一种无线充电装置及其金属异物检测方法与流程

本发明涉及电磁感应式无线充电器(QI标准)，特别涉及一种无线充电装置及其金属异物检测方法。

背景技术：

无线充电装置采用磁感应技术，执行标准兼容国际无线充电联盟(WPC)的Qi标准。无线充电装置发射端的初级线圈和接收端的次级线圈，通过电磁感应来传递功率和信息。当两个线圈间存在金属异物时，由于涡流效应的作用会在金属异物上产生大量热量，存在严重的安全隐患，因此金属异物检测是无线充电装置的必备功能。

目前市场上对无线充电装置的金属异物检测主要是通过检测发射端的功率损耗方式来实现的，外围电路简单、易计算，但存在异物检测灵敏度难调节，误报、漏报等问题。造成上述问题的原因比较复杂，一方面是功率损耗法在逆变桥和发射线圈上的损耗功率不能通过直接测量方式获得，因此在计算功率损耗时形成的计算误差导致了金属异物的检测不够准确；另一方面，金属异物报警功率损耗的阈值设定会影响异物检测的灵敏度，而最优功率损耗阈值的确定在实现上难度大，需要通过大量的试验来积累丰富的经验值。

对无线充电装置的异物检测而言，市场上的功率损耗法不能通过直接测量方式获得逆变桥和发射线圈上的损耗功率，因此在功率损耗计算过程中存在计算误差，进而导致异物检测存在灵敏度难调节，误报、漏报等问题。通过对市场上同类无线充电装置进行试验发现，采用同一个一元硬币作为金属异物，功率损耗法的装置在2组100次异物检测测试中，产生误报或者漏报次数分别为7次和9次，异物检测的准确性维持在91％～93％之间。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于检测发射端初级线圈品质因数变化来确定是否存在金属异物的方法，当金属异物存在时，线圈品质因数会减小，当品质因数小于设定的比较阈值时，判定存在金属异物，发射端提示报警并自动终止功率传输；品质因数法能够直接获得逆变桥上输入电压值和线圈电压值，较功率损耗法而言，未引入计算误差，因此异物检测的灵敏度和准确性均高于功率损耗法的一种无线充电装置及其金属异物检测方法。

实现本发明目的的技术方案是：一种无线充电装置，由发射端和接收端组成；所述发射端由发射驱动电路和发射端初级线圈组成；所述接收端由接收驱动电路和接收端次级线圈组成；所述发射驱动电路包括逆变桥电路、通信解调电路、线圈功率U/I检测电路和品质因数Q检测电路；所述逆变桥电路的一个输入端通过电压转换电路与直流电压相连，另一个输入端接发射端主控IC的输出端，逆变桥电路的输出端通过发射端初级线圈LC谐振电路后分别与线圈功率U/I检测电路的输入端和品质因数Q检测电路的输入端相连；所述线圈功率U/I检测电路的输出端和品质因数Q检测电路的输出端均与发射端主控IC的输入端相连；所述通信解调电路的输入端接发射端初级线圈LC谐振电路的输出端，其输出端接发射端主控IC的输入端；所述接收驱动电路包括整流桥电路、通信调制电路和降压电路；所述整流桥电路的输入端接接收端次级线圈LCC谐振电路，其输出端通过降压电路与负载设备相连；所述通信调制电路的两个输入端分别与接收端主控IC的输出端和整流桥电路的输出端相连。

上述技术方案所述品质因数Q检测电路的采样线圈电压C_V2取逆变桥电路的电容C与电感L的公共连接端电压，品质因数Q检测电路的采样输入电压C_V1取逆变桥电路的电容C的另一端电压；所述采样输入电压C_V1和采样线圈电压C_V2均经过一级差分放大、二级低通滤波与信号跟随处理，提高了信号的输入阻抗，放大后的信号Q_V1_AD1和Q_V2_AD2分别进入发射端主控IC的模数AD转换通道1和模数AD转换通道2。

一种无线充电装置的金属异物检测方法，包括以下步骤：

1)按照Qi标准规定的测量方法，通过试验方式标定参考品质因数Q_reference并确定比较阈值Q_threshold，其中Q_threshold<90％Q_reference；

2)通过检测发射端初级线圈实际测量的品质因数Q_measured的变化来确定是否存在金属异物，当实际测量的品质因数Q_measured大于设定的比较阈值Q_threshold时，判断不存在金属异物；当实际测量的品质因数Q_measured小于设定的比较阈值Q_threshold时，判断存在金属异物，发射端提示报警并自动终止功率传输。

上述技术方案所述品质因数

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

(1)本发明能够准确的检测到无线充电装置间的异物，并调节工作参数，避免因金属异物的介入产生涡流效应形成功率损耗甚至火灾等潜在事故发生，提高了无线充电装置的安全性与工作可靠性。

(2)本发明当发射端初级线圈和接收端次级线圈间存在金属异物时，涡流效应会造成金属异物被加热，导致严重的安全隐患。本发明所阐述的检测方法用于检测该金属异物并能够自动终止功率传输。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的无线充电装置框图；

图2为本发明的LC串联谐振等效电路框图；

图3为本发明的品质因数阈值设定示意图；

图4为本发明的全桥逆变采样信号示意图；

图5为本发明的品质因数Q检测电路中采样电压信号处理示意图；

具体实施方式

(实施例1)

