一种磁耦合谐振式无线充电发射电路及无线充电发射装置

摘要

本发明公开了一种磁耦合谐振式无线充电发射电路及无线充电发射装置，包括有全桥逆变电路、电流采样电路、运放电路、震荡电路、转换电路、延时电路以及比较电路；全桥逆变电路的一个输出端与电流采样电路的一个采样端电连接，所述全桥逆变电路的另一个输出端通过震荡电路与电流采样电路的另一个采样端电连接，电流采样电路的输出端分别与转换电路以及运放电路的输入端电连接，比较电路的输入端与转换电路以及运放电路的输出端电连接，所述比较电路输出端与延时电路的输入端电连接，延时电路的输出端全桥逆变电路的驱动端电连接。本技术方案不通过MCU控制，以精简硬件设计实现谐振式电路控制，节省应用成本。

权利要求

1.一种磁耦合谐振式无线充电发射电路，包括有与电源适配器电连接的电源输入接口，其特征在于：

还包括有全桥逆变电路、电流采样电路、运放电路、震荡电路、转换电路、延时电路以及比较电路；所述全桥逆变电路的电源输入端与电源输入接口连接，所述全桥逆变电路的一个输出端与电流采样电路的一个采样端电连接，所述全桥逆变电路的另一个输出端通过震荡电路与电流采样电路的另一个采样端电连接，所述电流采样电路的一个输出端与转换电路的输入端电连接，所述电流采样电路的另一个输出端与运放电路的输入端电连接，所述比较电路的一个输入端与转换电路的输出端电连接，所述比较电路的另一个输入端与运放电路的输出端电连接，所述比较电路的一个输出端与延时电路的输入端电连接，所述比较电路的另一个输出端与全桥逆变电路的驱动端电连接，所述延时电路的输出端全桥逆变电路的驱动端电连接；

一种磁耦合谐振式无线充电发射电路的电路结构，由四个MOSFET管Q 1、Q2、Q3以及Q4组成全桥逆变功率电路，MOSFET的驱动电路由两片通过反相电路实现驱动信号的互补导通的集成IC芯片组成，一组集成IC芯片控制端与MOSFET管Q1和MOSFET管Q4的栅极电连接，另一组集成IC芯片控制端与MOSFET管Q2和MOSFET管Q3的栅极电连接，第一电流采样电路由一个高频电流互感器CT1和次级侧负载电阻R5、R12组成，第二电流采样电路由一个高频电流互感器CT2和次级侧负载电阻R31、R37组成，震荡电路由电容CX1和电感L1组成，电流互感器CT1的第四电脚与MOSFET管Q1的源极电连接，电流互感器CT2的第三电脚通过电感L1和电容CX1与MOSFET管Q2的源极电连接，电流互感器CT1的第三电脚与电流互感器CT2的第四电脚电连接，电阻R5的第一端与电流互感器CT1的第一电脚电连接，电阻R5的第二端与电阻R12的第一端电连接，电阻R12的第二端与电阻R16的第一端电连接，电阻R16的第二端与加法器U2的第三电脚电连接，加法器U2的第四电脚通过电阻R4与加法器U2的第一电脚电连接， 加法器U2的第一电脚通过电阻R10与放大器U1第三电脚电连接，放大器U1的第四电脚通过R3与放大器U1的第一电脚电连接，放大器U1的第一电脚通过电阻R9与比较器U3的第四电脚电连接，比较器U3的第三电脚通过电阻R6与比较器U3的第一电脚电连接，比较器U3的第一电脚通过电阻R7与MOSFET管驱动电路12的一组集成IC芯片输入端电连接；

适用于磁耦合谐振式无线充电发射电路的无线充电发射装置，由发射板和线圈LS以及接收板、负载电阻RL以及线圈LR组成；其电路结构体现的频率跟踪功能和过流保护功能通过下列逻辑控制原理实现：

发射板接通电源后，初始状态第一比较电路的输出端DR1为高电平，经MOSFET集成驱动电路后，MOSFET管 Q2和MOSFET管Q3的栅极电平被置高，MOSFET管Q1和MOSFET管Q4的栅极电平被置低，此时，MOSFET管使Q2和MOSFET管Q3导通，MOSFET管Q1、MOSFET管Q4截至；这样电容CX1和线圈L1上有电流流过，并开始自由谐振过程；

