輸入連接至逆變直流電源，逆變直流電源的輸出再連接至高頻逆變電路，高頻逆變電路的輸出連接至原邊補償網絡，然后再連接至松耦合變壓器的原邊線圈；該松耦合變壓器的副邊線圈放置在原邊線圈中，其輸出連接至副邊補償網絡，然后再連接至輸出調節電路，而輸出調節電路的輸出再連接至負載； 所述的逆變直流電源包括整流濾波電路A、MOSFET半橋逆變電路、隔離變壓器TRl、二次整流濾波電路B、驅動電路I和多負載解耦及控制電路;它們之間的位置連接關系是:AC220V交流電輸入整流濾波電路A，整流濾波電路A的輸出端連接至MOSFET半橋逆變電路的輸入端，MOSFET半橋逆變電路的輸出連接至隔離變壓器TRl的原邊線圈，隔離變壓器TRl的副邊線圈連接二次整流濾波電路B;逆變直流電源的輸出電壓通過電壓傳感器將電壓信號Udf連接至多負載解耦及控制電路，多負載解耦及控制電路輸出的PWM信號再通過驅動電路I連接至半橋逆變電路的MOSFET門極驅動輸入端，同時高頻逆變電路輸出的電流通過電流傳感器將電流信號If連接至多負載解耦及控制電路； 所述的多負載解耦及控制電路包括PWM發生電路、內環PID調節電路、外環PID調節電路和整流濾波電路C;該高頻逆變電路輸出的電流信號I f連接至整流濾波電路C，整流濾波電路C的輸出Idf與設定的高頻逆變電路的輸出電流值Idg再連接至外環PID調節電路，外環PID調節電路的輸出信號Udg作為逆變直流電源輸出電壓給定值連接至內環PID調節電路，同時逆變直流電源輸出電壓的反饋信號Udf也連接至內環PID調節電路，內環PID調節電路的輸出連接至PWM發生電路，PWM發生電路的輸出通過驅動電路I后連接至逆變直流電源的功率開關MOSFET; 所述的高頻逆變電路由MOSFET全橋逆變電路、驅動電路2和諧振頻率自動跟蹤電路組成;該逆變直流電源的輸出連接至高頻逆變電路的全橋逆變電路的輸入端，全橋逆變電路的輸出連接至原邊補償網絡;高頻逆變電路輸出的電流信號If與電壓信號Uf—起連接至諧振頻率自動跟蹤電路，諧振頻率自動跟蹤電路的輸出再通過驅動電路2連接至全橋逆變電路的MOSFET功率開關管的門極輸入端;該諧振頻率自動跟蹤電路包括電流整形電路A、電壓整形電路B、相位差檢測電路、相位關系檢測電路、延時電路、相位后置處理電路、PID調節電路和SG2525A PffM產生電路;該全橋逆變電路輸出的電流信號If與電壓信號Uf分別連接至電流整形電路A和電壓整形電路B，電流整形電路A的輸出信號Ia再連接至相位差檢測電路和相位關系檢測電路，同時電壓整形電路B的輸出信號匕連接至相位差檢測電路和延時電路，延時電路輸出信號再連接至相位關系檢測電路;相位差檢測電路輸出的相位差信號A Θ與相位關系檢測電路輸出的相位選擇信號一起連接至相位后置處理電路，相位后置處理電路的輸出再連接至PID調節電路，PID調節電路的輸出再連接PffM產生電路SG2525A的頻率調節輸入端； 所述的松耦合變壓器包括原邊線圈和復數個副邊線圈；該原邊線圈由一對及復數過匝數、邊長、高度和厚度相同的共軸平行放置的矩形及其他形狀的線圈組合而成;原邊線圈外部安裝有鐵磁材料薄層;該副邊線圈為一個矩形及任意形狀的復數匝線圈，及由復數個線圈串聯及并聯組合而成； 所述的輸出調節電路包括整流濾波電路D、Buck斬波電路、驅動電路3和輸出特性控制電路;該副邊線圈的輸出連接至副邊補償網絡后再連接至整流濾波電路D，整流濾波電路D的輸出連接至Buck斬波電路，Buck斬波電路的輸出再連接至負載;Buck斬波電路輸出的電壓和電流信號連接至輸出特性控制電路，其輸出再經驅動電路3后連接至Buck斬波電路的MOSFET功率開關管的門極輸入端； 所述的輸出特性控制電路由PWM產生電路、PID調節電路組成;該輸出電壓信號Uciutf和輸出電流信號I—連接至PID調節電路進行誤差計算放大，其輸出再連接至PffM產生電路。2.根據權利要求1所述的一種多手機可移動三維無線充電裝置，其特征在于:所述的電源輸入是AC220V交流電輸入、+12V車載直流電源和+5V移動直流電源輸入中的一種。3.根據權利要求1所述的一種多手機可移動三維無線充電裝置，其特征在于:所述的原邊補償網絡和副邊補償網絡均由復數個CBB高頻電容串并聯構成。4.根據權利要求1所述的一種多手機可移動三維無線充電裝置，其特征在于:所述的逆變直流電源中的隔離變壓器TRl是由納米晶鐵芯繞制成的高頻降壓變壓器。5.根據權利要求1所述的一種多手機可移動三維無線充電裝置，其特征在于:該PWM發生電路均采用PWM波形發生集成電路SG2525A。
【文檔編號】H02J50/12GK205646956SQ201620273220
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】楊軍, 張偉, 張騰元, 郭秋泉
【申請人】楊軍