本實用新型涉及電學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種無線電輸電裝置。

背景技術(shù)：

無線輸電技術(shù)由于其安全、便利等優(yōu)點正廣泛地被應(yīng)用到各類電子產(chǎn)品中去?，F(xiàn)有無線輸電技術(shù)主要包括磁感應(yīng)和磁諧振兩種方式。這兩種無線輸電技術(shù)傳遞功率的架構(gòu)均如圖1所示，主要包括將電網(wǎng)交流功率(電網(wǎng)電壓V_line)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送端直流功率(發(fā)送端直流電壓V_inv)的AC-DC模塊，將發(fā)送端直流功率轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌龉β实臒o線輸電發(fā)送端模塊(包含其發(fā)送線圈L_tx)，將磁場功率轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮斩酥绷鞴β?接收端直流電壓V_rec)的無線輸電接收端模塊(包含其接收線圈L_rx)，將接收端直流電壓V_rec調(diào)制為滿足電子設(shè)備要求的DC-DC模塊以及作為終端功率負(fù)載的電子設(shè)備。

圖1所展示的AC-DC模塊在實際應(yīng)用中以外置式電源適配器的形式出現(xiàn)，實現(xiàn)將110Vac或者220Vac的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?Vdc、12Vdc或者24Vdc等固定直流電壓的功能。由于外置式電源適配器的安規(guī)要求，該適配器往往采用如2所示的Flyback電路，在實現(xiàn)將電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ㄖ绷麟姷耐瑫r利用變壓器T提供安全隔離功能。

基于Flyback電路的隔離適配器為了保證一定的功率轉(zhuǎn)換效率(80％～85％)，通常將其最高開關(guān)頻率設(shè)定為65kHz左右，其變壓器T體積較大，難以和無線輸電發(fā)送端模塊集成為一個高密度功能模塊，以實現(xiàn)去掉外置式電源適配器，簡化無線輸電系統(tǒng)的目的。

具體來說，如圖3所示，基于磁諧振技術(shù)的無線輸電發(fā)送端電路由于其開關(guān)管(Q₁₂和Q₁₃)工作頻率固定且較高(依據(jù)A4WP標(biāo)準(zhǔn)為6.78MHz)，為保證實現(xiàn)Q₁₂和Q₁₃軟開關(guān)以降低其開關(guān)損耗，Q₁₂和Q₁₃的占空比往往固定(通常為50％)，難以通過脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)實現(xiàn)對無線輸電功率大小的控制而采用開關(guān)(ON/OFF)控制整個無線輸電發(fā)送端的方式(即讓無線輸電發(fā)送端工作一段時間，再停止一段時間)調(diào)制無線輸電功率以滿足電子設(shè)備負(fù)載的功耗要求。

由于無線輸電發(fā)送端前級Flyback電路在寬輸入電壓(通常面臨的電網(wǎng)交流電壓v_line范圍是85V_ac～265V_ac)條件下若要同時滿足寬輸出電壓(比如V_inv為5V_dc～36V_dc線性可調(diào))要求，則其功率轉(zhuǎn)換效率難以優(yōu)化，關(guān)鍵元器件成本(如圖2中Q₁₁和D₁₁)會明顯增加，所以無線輸電發(fā)送端的輸入電壓V_inv是固定的。若V_inv較低，則發(fā)送端電流較大，導(dǎo)致發(fā)送端功耗明顯，溫升較高，無線輸電功率因此受到限制，同時也影響無線輸電的距離；若V_inv較高，雖然無線輸電功率和距離均得以增加，但是在無線輸電發(fā)送端啟動瞬間Q₁₂和Q₁₃軟開關(guān)條件尚未建立，工作在硬開關(guān)狀態(tài)的Q₁₂和Q₁₃電壓應(yīng)力過高，導(dǎo)致正常工作時只需要100V耐壓的Q₁₂和Q₁₃為了解決啟動問題需要選用150V甚至200V耐壓，嚴(yán)重影響Q₁₂和Q₁₃的性能和成本。同時，較高的V_inv需要在ON/OFF控制發(fā)送端時將發(fā)送端更多地至于OFF狀態(tài)以降低發(fā)送端的輕載和待機功耗，這會降低發(fā)送端的動態(tài)響應(yīng)速度。