高频电流互感器CT1采样的谐振电流信号由加法器U2组成的加法电路叠加一个VREF的直流电平；再由放大器U1运放组成的放大电路，将加法器U2输出的交流信号放大；加法器U2放大后的信号由比较器U3运放组成的比较电路在电流信号过零时将驱动信号DR1置低；

DR1被置底后，MOSFET的集成驱动电路使MOSFET管Q2和MOSFET管Q3栅极电平被置低，MOSFET管Q1和MOSFET管Q4栅极电平被置高，此时，MOSFET管Q2和MOSFET管Q3截至，MOSFET管Q1和MOSFET管Q4导通；这样电容CX1和线圈L1上由电流反向并重新进入谐振状态，在谐振电流过零时又重新将信号DR1置高；这样就实现了发射板的自动启动和MOSFET在谐振电流的过零点进行开关切换，实现MOSFET的软开关；

当负载电阻RL或接收线圈LR和发射线圈LS的距离D发生变化时，谐振电路的频率会发生变化，此时MOSFET的开关频率会随着谐振频率的变换而调整变化，进而实现了频率跟踪功能；

谐振电流经过几个谐振周期后峰值会越来越大，该电流需要限制在一定的范围之内；

高频电流互感器CT2采样谐振电流经全桥整流、经过RC滤波电路滤波后到比较器U4组成的比较器电路中，当电流峰值超过设定的阈值时，比较器U4输出的高电平变成低电平，并经过延时器U5组成的延时单元输出OH高电平经反相后将DR1拉低，这样MOSFET管Q1和MOSFET管Q4保持导通，MOSFET管Q2和MOSFET管Q3保持截至；当谐振电流低于设定的阈值后，OH要延时一段时间△T后再恢复为低电平；

经过△T时间后谐振电流已经降低；电路又恢复到使谐振电流逐步增大的过程中，这样谐振电流就被限制在一定的范围内，这样既实现了过流保护功能，并且通过调整电阻R28和电阻R30的值可以设定发射板最大谐振电流值。

2.一种无线充电发射装置，其特征在于：

包括有发射板，所述发射板包括如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线充电发射电路。

说明书

一种磁耦合谐振式无线充电发射电路及无线充电发射装置

技术领域

[0001] 本发明涉及电子电路技术领域，具体的，涉及一种磁耦合谐振式无线充电发射电路及无线充电发射装置。

背景技术

[0002] 无线充电可以摆脱金属导线的束缚，扩展电能的传输范围；其具有安全可靠和方便灵活等方面的优势。磁耦合式无线充电是诸多无线充电方式中的一种实现方式。磁耦合
谐振式无线充电可以满足cm到m级距离的无线能量传输，具有很广泛的应用前景。

[0003] 目前磁耦合式无线充电发射端高频功率驱动电路基本采用三种方式实现；第一种是将小信号进行功率放大来驱动变压器初级侧LC电路进行谐振；第二种是采用电力电子器
件通过半桥或全桥逆变电路来实现；第三种是采用自激振荡功率电路来驱动LC。

[0004] 现有第二种谐振式发射电路存在以下问题：

[0005] 1、不论是半桥或全桥，存在MOSFET等开关器件的开关损耗；

[0006] 2、频率调整功能、一些保护功能、启动控制基本上需要MCU参与控制，提高了成本；

[0007] 3、需要有频率发生装置。

发明内容

[0008] 本发明的目的是解决现有无线充电发射端设计成本过高、线路复杂的问题，设计了一种磁耦合谐振式无线充电发射电路及无线充电发射装置，该设计方案不通过MCU控制，
以精简硬件设计实现谐振式电路控制，可以节省应用成本。

[0009] 为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，一种磁耦合谐振式无线充电发射电路，包括有与电源适配器电连接的电源输入接口，还包括有全桥逆变电路、电流采
样电路、运放电路、震荡电路、转换电路、延时电路以及比较电路；所述全桥逆变电路的电源
输入端与电源输入接口连接，所述全桥逆变电路的一个输出端与电流采样电路的一个采样
端电连接，所述全桥逆变电路的另一个输出端通过震荡电路与电流采样电路的另一个采样
端电连接，所述电流采样电路的一个输出端与转换电路的输入端电连接，所述电流采样电
路的另一个输出端与运放电路的输入端电连接，所述比较电路的一个输入端与转换电路的
输出端电连接，所述比较电路的另一个输入端与运放电路的输出端电连接，所述比较电路
的一个输出端与延时电路的输入端电连接，所述比较电路的另一个输出端与全桥逆变电路
的驱动端电连接，所述延时电路的输出端全桥逆变电路的驱动端电连接。

