过压保护电路及无线充电接收装置的制作方法

本实用新型属于无线充电技术领域，具体地说，是涉及一种用于对无线充电系统中的接收端进行过压保护的电路设计以及基于所述过压保护电路设计的无线充电接收装置。

背景技术：

无线充电技术源于无线电能传输技术，小功率的无线充电技术常采用电磁感应式，而大功率的无线充电技术则采用谐振式，由供电设备（充电器）将能量传送至用电装置。用电装置使用接收到的能量对其内部的电池充电，并同时供其自身运作之用。由于充电器与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间无需电线连接，因此，充电器和用电装置都可以做到无导电接点外露，安全性高，充电操作更加方便灵活，在目前的手机、电视、电动汽车等领域得到了越来越广泛的应用。

在基于谐振式无线充电技术设计的电子产品中，在充电器端设置有发射线圈，在接收端（即，用电装置）设置有接收线圈，当发射线圈和接收线圈调整到相同频率时，或者说发射线圈和接收线圈在一个特定的频率上共振时，二者之间就可以交换彼此的能量。在实际使用过程中，当发射线圈的电压较大或发射线圈因工作异常而导致发射端的电压较高时，接收线圈就会接收到较大的电压。当接收电压超过用电装置中负载电路的安全阈值时，就会导致用电装置中的负载电路过压损坏，继而影响用电装置的使用寿命。

为了对接收端进行过压保护，现有的解决办法是在接收端内安装过压保护器件，例如保险丝、压敏电阻、稳压管等，以在电路中起到一定的过压保护、稳定电压、减少损坏等作用。但是，这种过压保护方法都是以保护器件消耗能量来实现，长期工作后，保护器件可能会失效，因此保护作用非常有限。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种全新的用于无线充电接收端的过压保护技术，在接收端接收到的电压异常时，采用调节接收线圈的谐振频率与发射线圈失配的方式来降低接收线圈的电压，继而达到过压保护的目的。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

本实用新型在一个方面提出了一种过压保护电路，应用在无线充电接收装置中，包括以谐振方式接收发射线圈传送的能量并转换成交流电压的接收线圈、连接所述接收线圈并用于调节所述接收线圈的频率的谐振匹配网络、对所述交流电压进行整流变换以生成直流充电电压的整流电路以及检测电路；所述检测电路检测所述直流充电电压的幅值，并与设定的安全阈值进行比较；若充电电压的幅值超过设定的安全阈值，则控制所述谐振匹配网络调整所述接收线圈的工作频率，使接收线圈在发射线圈的工作频率点处处于非谐振状态，进而使接收线圈接收到的电压降低。

为了便于调节接收线圈的频点，在所述谐振匹配网络中设置有可选择性接入的备用电容，所述检测电路在检测到所述充电电压的幅值超过设定的安全阈值时，通过控制所述备用电容接入所述谐振匹配网络，以改变所述接收线圈的频点，使其偏离所述发射线圈的工作频率点，继而降低所述的充电电压，达到过压保护的目的。

作为所述备用电容选择性接入谐振匹配网络的一种优选实现方式，所述备用电容至少设置有一个，一端连通所述的接收线圈，另一端通过开关元件接地；所述检测电路在检测到所述充电电压未超过安全阈值时，控制所述开关元件断开，隔离所述的备用电容；在检测到所述充电电压超过安全阈值时，控制所述开关元件导通，使所述备用电容接地，将所述备用电容接入所述谐振匹配网络。

优选的，在所述谐振匹配网络中设置有多个匹配电容，通过配置所述匹配电容的电容值，以调整所述接收线圈在发射线圈的工作频率点处于谐振状态；所述备用电容设置有两个，第一个备用电容的一端连接所述接收线圈的一端，接收线圈的另一端通过所述的匹配电容连接第二个备用电容的一端，两个备用电容的另一端通过所述开关元件的开关通路接地，所述开关元件的控制端连接所述的检测电路。