目前，現(xiàn)有技術(shù)中的無線電輸電技術(shù)存在無線電轉(zhuǎn)換效率和成本的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的目的在于提供一種無線電輸電裝置。該系統(tǒng)實現(xiàn)提高無線輸電系統(tǒng)效率，增加無線輸電距離和降低無線輸電系統(tǒng)待機功耗。

本實用新型提供一種無線輸電裝置，包括：依次級聯(lián)的整流橋、浮地降壓式變換電路和發(fā)送端諧振電路，其中，第一整流橋輸入端和交流電網(wǎng)相連，所述第一整流橋輸出端和浮地降壓式變換電路的輸入端相連，將電網(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷禾峁┙o所述浮地降壓式變換電路；降壓式變換電路包括第一電容、第二電容、第一開關(guān)管、二極管和第一電感，第一電容為第一整流橋輸出端直流電壓濾波，其正端和二極管陰極以及第二電容正端相連，其負(fù)端和所述第一開關(guān)管源極相連，二極管陽極和第一開關(guān)管漏極以及第一電感的一端相連，第二電容和第一電感的另一端相連；第二電容為后級發(fā)送端諧振電路提供受控的直流電壓，通過控制第一開關(guān)管，浮地降壓式變換電路將直流電壓轉(zhuǎn)換為受控的直流電壓；所述發(fā)送端諧振電路用于將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿芰俊?/p>

進一步地，還包括：無線輸電接收端，所述無線輸電接收端由第二諧振電容、第二諧振電感、第二整流橋和第四電容構(gòu)成，所述無線輸電接收端，用于接收到的磁場能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷?/p>

進一步地，還包括：無線通訊發(fā)送端，所述無線通訊發(fā)送端具體為帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換器的藍(lán)牙模塊，用于將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線通訊信息。

進一步地，所述發(fā)送端諧振電路由第三電容、第四電容、第五電容、第二電感、第三電感、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第一諧振電容和第一諧振電感構(gòu)成，其中第三開關(guān)管和第二開關(guān)管工作在相同的開關(guān)頻率、占空比50％且互補；第四電容和第五電容用于為第三開關(guān)管和第二開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)。

進一步地，還包括：無線通訊接收端，所述無線通訊發(fā)送端具體為帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換器的藍(lán)牙模塊，用于將包含控制信號的無線通訊信息還原為所述控制信號。

進一步地，還包括：運算放大器和直流-直流轉(zhuǎn)換器。

本實用新型至少具有以下優(yōu)點：

本實用新型縮小無線輸電系統(tǒng)體積，提高無線輸電系統(tǒng)效率，增加無線輸電距離，降低無線輸電系統(tǒng)待機功耗，降低無線輸電發(fā)送端開關(guān)管電壓應(yīng)力。

上述說明僅是本實用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例并配合附圖詳細(xì)說明如下。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中無線輸電技術(shù)傳遞功率的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中Flyback電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為現(xiàn)有技術(shù)中一種基于磁諧振原理的無線輸電發(fā)送端電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實用新型提供的一種無線輸電發(fā)送端電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本實用新型提供的一種無線輸電功率架構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本實用新型提供的無線輸電裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。

首先描述一下本實用新型的主要思想：目前，無線輸電發(fā)送端模塊和接收端模塊已經(jīng)天然地將電網(wǎng)和終端電子設(shè)備隔離開來。為防止電磁能量被屏蔽，無線輸電發(fā)送端模塊和接收端模塊的外殼均為非導(dǎo)體材質(zhì)?；谶@兩點技術(shù)基礎(chǔ)，本實用新型提出通過級聯(lián)發(fā)送端諧振電路和如圖4所示浮地降壓式變換(BUCK)電路構(gòu)成無線輸電發(fā)送端模塊，該模塊完全內(nèi)置于無線輸電發(fā)送端裝置，通過線纜直接和電網(wǎng)相連，無需連接外置式電源適配器，如圖5所示。由于浮地BUCK電路可工作在較高開關(guān)頻率(如130kHz)，并且無變壓器限制，易于小型化，從而可以將圖5所示無線輸電發(fā)送端制作為一個高密度小體積的功能模塊，優(yōu)化無線輸電系統(tǒng)，達到改善用戶體驗的目的。由于浮地BUCK電路優(yōu)異的調(diào)壓特性，即使面對寬輸入電壓條件，也能滿足寬輸出電壓調(diào)制要求?；诖耍緦嵱眯滦瓦M一步提出通過動態(tài)調(diào)整圖4所示V_inv電壓以同時滿足1)提高無線輸電系統(tǒng)效率；2)增加無線輸電距離；3)降低無線輸電系統(tǒng)待機功耗以及4)降低無線輸電發(fā)送端開關(guān)管電壓應(yīng)力的目的。