[0010] 作为优选，所述的全桥逆变电路包括MOSFET管组成的全桥逆变功率电路和MOSFET管驱动电路，所述全桥逆变功率电路的电源输入端与电源输入接口连接，所述全桥逆变功
率电路的一个输出端与电流采样电路的一个输入端电连接，所述全桥逆变功率电路的另一
个输出端通过震荡电路与电流采样电路的另一个输入端电连接，所述MOSFET管驱动电路的
输入端分别与延时电路的输出端以及放大电路的一个输出端电连接，所述MOSFET管驱动电
路的输出端与MOSFET管的控制端电连接。

[0011] 作为优选，所述的电流采样电路包括第一电流采样电路以及第二电流采样电路，所述第一电流采样电路以及第二电流采样电路的输入端串联，所述第一电流采样电路的输
入端与全桥逆变功率电路的一个输出端电连接，所述第二电流采样电路的输入端与滤波电
路的输出端电连接，所述第一电流采样电路的输出端与运放电路的输入端电连接，所述第
二电流采样电路的输出端与全桥整流电路的输入端电连接。

[0012] 作为优选，所述的电流采样电路包括第一电流采样电路以及第二电流采样电路，所述第一电流采样电路以及第二电流采样电路的输入端串联，所述第一电流采样电路的输
入端与全桥逆变功率电路的一个输出端电连接，所述第二电流采样电路的输入端与震荡电
路的输出端电连接，所述第一电流采样电路的输出端与运放电路的输入端电连接，所述第
二电流采样电路的输出端与转换电路的输入端电连接。

[0013] 作为优选，所述转换电路包括有全桥整流电路和滤波电路，所述滤波电路的输入端与第二电流采样电路的输出端电连接，所述滤波电路的输出端与全桥整流电路的输入端
电连接，所述全桥整流电路的输出端与比较电路的输入端电连接。

[0014] 作为优选，所述的比较电路包括第一比较电路以及第二比较电路，所述第一比较电路的输入端与放大电路的输出端电连接，所述第一比较电路的输出端与MOSFET管驱动电
路的输入端电连接；所述第二比较电路的输入端与滤波电路的输出端电连接，所述第二比
较电路的输出端与延时电路的输入端电连接，所述延时电路的输出端与MOSFET管驱动电路
的输入端电连接。

[0015] 作为优选，所述的MOSFET的驱动电路包括有两片通过反相电路实现驱动信号的互补导通的集成IC芯片。

[0016] 作为优选，所述的第一电流采样电路和第二电流采样电路均包括有一个高频电流互感器和一个次级侧负载电阻，第一电流采样电路的高频电流互感器初级线圈与第二电流
采样电路的高频电流互感器初级线圈串联，次级侧负载电阻与高频电流互感器的次级线圈
并联。