作为所述备用电容选择性接入谐振匹配网络的另外一种优选实现方式，在所述谐振匹配网络中设置有多个匹配电容，通过配置所述匹配电容的电容值，以调整所述接收线圈在发射线圈的工作频率点处于谐振状态；所述备用电容至少设置有一个，所述备用电容与开关元件的开关通路串联后，并联在其中一个或者多个所述匹配电容的两端，所述开关元件的控制端连接所述的检测电路，通过控制所述开关元件通断，以控制所述备用电容选择性地接入谐振匹配网络。

优选的，多个所述的匹配电容相互并联后，与所述的接收线圈相串联。

为了提到稳定充电电压的作用，在所述整流电路与检测电路之间还设置有滤波电路，用于对整流电路输出的直流充电电压进行滤波处理后，再传输至所述的检测电路。

进一步的，在所述检测电路中设置有电压采样电路和比较器，所述电压采样电路对所述直流充电电压进行采样，并形成采样电压；所述比较器接收所述采样电压，并与参考电压进行比较，当所述采样电压大于所述参考电压时，输出有效的控制信号至谐振匹配网络，以调节所述接收线圈的频率，使所述接收线圈在发射线圈的工作频率点处处于非谐振状态；其中，所述参考电压根据所述安全阈值确定。

优选的，所述参考电压优选由所述直流充电电压通过线性稳压器转换生成，传输至所述比较器的反相输入端，所述比较器的同相输入端接收所述的采样电压，输出高电平有效的控制信号至所述的谐振匹配网络。

本实用新型在另一方面提出了一种无线充电接收装置，包括以谐振方式接收发射线圈传送的能量并转换成交流电压的接收线圈、连接所述接收线圈并用于调节所述接收线圈的频率的谐振匹配网络、对所述交流电压进行整流变换以生成直流充电电压的整流电路以及检测电路；所述检测电路检测所述直流充电电压的幅值，并与设定的安全阈值进行比较；若充电电压的幅值超过设定的安全阈值，则控制所述谐振匹配网络调整所述接收线圈的工作频率，使接收线圈在发射线圈的工作频率点处处于非谐振状态，进而使接收线圈接收到的电压降低。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型基于谐振式无线充电技术设计的接收端过压保护电路，采用在接收端接收到的电压过高时调整接收线圈的谐振点与发射线圈的工作频率点失配的方式，来使得接收线圈的电压降低，继而达到了接收端过压保护的设计目的。采用这种过压保护电路，在接收端无需设置专用的过压保护器件，一方面可以解决因增设过压保护器件所带来的能量损耗问题，另一方面可以解决过压保护器件因长期使用而易出现功能失效等问题，继而显著改善了接收端的过压保护效果，有助于延长无线充电接收装置的使用寿命。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型所提出的过压保护电路的一种实施例的电路原理框图；

图2是图1所示的过压保护电路的一种实施例的电路原理图；

图3是图1所示的过压保护电路的另外一种实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

本实施例基于谐振式无线充电技术提出了一种过压保护电路，应用在无线充电系统的接收端（即，无线充电接收装置），可以在接收线圈的电压过高时，自动调整接收线圈的频率点偏离发射线圈的工作频点，通过控制接收线圈进入失配状态，从而使得接收线圈的电压降低，继而达到过压保护的设计目的。

其具体实现方法为：结合图1所示，首先，根据不同无线充电接收装置对充电电压的承受能力，预先设定安全阈值。根据设定的安全阈值，合理地调整充电器中的发射线圈的工作频率，以满足充电要求。其次，在无线充电接收装置中，调节其接收线圈的频率点，使其在发射线圈的工作频率点处进入谐振状态。由于接收线圈在当前频率点处的阻抗最低，因此能量转换效率最高，可以对发射线圈发射的磁场能量实现高效率的接收和转换。在发射线圈工作正常时，通过接收线圈接收到的电压经整流滤波等处理后，生成幅值小于安全阈值的直流充电电压。利用所述直流充电电压一方面可以为无线充电接收装置中的电池充电，另一方面可以直接提供给无线充电接收装置中的负载电路，满足其运行时的用电需求。当发射线圈的输入电压较大或者发射线圈因工作异常导致发射端电压较高时，通过接收线圈接收到的充电电压将随之升高，可能超出设定的安全阈值，继而导致负载电路的过压损坏。为了对无线充电接收装置实现过压保护，本实施例在检测到所述直流充电电压的幅值超过设定的安全阈值时，改变接收线圈的频率，将已经匹配的接收线圈调整到失配状态，即让接收线圈在发射线圈的工作频率点处处于非谐振状态，从而使得接收线圈的电压降低，达到过压保护的目的。