下面進行詳細(xì)介紹，如圖6所示，本實用新型的一種無線輸電裝置，包括依次級聯(lián)的整流橋BR₁、浮地BUCK電路和發(fā)送端諧振電路，無線通訊發(fā)送端，無線通訊接收端，運算放大器和直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器。其中，整流橋輸入端和交流電網(wǎng)相連，輸出端和浮地BUCK電路的輸入端相連，將電網(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷禾峁┙o所述浮地BUCK電路。浮地BUCK電路包括第一電容C₁、第二電容C₂、第一開關(guān)管Q₁、二極管D₁和第一電感L₁，第一電容C₁為整流橋輸出端直流電壓濾波，其正端和二極管D₁陰極以及第二電容C₂正端相連，其負(fù)端和所述第一開關(guān)管Q₁源極相連，二極管D₁陽極和第一開關(guān)管漏極以及第一電感L₁的一端相連，第二電容C₂和第一電感L₁的另一端相連。第二電容C₂為后級發(fā)送端諧振電路提供受控的直流電壓V_inv。通過控制第一開關(guān)管Q₁，浮地BUCK電路將直流電壓V_main轉(zhuǎn)換為受控的直流電壓V_inv。需要說明的是：第二電容C₂和第一電容C₁的負(fù)端并未直接相連，存在電位差，而后級發(fā)送端諧振電路的參考地即為所述第二電容的負(fù)端，所以后級發(fā)送端諧振電路的參考地相對于前級所述浮地BUCK電路的參考地(即所述第一電容的負(fù)端)也存在電位差。發(fā)送端諧振電路由第三電容C₃、第二電感L₂、第三電感L₃、第二開關(guān)管Q₂、第三開關(guān)管Q₃、第四電容C₄、第五電容C₅、第一諧振電容C_tx和第一諧振電感L_tx構(gòu)成，其中第三開關(guān)管Q3和第二開關(guān)管Q2工作在相同的開關(guān)頻率、占空比50％且互補的狀態(tài)；第四電容C₄和第五電容C₅幫助第三開關(guān)管Q₃和第二開關(guān)管Q₂實現(xiàn)軟開關(guān)以消除高頻(如6.78MHz)開關(guān)損耗。該諧振電路將直流電壓V_inv轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿芰?。無線輸電接收端由第二諧振電容C_rx，第二諧振電感L_rx，整流橋BR₂和第四(濾波)電容C₄構(gòu)成，其中第二諧振電容Crx和第二諧振電感Lrx的諧振頻率等于第三開關(guān)管Q3或第二開關(guān)管Q2的開關(guān)頻率。無線通訊發(fā)送端具體可以為帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換器的藍(lán)牙模塊，它可以將所述控制信號V_{rec_con}轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線通訊信息。無線通訊接收端可以為帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換器的藍(lán)牙模塊，它可以將包含所述控制信號V_{rec_con}的無線通訊信息還原為所述控制信號V_{rec_con}。

基于圖6的無線輸電裝置，本實用新型實施例還提出了一種無線輸電裝置的控制方法，包括：級聯(lián)浮地BUCK電路和發(fā)送端諧振電路，通過檢測接收端輸出電壓V_rec來反饋控制浮地BUCK電路輸出電壓V_inv，從而實現(xiàn)接收端輸出電壓V_rec在接收端全負(fù)載范圍內(nèi)，以及接收端和發(fā)送端距離在設(shè)計范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的目的。其次，在發(fā)送端啟動和待機模式下，通過降低浮地BUCK電路輸出電壓V_inv至其最小值V_{inv_min}以實現(xiàn)降低發(fā)送端開關(guān)管電壓應(yīng)力和待機功耗的目的。發(fā)送端諧振電路用于將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l(如6.78MHz)磁場能量。