[0017] 作为优选，包括有发射板，所述发射板包括上述的磁耦合谐振式无线充电发射电路。

[0018] 本发明的有益效果：

[0019] 定值设定：过流检测电压比较电路可以通过调节电阻阻值设定发射电流的峰值大小；当谐振电流超过工作阀值时，停止向谐振电路提供能量补给；

[0020] 电路精简，成本较低：避免使用MCU进行逻辑控制，有效降低了成本，同时逻辑控制电路较精简；

[0021] 自动频率跟踪：电路可以根据磁耦合谐振式无线充电负载变化引起的谐振频率变化自动调整驱动频率，跟踪谐振点，提高传输效率；

[0022] 零电流软开关：全桥逆变的MOSFET均实现了零电流开关，降低了开关损耗；

[0023] 上电自动启动，不需要频率发生装置：电路上电后能够自动启动并采集当前谐振频率，不需要额外设计频率发生装置。

附图说明

[0024] 图1为本实施例一种磁耦合谐振式无线充电发射电路的结构示意图。

[0025] 图2为本实施例一种磁耦合谐振式无线充电发射电路的原理图。

[0026] 图3为本实施例一种无线充电装置的示意图。

[0027] 图中标记说明：1‑全桥逆变电路，2‑电流采样电路，3‑运放电路，4‑转换电路，5‑比较电路，6‑延时电路，7‑适配器，8‑震荡电路，11‑全桥逆变功率电路，12‑MOSFET管驱动电
路，21‑第一电流采样电路，22‑第二电流采样电路，31‑加法电路，32‑放大电路，41‑全桥整
流电路，42‑滤波电路，51‑第一比较电路，52‑第二比较电路。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种
最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有
做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 实施例：如图1所示，是一种磁耦合谐振式无线充电发射电路结构图，由全桥逆变电路1、电流采样电路2、运放电路3、滤波电路42、震荡电路8、转换电路4、延时电路6以及比
较电路5组成，全桥逆变电路1由全桥逆变功率电路11以及MOSFET管驱动电路12组成，电流
采样电路2由第一电流采样电路21以及第二电流采样电路22组成，运放电路3由加法电路31
以及放大电路32组成，比较电路5由第一比较电路51以及第二比较电路52组成，转换电路4
由全桥整流电路41以及滤波电路42组成，外部电源通过适配器7为无线充电发射装置提供
电源，全桥逆变功率电路11的一个输出端与第一电流采样电路21的输入端电连接，全桥逆
变功率电路11的另一个输出端通过震荡电路8与第二电流采样电路22的输入端电连接，全
桥逆变功率电路11的控制端与MOSFET管驱动电路12的输出端电连接，第一采样电路的输出
端与加法电路31的输入端电连接，加法电路31的输出端与放大电路32的输入端电连接，放
大电路32的输出端与第一比较电路51的输入端电连接，第一放大电路32的输出端与MOSFET
管驱动电路12的输入端电连接，第二电流采样电路22的输出端与全桥整流电路41的输入端
电连接，全桥整流电路41的输出端与滤波电路42的输入端电连接，滤波电路42的输出端与
第二比较电路52的输入端电连接，第二比较电路52的输出端与延时电路6的输入端电连接，
延时电路6的输出端与MOSFET管驱动电路12的输入端电连接。

[0030] 图2所示，是一种磁耦合谐振式无线充电发射电路原理图，由四个MOSFET管Q 1、Q2、Q3以及Q4组成全桥逆变功率电路11，MOSFET的驱动电路由两片通过反相电路实现驱动
信号的互补导通的集成IC芯组成，一组集成IC芯片控制端与MOSFET管Q1和MOSFET管Q4的栅
极电连接，另一组集成IC芯片控制端与MOSFET管Q2和MOSFET管Q3的栅极电连接，第一电流
采样电路21由一个高频电流互感器CT1和次级侧负载电阻R5、R12组成，第二电流采样电路
22由一个高频电流互感器CT2和次级侧负载电阻R31、R37组成，震荡电路8由电容CX1和电感
L1组成，电流互感器CT1的第四电脚与MOSFET管Q1的源极电连接，电流互感器CT2的第三电
脚通过电感L1和电容CX1与MOSFET管Q2的源极电连接，电流互感器CT1的第三电脚与电流互
感器CT2的第四电脚电连接，电阻R5的第一端与电流互感器CT1的第一电脚电连接，电阻R5
的第二端与电阻R12的第一端电连接，电阻R12的第二端与电阻R16的第一端电连接，电阻
R16的第二端与加法器U2的第三电脚电连接，加法器U2的第四电脚通过电阻R4与加法器U2
的第一电脚电连接，加法器U2的第一电脚通过电阻R10与放大器U1第三电脚电连接，放大器
U1的第四电脚通过R3与放大器U1的第一电脚电连接，放大器U1的第一电脚通过电阻R9与比
较器U3的第四电脚电连接，比较器U3的第三电脚通过电阻R6与比较器U3的第一电脚电连
接，比较器U3的第一电脚通过电阻R7与MOSFET管驱动电路12的一组集成IC芯片输入端电连
接。