为了对接收线圈的频点实现灵活地调整，可以在无线充电接收装置中设置谐振匹配网络，连接所述的接收线圈，通过调节谐振匹配网络中的匹配电容的参数值，以调整接收线圈在发射线圈的工作频率点处进入谐振状态。在接收端的电压过高时，为了使接收线圈的频点发生偏移，进入非谐振状态，本实施例在谐振匹配网络中增设可选择性地接入的备用电容，通过控制备用电容在接收端电压超过安全阈值时接入到谐振匹配网络中，从而使接收线圈的频率偏离谐振点，进入失配状态。此时，接收线圈的回波损耗增大，阻抗增加，继而使得通过接收线圈接收到的充电电压降低，起到过压保护的作用。

基于上述设计思想，本实施例在无线充电接收装置中设计了一套过压保护电路，如图1所示，包括谐振匹配网络、整流电路、检测电路、开关元件、备用电容等主要组成部分。其中，谐振匹配网络连接无线充电接收装置中的接收线圈，用于对接收线圈的频率进行调节。调节谐振匹配网络中的匹配电容的电容值，使接收线圈与谐振匹配网络在发射线圈的工作频率点处发生串联谐振，继而以谐振方式接收发射线圈传送的能量，并转换生成交流电压。利用整流电路对接收线圈转换输出的交流电压进行整流变换，以形成直流充电电压，为无线充电接收装置中的负载电路供电，并为无线充电接收装置中的电池充电。利用检测电路对所述直流充电电压的幅值进行采样检测，并与预先设定的安全阈值进行比较，若直流充电电压的幅值未超过安全阈值，则表示接收线圈接收到的电压正常，控制开关元件保持默认的断开状态。将备用电容连接至所述开关元件，当开关元件断开时，控制所述备用电容与谐振匹配网络隔离，保持接收线圈的谐振状态。当检测电路检测到充电电压的幅值超过设定的安全阈值时，表示接收线圈接收到的电压过高，需要执行过压保护操作。此时，检测电路输出控制信号，控制所述开关元件闭合，将备用电容接入谐振匹配网络，继而改变接收线圈的频率点，使其偏离谐振点。此时，接收线圈的回波损耗增大，即接收线圈在发射线圈的工作频率点处处于非谐振状态，阻抗增大，接收线圈接收到的电压降低，从而起到保护无线充电接收装置中的负载电路的作用。

下面结合图2、图3，对本实施例的过压保护电路的具体电路结构及其工作原理进行详细的阐述。

如图2所示，在本实施例中，所述谐振匹配网络中设置有多路并联的匹配电容，例如匹配电容C3、C4、C5。将匹配电容C3、C4、C5并联后，与接收线圈L1相串联，配置所述匹配电容C3、C4、C5的电容值，以使接收线圈L1与谐振匹配网络在发射线圈的工作频率点处发生串联谐振。利用接收线圈L1接收发射线圈传送的能量，并转换成交流电压传输至整流电路。所述整流电路对接收线圈L1生成的交流电压进行整流变换，生成直流电压经由滤波电路进行波形整形后，输出稳定的直流充电电压Vin，传输至负载电路或者为无线充电接收装置中的电池充电。在检测电路中设计电压采样电路和比较器U1，利用电压采样电路对所述直流充电电压Vin进行采样，生成采样电压Vo传输至比较器U1的其中一个输入端（例如，传输至比较器U1的同相输入端+），在比较器U1的另外一个输入端连接参考电压Vref（例如，在比较器U1的反相输入端-连接参考电压Vref），所述参考电压Vref应根据设定的安全阈值确定。作为本实施例的一种优选设计方案，可以利用线性稳压器LDO对所述直流充电电压Vin进行稳压变换，以生成稳定的参考电压Vref。将比较器U1的输出端连接至开关元件K的控制端，利用比较器U1输出的高低电平信号控制开关元件K通断，进而改变备用电容C1、C2在谐振匹配网络中的接入或隔离状态。在本实施例中，所述备用电容C1、C2可以设置一路，也可以设置多路，可以采用将备用电容C1或C2的一端连通接收线圈L1，另一端通过开关元件K的开关通路接地的方式，实现备用电容C1或C2的选择性接入，如图2所示。当然，也可以采用将备用电容C1与开关元件K的开关通路串联后，并联在其中一路或者多路匹配电容C3、C4或C5的两端的方式，来实现备用电容C1在谐振匹配网络中的选择性接入，如图3所示。