见图1，本发明具有一种无线充电装置，由发射端1和接收端2组成；所述发射端1由发射驱动电路和发射端初级线圈组成；所述接收端2由接收驱动电路和接收端次级线圈组成；所述发射驱动电路包括逆变桥电路3、通信解调电路4、线圈功率U/I检测电路5和品质因数Q检测电路6；所述逆变桥电路3的一个输入端通过电压转换电路7与直流电压8相连，另一个输入端接发射端主控IC9的输出端，逆变桥电路3的输出端通过发射端初级线圈LC谐振电路10后分别与线圈功率U/I检测电路5的输入端和品质因数Q检测电路6的输入端相连；所述线圈功率U/I检测电路5的输出端和品质因数Q检测电路6的输出端均与发射端主控IC9的输入端相连；所述通信解调电路4的输入端接发射端初级线圈LC谐振电路10的输出端，其输出端接发射端主控IC9的输入端；所述接收驱动电路包括整流桥电路11、通信调制电路12和降压电路13；所述整流桥电路11的输入端接接收端次级线圈LCC谐振电路14，其输出端通过降压电路13与负载设备15相连；所述通信调制电路12的两个输入端分别与接收端主控IC16的输出端和整流桥电路11的输出端相连。

①谐振电路品质因数

见图2，无线充电发射端感应线圈电感L和串联电容C组成串联谐振电路，由于电路中存在一定的损耗，如电感线圈的欧姆损耗和辐射损耗、电容的介质损耗等。随着频率的升高，趋肤效应还会导致电感线圈的欧姆损耗和辐射损耗增加。

当电路工作在谐振频率点附近时，必须考虑这些损耗的影响。因此，串联谐振电路等效为电感L、电容C和等效损耗电阻R的串联电路，其等效阻抗Z计算公式如下：

其中表示电抗，当X＝0时，串联谐振电路中的电抗为零，电路呈现谐振状态。此时对应的频率为谐振频率ω₀。

串联谐振电路的阻抗在谐振频率处呈现为实数电阻，并且阻抗模值达到最小|Z|_MIN＝R，电压和电流的相位差φ＝0。阻抗降到最小值，电流达到最大值。在谐振频率下，假设输入电压为V_S,则电感和电容电压的计算公式如下：

将公式(2)代入公式(3)、公式(4)，电感和电容上的电压可表示如下：

如果满足电感和电容上电压的模值也会远大于输入电压|V_S|。LC串联谐振电路的品质因数Q计算公式如下：

采用品质因数表示时，在谐振频率下电感和电容上电压的模值计算公式如下：

|V_L|＝|V_C|＝Q|V_S| (8)

因此，LC串联谐振电路具有振荡放大作用，能够将输入信号的幅值提高Q倍。

②品质因数法检测原理

当发射端初级线圈上存在金属异物时，初级线圈的电感量L会减小，等效电阻R会增大，按照谐振电路推导公式(7)可知，发射端初级线圈的品质因数Q会减小。因此，通过检测初级线圈的品质因数的变化，可以识别线圈感应区间内是否存在金属异物。

见图3，为提高金属异物识别的准确性和可靠性，发射端初级线圈需要标定参考品质因数Q_reference和确定比较阈值Q_threshold。Q_reference按照Qi标准规定的测量方法，通过试验方式获得，Q_threshold设定值至少要小于Q_reference的90％，且需要考虑生产制作误差和测量误差。Q_measured为实际测量的品质因数值，当感应线圈间不存在金属异物时，Q_measured值大于Q_threshold值；当感应线圈间存在金属异物时，Q_measured值小于Q_threshold值。

③品质因数检测方法

由公式(9)可知，通过检测电感电压V_L和输入电压V_S的幅值来监测品质因数的变化。见图4，无线充电发射端采用全桥逆变方式，逆变桥由4个NMOS管组成，上桥输入电压VCC，下桥通过采样电阻R后接地。逆变桥可工作在半桥和全桥模式，为保护逆变桥的4个NMOS管，应避免上下2个NMOS管同时导通，NMOS管的控制需要增加死区补偿。逆变桥下桥的采样电阻R将逆变桥回路的电流转换为电压信号再经过运放和RC低通滤波处理后，送入发射端主控IC进行模数AD转换。该信号用于动态调整无线充电装置发射端的传输功率。

电压C_V2采样线圈电压，电压C_V1采样输入电压，线圈电压C_V2与输入电压C_V1模值的比值为线圈品质因数Q_measured。

如图5所示，采样电压C_V1经过一级差分放大，二级低通滤波与信号跟随处理，提高了信号的输入阻抗，放大后的信号Q_V1_AD1进入发射端主控IC的模数AD转换通道1。

采样电压C_V2经过一级差分放大，二级低通滤波与信号跟随处理，提高了信号的输入阻抗，放大后的信号Q_V2_AD2进入发射端主控IC的模数AD转换通道2。

由于L C串联谐振电路的振荡放大作用，输入电压C_V1与采样线圈电压C_V2具有相同的频率和相位，仅幅值不同。因此，在经过信号放大、低通滤波等处理后，进入发射端主控IC模数AD转换后的值，可以作为输入电压和线圈电压的替代值，直接进行比较即可获得品质因数值Q。

假设输入电压C_V1和线圈电压C_V2进入发射端主控IC模数AD转换后的值分别为C_V1_AD1_IC和C_V2_AD2_IC，则品质因数Q_measured可按下面公式简化计算：

当Q_measured>Q_threshold时，感应线圈间不存在金属异物；当Q_measured<Q_threshold时，感应线圈间存在金属异物。

当Q_measured＝Q_threshold时，从安全因素考虑可将此状态判定为存在金属异物；从检测灵敏度需求角度而言，若需要异物检测灵敏度适中，则可判定为不存在金属异物；上述所有的判定都是通过软件程序完成的，灵活性高、可根据实际需求动态调整。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。