[0031] 高频电流互感器CT2的第一电脚通过电阻R31以及电阻R37与高频电流互感器CT2的第二电脚电连接，高频电流互感器CT2的第一电脚与全桥整流电路41的二极管D4的阳极
端电连接，高频电流互感器CT2的第二电脚与全桥整流电路41的二极管D3的阳极端电连接，
全桥整流电路41的二极管D3的阴极端通过电阻R23以及电阻R29与全桥整流电路41的二极
管D7的阳极端电连接，电阻R23的第一端与电阻R21的第一端电连接，电阻R21的第二端与电
容C11的连接并接地，电容C11的第一端通过电阻R24与比较器U4的第四电脚电连接，比较器
U4的第三电脚通过电阻R22与比较器U4的第一电脚电连接，比较器U4的第一电脚通过电阻
R26以及R65与延时芯片U5的第二引脚电连接，延时芯片U5的第五引脚通过电容C16以及电
容C15与延时芯片U5的第六引脚电连接，延时芯片U5的第六引脚与延时芯片U5的第七引脚
短接，延时芯片U5的第七引脚通过电阻R33与延时芯片U5的第八引脚电连接，延时芯片U5的
第八引脚与电容C13的第一端电连接，电容C13的第二端与电容C15的第二端电连接，电容
C13的第一端与电容C14的第一端电连接，电容C14的第二端与电容C13的第二端电连接并接
地，电容C14的第一端接VCC，延时芯片U5的第三引脚与MOSFET管驱动电路12的另一组集成
IC芯片输入端电连接。

[0032] 适用于如图2所示的一种磁耦合谐振式无线充电发射电路原理图的具体实施方式如下：

[0033] 如图3所示是本发明的一种无线充电装置的示意图，由发射板和线圈LS以及接收板、负载电阻RL以及线圈LR组成。发射板中的电路原理适用于如图2所示的一种磁耦合谐振
式无线充电发射电路原理图，发射板接通电源后，初始状态第一比较电路51的输出端DR1为
高电平，经MOSFET集成驱动电路后，MOSFET管 Q2和MOSFET管Q3的栅极电平被置高，MOSFET管
Q1和MOSFET管Q4的栅极电平被置低，此时，MOSFET管使Q2和MOSFET管Q3导通，MOSFET管Q1、
MOSFET管Q4截至；这样电容CX1和线圈L1上由电流流过，并开始自由谐振过程。高频电流互
感器CT1采样的谐振电流信号由加法器U2组成的加法电路31叠加一个VREF的直流电平；再由
放大器U1运放组成的放大电路32，将加法器U2输出的交流信号放大；加法器U2放大后的信号
由比较器U3运放组成的比较电路在电流信号过零（上升沿）时将驱动信号DR1置低。DR1被置
底后，MOSFET的集成驱动电路使MOSFET管Q2和MOSFET管Q3栅极电平被置低，MOSFET管Q1和
MOSFET管Q4栅极电平被置高，此时，MOSFET管Q2和MOSFET管Q3截至，MOSFET管Q1和MOSFET管Q4
导通；这样电容CX1和线圈L1上由电流反向并重新进入谐振状态，在谐振电流过零（下降沿）
时又重新将信号DR1置高。这样就实现了发射板的自动启动和MOSFET在谐振电流的过零点
进行开关切换，实现MOSFET的软开关。当负载电阻RL或接收线圈LR和发射线圈LS的距离D发
生变化时，谐振电路的频率会发生变化，此时MOSFET的开关频率会随着谐振频率的变换而
调整变化，进而实现了频率跟踪功能。

[0034] 谐振电流经过几个谐振周期后峰值会越来越大，该电流需要限制在一定的范围之内；高频电流互感器CT2采样谐振电流经全桥整流、经过RC滤波电路42滤波后到比较器U4组
成的比较器电路中，当电流峰值超过设定的阈值时，比较器U4输出的高电平变成低电平，并
经过延时器U5组成的延时单元输出OH高电平经反相后将DR1拉低，这样MOSFET管Q1和MOSFET
管Q4保持导通，MOSFET管Q2和MOSFET管Q3保持截至；当谐振电流低于设定的阈值后，OH要延
时一段时间△T后再恢复为低电平。经过△T时间后谐振电流已经降低；电路又恢复到使谐
振电流逐步增大的过程中，这样谐振电流就被限制在一定的范围内，这样既实现了过流保
护功能，并且通过调整电阻R28和电阻R30的值可以设定发射板最大谐振电流值。

[0035] 以上所述之具体实施方式为本发明一种磁耦合谐振式无线充电发射电路及无线充电发射装置的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括
并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护
范围内。