图2示出了设置两路备用电容C1、C2的电路设计方式，将其中一路备用电容C2的一端连接至所述接收线圈L1的一端，接收线圈L1的另一端通过与其串联的匹配电容C3、C4、C5的并联支路连接另外一路备用电容C1的一端，将两路备用电容C1、C2的另一端连接至开关元件K的开关通路，并通过所述开关元件K的开关通路接地。

当发射端工作正常时，通过接收线圈L1接收并生成的交流电压经由整流电路和滤波电路整流滤波处理后输出的直流充电电压Vin的幅值小于设定的安全阈值，此时通过电压采样电路采集到的采样电压Vo小于参考电压Vref，比较器U1输出低电平信号，控制开关元件K保持默认的断开状态。此时，备用电容C1、C2未接入谐振匹配网络，接收线圈L1工作在谐振状态下。

当发射线圈接收到的输入电压较大或者发射线圈因工作异常导致发射端电压较高时，通过接收线圈L1接收并生成的交流电压经由整流电路和滤波电路整流滤波处理后输出的直流充电电压Vin的幅值升高，超过了设定的安全阈值。此时，通过电压采样电路采集到的采样电压Vo大于参考电压Vref，比较器U1输出高电平有效的控制信号，控制开关元件K导通，进而使备用电容C1、C2的另一端接地。此时，备用电容C1、C2接入谐振匹配网络，导致接收线圈L1的工作频点发生变化，偏离了谐振点。此时，接收线圈L1的回波损耗增大，阻抗升高，继而使得通过接收线圈L1接收到的电压降低，由此起到了过压保护的作用。

图3示出了另外一种将备用电容C1选择性接入到谐振匹配网络中的电路设计。即，将备用电容C1与开关元件K的开关通路串联后，并联在谐振匹配网络中的其中一路匹配电容C5的两端。当充电电压Vin未超过设定的安全阈值时，比较器U1输出低电平信号，控制开关元件K保持断开状态，使备用电容C1隔离谐振匹配网络。当发射端电压异常，导致接收端的充电电压Vin超过设定的安全阈值时，则比较器U1输出高电平有效的控制信号，控制开关元件K导通，将备用电容C1接入谐振匹配网络，并与匹配电容C5相并联，继而改变接收线圈L1的工作频点，使接收线圈L1与发射线圈失配，接收线圈L1在发射线圈的工作频率点处不再处于谐振状态，从而阻抗增大，接收到的电压降低，达到了过压保护的目的。

当然，所述备用电容也可以采用其他方式选择性地接入到谐振匹配网络中，以实现对接收线圈L1的工作频点的调整。

在本实施例中，所述开关元件K可以选用晶体管、可控硅、场效应管等具有开关作用的电子元件，本实施例对此不进行具体限制。

本实用新型的过压保护电路，采用调节接收线圈的工作频点偏离谐振点的方式来降低接收端电压，相比传统使用过压保护器件的电路设计方式，电路工作更加可靠，不会因为过压保护器件的失效而导致功能的丧失，极大提高了无线充电接收装置充电的安全性。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。