具體來說：85V_ac～265V_ac的交流電網(wǎng)電壓經(jīng)過整流橋BR₁整流和BUCK電路第一電容C₁濾波后變?yōu)橹绷麟妷篤_main。通過控制第一開關(guān)管Q₁，浮地BUCK電路將直流電壓V_main轉(zhuǎn)換為受控的直流電壓V_inv。發(fā)送端諧振電路將直流電壓V_inv轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿芰?。無線輸電接收端將接收到的磁場能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷篤_rec，再經(jīng)由DC-DC裝置便可轉(zhuǎn)換為滿足電子設(shè)備負(fù)載要求的直流電壓V_load。

本實用新型通過控制直流電壓V_rec而非直流電壓V_inv，可以消除由于第一諧振電感L_tx和第二諧振電感L_rx相對位置不同造成的直流電壓V_rec大幅波動，從而導(dǎo)致的DC-DC裝置輸出電壓V_load難以滿足電子設(shè)備負(fù)載的情況。通過反饋無線輸電接收端輸出電壓V_rec，并且和電壓基準(zhǔn)V_ref比較，繼而經(jīng)過運算放大器放大為一誤差控制信號V_{rec_con}，再通過帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換器的藍(lán)牙模塊2轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線信號，該無線信號通過帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換器的藍(lán)牙模塊1還原為誤差控制信號V_{rec_con}后輸入第一控制器Q₁形成第一開關(guān)管Q₁的頻率和占空比控制信號以實現(xiàn)。

第一控制器Q₁為一個將所述控制信號V_{rec_con}轉(zhuǎn)變?yōu)镼₁控制信號的裝置。具體來說，第一控制器Q₁采樣浮地BUCK電路輸出直流電壓V_inv，當(dāng)發(fā)送端諧振電路啟動時將V_inv控制為設(shè)定最低電壓V_{inv_min}，或者當(dāng)檢測不到無線通訊發(fā)送端信號時也將V_inv控制為設(shè)定最低電壓V_{inv_min}；而進入待機狀態(tài)時將直流電壓V_inv控制到其最小值V_{inv_min}，以防止發(fā)送端諧振電路在啟動時第二開關(guān)管Q₂和第四開關(guān)管Q₄承受過高電壓應(yīng)力而損壞，同時將無線輸電發(fā)送端電路待機功耗控制到最小。另外，第一控制器Q₁設(shè)定某一V_inv最大值V_{inv_max}，當(dāng)控制信號V_{rec_con}導(dǎo)致V_inv超過V_{inv_max}時，第一控制器Q₁將輸出電壓V_inv最大值鉗位在V_{inv_max}，以防止正常工作時第二開關(guān)管Q₂和第四開關(guān)管Q₄承受過高電壓應(yīng)力而損壞。

本實用新型實施例中的浮地降壓式變換(BUCK)電路和發(fā)送端諧振電路構(gòu)成的模塊化無線輸電發(fā)送端電路，發(fā)送端諧振電路的前級電路不需要隔離，不需要采用外置式電源適配器，可以一體化集成，縮小無線輸電系統(tǒng)體積。正因為上述集成，浮地BUCK電路的輸出電壓在系統(tǒng)正常工作時不需要單獨控制，關(guān)鍵在于控制無線輸電接收端輸出電壓以實現(xiàn)雖然無線輸電的接收端和發(fā)送端相對位置(包含距離遠(yuǎn)近)發(fā)生了變化，但是電子設(shè)備負(fù)載的供電得以保證，無線輸電系統(tǒng)效率得以提高。在啟動和待機模式下，浮地BUCK電路的輸出不再由無線輸電接收端輸出電壓反饋控制，而是直接控制到某一最小值，從而降低無線輸電系統(tǒng)待機功耗，降低無線輸電發(fā)送端開關(guān)管電壓應(yīng)力。在正常工作模式下，浮地BUCK電路的輸出設(shè)定一個最大鉗位電壓，以防止正常工作時諧振電路元器件承受過高電壓應(yīng)力而損壞。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，并不用于限制本實用新型，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。